CC BY
28
УДК 551.510.537
В. А. Пилипенко, В. Б. Белаховский, С. Н. Самсонов
О ВОЗМОЖНЫХ МЕХАНИЗМАХ УСКОРЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ДО РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭНЕРГИЙ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
Аннотация
В работе c использованием данных по магнитному полю и потокам заряженных частиц с геостационарных спутников GOES исследовано ускорение электронов во внешнем радиационном поясе Земли с энергиями от ~40 кэВ >2 МэВ. Показано, что величина роста потоков электронов не зависит от интенсивности магнитной бури и даже может происходить без бури. Для характеристики волновой активности магнитосферы в Pc5-диапазоне (1-7 мГц) использован УНЧ-индекс. Возрастание потоков МэВ электронов происходит более чем на 1,5 порядка через 1-2 дня после роста УНЧ-индекса. Корреляция между периодами с высокой скоростью солнечного ветра и ростом потоков релятивистских электронов с задержкой в 1-2 дня подтверждает идею о важной роли дрейфового резонанса магнитосферных электронов с МГД-колебаниями Pc5-диапазона. Резонансное взаимодействие между ними приводит к диффузии электронов вглубь магнитосферы и их предварительному ускорению до субрелятивистских энергий.
Ключевые слова:
магнитосфера, радиационные пояса, релятивистские электроны, УНЧ - и ОНЧ-волны.
V. A. Pilipenko, V. B. Belakhovsly, S. N. Samsonov
ON A POSSIBLE ACCELERATION MECHANISMS OF ELECTRONS UP TO THE RELATIVISTIC ENERGIES IN THE EARTH MAGNETOPSHERE
Abstract
In this work with using geomagnetic field data and charge particle data from the GOES geostationary satellites the acceleration of the electrons at Earth outer radiation belt with the energies from 40 keV to > 2 MeV was investigated. It is shown that the rate of the electron flux increase does not depend on the geomagnetic storm intensity and occur without geomagnetic storm. For the describing of the magnetosphere wave activity in the Pc5 frequency range (1-7 mHz) the ULF index was used. The correlation between the periods with the high solar wind speed and growth of the relativistic electron fluxes with the delay 1-2 days confirm the idea about the important role of the drift resonance of the magnetosphere electrons with the MHD waves in the Pc5 frequency range. The resonance interaction between them lead to the electron diffuse deep into the magnetosphere and its preliminary acceleration to the subrelativistic energies.
Keywords:
magnetosphere, outer radiation belt, relativistic electrons, ULF waves, VLF waves.
1. Введение
Одна из наиболее актуальных проблем космической физики — определение механизма ускорения электронов до релятивистских энергий, так как такие электроны могут вывести из строя спутниковую электронику, что может приводить даже к полной потере спутника [1]. Поэтому в литературе их часто называют «электронами-убийцами» (killer-electrons). Внешний радиационный пояс является динамическим образованием: интенсивность потоков высокоэнергичных электронов может резко возрастать и спадать на 1-3 порядка в широком диапазоне расстояний (от L = 3 до L = 7) [2]. Традиционно считается, что появление «электронов-убийц» является одним из проявлений магнитных бурь в околоземном пространстве [3], хотя только ~ 50 % бурь приводит к усилению потоков релятивистских электронов и нет прямой зависимости между интенсивностью бури и уровнем потоков электронов [4]. Динамика высокоэнергичных электронов определяется балансом между процессами инжекции, ускорения и потерь, связанных с высыпанием и вылетом частиц за магнитопаузу [5]. Во время главной фазы бури резкое сжатие магнитосферы приводит к резкому падению интенсивности наблюдаемых электронных потоков за счет адиабатического переноса МэВ электронов за геостационарную орбиту вглубь магнитосферы («Dst-эффект») и вылету части захваченных частиц за пределы магнитосферы. Адиабатическая часть падения потоков электронов восстанавливается, когда магнитосфера релаксирует к прежнему состоянию на фазе восстановления бури. Результирующий эффект бури зависит от соотношения мощностей потерь и ускорительных механизмов. Суббуревая активность сопровождается инжекцией энергичных электронов (E < 100 кэВ) в магнитосферу, но она не может обеспечить их ускорение до релятивистских энергий.
В бесстолкновительной магнитосферной плазме ускорение заряженных частиц может быть связано только с взаимодействием волн и частиц. Один из возможных механизмов основан на идее «геосинхротрона» — ускорения и радиальной диффузии электронов при дрейфовом резонансе с Рс5-волнами:
ю - = 0,
где m — азимутальное волновое число волны, ю^ — дрейфовая частота электронов, ю — частота волны [4].
Согласно этому сценарию, Рс5-пульсации, возбуждаемые потоками солнечного ветра или протонами кольцевого тока, являются промежуточным агентом, передающим энергию от протонов солнечной плазмы или кольцевого тока ускоренным электронам [5]. Условие дрейфового резонанса с субрелятивистскими электронами выполняется для Рс5-волн с малыми значениями m, т. е. для пульсаций тороидальной поляризации. В последнее время также появляется все больше наблюдений и теоретических моделей, свидетельствующих о том, что излучения ОНЧ-диапазона (1-10 кГц) играют ключевую роль в ускорении магнитосферных электронов. Такими ОНЧ-излучениями оказались «хоры» (chorus) — узкополосные излучения с сильной дисперсией, возбуждаемые энергичными электронами в области магнитосферного экватора. Хоры распространяются от области генерации в экваториальной плоскости к ионосфере и могут захватываться в локальные
плазменные неоднородности, вытянутые вдоль силовых линий (duct). Эффекты ускорения электронов преобладают над их питч-угловым рассеянием в конус потерь при достаточно высокой энергии частиц [6].
В данной работе приведены примеры появления интенсивных потоков электронов релятивистских энергий на геостационарной орбите как при магнитных бурях, так и без них. Эти экспериментальные свидетельства помогут более четко очертить набор условий космической погоды, способствующих ускорению магнитосферных электронов до релятивистских энергий.
2. Данные
В работе использовались данные по потокам электронов разных энергий (40, 475 кэВ, > 2 МэВ) и вариациям магнитного поля с геостационарных спутников GOES-13, GOES-15. Параметры солнечного ветра брались из базы данных OMNI. Для характеристики волновой активности магнитосферы в Pc5-частотном диапазоне (1-7 мГц) использовался планетарный УНЧ-индекс [7].
Для характеристики ОНЧ-волновой активности использованы данные станции Halley Bay в Антарктиде — так называемый VLF-индекс. Использован канал 1 кГц. Поле зрения приемника на этой станции находится в широтном диапазоне 3 < L < 7. Данные за сутки были усреднены за временной интервал 09-12 UT, поскольку в утреннем секторе наибольшая вероятность наблюдения хоров. Для характеристики интенсивности магнитной бури был использован SYM-H-индекс, для характеристики суббуревой активности — AE-индекс.
3. Анализ наблюдений
По данным геостационарных спутников GOES проводилось сравнение вариаций потоков электронов разных энергий: энергичных — с E ~ 0 кэВ, субрелятивистских — c E ~ 475 кэВ и релятивистских — с Е > 2 МэВ с различными индексами космической погоды, включая УНЧ-индекс, во время серии магнитных бурь в сентябре 2011 г. (рис. 1). Суточные вариации потоков МэВ электронов на геостационарной орбите вызваны асимметрией день-ночь магнитосферного магнитного поля и не связаны с процессами ускорения.
За анализируемый период произошло 3 магнитных бури: 9-14 сентября (SYM-H = -80 нТл), 17-18 сентября (SYM-Н = -77 нТл) и 26-30 сентября (SYM-H = -110 нТл). Наиболее значительный рост потоков релятивистских электронов на GOES-13 наблюдался на восстановительной фазе магнитной бури 9-14 сентября и продолжался после окончания бури. Величина потока МэВ-х электронов возросла более чем на 1,5 порядка, при этом последовательно происходил рост кэВ электронов, потом — субрелятивистских и затем — релятивистских.
Во время наиболее интенсивной магнитной бури 26-30 сентября увеличение потоков МэВ электронов было в несколько раз меньше. В то же самое время для сопоставимой по интенсивности геомагнитной бури 17-18 сентября роста потоков МэВ электронов практически не было видно вообще. Более того, в период 2-7 сентября, когда магнитной бури не было (|SYM-H|<20 нТл), произошло увеличение интенсивности электронных потоков на фоне повышенной суббуревой активности (AE ~ 400-600 нТл). Сопоставление электронного отклика на эти возмущения космической погоды указывает на наличие нескольких факторов, способствующих усилению
внешнего радиационного пояса: продолжительной суббуревой активности (высокие значения АЕ) и повышенного уровня УНЧ-волновой активности. Усиленная генерация УНЧ-шумов и колебаний происходит при появлении высокоскоростных потоков солнечного ветра, при этом само наличие магнитной бури не является ключевым фактором для электронного отклика.
Рис. 1. Потоки электронов на спутнике GOES-13 (Е > 2 МэВ, 475 кэВ, 40 кэВ); ULF-, VLF-, SYM-H-, AE-индекс; скорость V и плотность N солнечного ветра по данным базы OMNI для сентября 2011 г.
На рис. 2. показаны вариации тех же параметров космической погоды, что и на рис. 1, но для серии магнитных бурь в июне 2012 г. В этот период произошло 2 магнитных бури: 12 июня (SYM-H = -70 нТл) и 16-20 июня (SYM-H = -70 нТл). Во время бури 16-20 июня поток МэВ электронов усилился и достиг значений ~ 7103 Кл/(см2 сср). После короткой бури 12 июня роста электронных потоков вообще не наблюдалось. Однако в период 4-9 июня, когда
магнитной бури вообще не было, скорость солнечного ветра возросла до 770 км/а Общий уровень суббуревой активности также был высоким — на уровне АЕ ~ 600-800 нТл. Высокая скорость солнечного ветра и наличие скачков плотности солнечного ветра привели к росту УНЧ-индекса. При этом
поток МэВ электронов достигал в несколько раз больших значений--1,4 102
Кл/(см2сср), чем при магнитной буре.
На данном примере снова прослеживается корреляция интенсивности потоков релятивистских электронов со скоростью солнечного ветра, ростом АЕ-и УНЧ индекса, но не с интенсивностью магнитной бури.
Рис. 2. Потоки электронов на спутнике GOES-13 (Е > 2 МэВ, 475 кэВ, 40 кэВ); ULF-, VLF-, SYM-H- и AE-индекс; скорость V и плотность N солнечного ветра по данным базы OMNI для июня 2012 г.
Наблюдения VLF-индекса (по данным станции Halley) показали, что не наблюдается заметного роста ОНЧ-излучений в период роста релятивистких электронов. Возможно, это связано с затуханием волн в ионосфере. Поэтому вопрос экспериментальной проверки механизма ускорения электронов за счет взаимодействия с ОНЧ-волнами требует дальнейшей проверки.
4. Обсуждение
Из приведенных примеров видно, что само наличие магнитной бури не является принципиальным фактором для усиления потоков «электронов-убийц» во внешнем радиационном поясе. Во время главной фазы бури скорее происходит частичное опустошение радиационного пояса. Возрастание же потоков электронов с энергией до нескольких МэВ на 1,5-2 порядка происходит на фоне высокой скорости солнечного ветра и длительной суббуревой активности. Эти условия способствуют значительному усилению мощности как УНЧ-волн, так и ОНЧ-излучений. Максимальной интенсивности электронные потоки достигают через 1-2 дня после появления высокоскоростных потоков солнечного ветра.
Энергичные электроны (50-100 кэВ), инжектируемые при суббурях, служат «затравочными» частицами для последующего ускорения группы электронов до релятивистских энергий. Инжекция энергичных электронов также способствует возбуждению ОНЧ-излучений. По-видимому, суббуревая активность является одним из необходимых условий появления релятивистских электронов в магнитосфере.
Повышение мощности УНЧ-колебаний и шумов, а также резкие скачки давления солнечного ветра стимулируют радиальную диффузию затравочных электронов с периферии магнитосферы на внутренние магнитные оболочки. В процессе такой диффузии в область более сильного магнитного поля происходит бетатронное ускорение электронов. Таким образом, волновая УНЧ-активность является «поставщиком» предварительно ускоренных энергичных электронов во внутренние области магнитосферы. Здесь электроны подвергаются локальному ускорению при взаимодействии с ОНЧ-излучениями (типа «хоры») [8]. Статистический многофакторный анализ показывает, что синергетическое влияние мощности УНЧ- и ОНЧ-излучений на потоки релятивистских электронов выше, чем сумма раздельных вкладов этих факторов [9].
5. Выводы
Приведенные наблюдения демонстрируют корреляцию между периодами с высокой скоростью солнечного ветра и ростом потоков релятивистских электронов с задержкой в 1-2 дня. Величина роста потоков МэВ электронов не зависит от интенсивности магнитной бури и даже может происходить без бури. Необходимым условием появления ускоренных до релятивистских энергий электронов является продолжительная суббуревая активность, сопровождающаяся инжекцией энергичных частиц и генерацией ОНЧ-излучений, и наличие высокоскоростных потоков солнечного ветра, способствующих возбуждению Рс5-волн, что приводит к резонансной диффузии электронов вглубь магнитосферы и их предварительному ускорению.
Благодарности. Работа поддержана грантом РФФИ р_восток_а № 15-4505108 (CC). УНЧ-индекс распространяется через сайт geomag.gcras.ru/rnf, данные спутников GOES — cdaweb.gsfc.nasa.gov, база данных OMNI — omniweb.gsfc.nasa.gov.
Литература
1. Statistical relationships between satellite anomalies at 3 geostationary orbit and high-energy particles / V. Pilipenko et al. // Adv. Space Res. 2006. 37. P. 1192— 1205.
2. Tverskaya L. V. Dynamics of energetic electrons in the radiation belts // Radiation Belts: Models and Standards: Geophysical Monograph 97. AGU. 1996. P. 183.
3. Acceleration and loss of relativistic electrons during geomagnetic storms / G. D. Reeves et al. // Geophys. Res. Lett. 2003. 30. Р. 1529.
4. Turner D. L., Angelopoulos V. Competing source and loss mechanisms due to wave particle interactions in Earth's outer radiation belt during 30 Sept. geomagnetic storm // J. Geophys. Res. 2014. 119. Р. 1960-1979.
5. The role of ULF waves in radiation belt dynamics / I. R. Mann et al. // Dynamics of the Earth's Radiation Belts and Inner Magnetosphere / ed. D. Summers et al. 2013.
6. Horne R. B., Thorne R.M. Potential waves for relativistic electron scattering and stochastic acceleration during magnetic storms // Geophys. Res. Lett. 1998. 25. Р.3011-3014.
7. ULF wave index and its possible applications in space physics, Bulg / N. Romanova et al. // J. Phys. 2007. 34. Р. 136-148.
8. Rapid local acceleration of relativistic radiation-belt electrons by magnetospheric chorus / R. M. Thorne et al. // Nature. 2013. 504. Р. 411.
9. Analysis of the effectiveness of ground-based VLF wave observations for predicting or nowcasting relativistic electron flux at geostationary orbit / L. E. Simms et al. // J. Geophys. Res. 2015. 120.
Сведения об авторах
Пилипенко Вячеслав Анатольевич
д. ф.-м. н., профессор, зав. лабораторией, Институт физики Земли РАН, Москва
E-mail: [email protected]
Белаховский Владимир Борисович
к. ф.-м. н., н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты
E-mail: [email protected]
Самсонов Сергей Николаевич
к. ф.-м. н., зав. лабораторией, Институт космофизических исследований и
аэрономии, Якутск
E-mail: [email protected]
