потоки энергичных частиц под радиационными поясами земли

На рис. .3 (из раздела 1.3) приведены карты распределения различных частиц в поясах на высоте около 500 км. Для электронов с Ее=0.3-0.6 МэВ выбрана минимальная интенсивность 10 частиц/см2сср. Хорошо видны области внутреннего пояса, внешнего пояса и область высыпания из внешнего пояса на северных и южных широтах вокруг всей Земли. Характерной особенностью распределения энергичных электронов на малых высотах является наличие долготной зависимости их интенсивности вдоль траектории дрейфа. При одних и тех же параметрах L и В интенсивность электронов на долготах к западу от аномалии больше, чем к востоку (Вернов и др., 1963).

На более низких широтах, чем область высыпания из внешнего пояса, также существуют потоки квазизахваченных частиц, генетически связанных с радиационными поясами. На рис.20 приведены данные пролета ИСЗ КОРОНАС-И с севера на юг на L<8. В северном полушарии видно два пика потоков электронов, соответствующие внешнему поясу (L~4-5) и внешней кромке внутреннего пояса (L~2.1-2.3). В южном полушарии наблюдаются дополнительные пики на L~1.3 и L~1.6. Также заметно некоторое возрастание потоков протонов на экваторе, на промежуточных L и вблизи внешней границы внешнего пояса. Анализ данных, полученных на других орбитах, показывает, что возрастания потоков протонов на экваторе и на L~3.5 и 4.5 повторяются.

На рис. 21 (Bashkirov et al., 1999) приведено географическое распределение потоков электронов. Все области квазизахваченных электронов хорошо разделяются. В северном полушарии в области долгот от -70° до +50° потоки электронов на L~2.1 и 1.6 практически отсутствуют. Это – область, сопряженная Бразильской аномалии.

Исходя из разницы магнитного поля в Бразильской аномалии и сопряженной точке на высоте полета спутника, можно определить, что рассеяние электронов на полукачке на L~2.1 и 1.6 меньше 4- 6°. Интересно, что если на L~2.1 и 1.3 пики электронов регистрируются в любое мировое время, то на L~1.6 они регистрируются только с 10 до 24 ч UT (см. рис. 22).

Иногда во внешнем поясе в районах северного полушария, сопряженных с Южно-Aтлантической аномалией, где зеркальные точки опускаются ниже 50 км или уходят под Землю, регистрируются заметные потоки энергичных электронов. Это, скорее всего, связано с рассеянием частиц за один качек при движении между точками отражения (Вернов и др., 1965).

На L<2 квазизахваченные электроны регистрировались в ряде экспериментов. На существование потоков электронов на L~1.6 было указано в работе (Nagata et al., 1988). В работах (Imhof et al., 1984, Imhof et al., 1995) исследовалось высыпание электронов, вызванное взаимодействием с излучением низкочастотных радиостанций.

Зарегистрированы случаи появления в районе экватора протонов с Ер~70 кэВ (Бутенко, 1975) и 1-4.5 МэВ (Bashkirov, 1999). Исследования этого эффекта проводились и ранее (Hovestadt et al., 1972; Гоцелюк и др., 1974; Greenspan et al, 1999; Grachev et al., 2002). В работе (Гоцелюк и др., 2005) более детально изучалось распределение протонов под поясами. На рис. 23 приведено распределение протонов вблизи экватора. Видно, что они регистрируются на L<1.1, то есть существуют менее одного периода дрейфа вокруг Земли. Их источником считаются протоны радиационного пояса на L~2.5–4. Эти протоны захватывают электроны экзосферы и уже не удерживаются магнитным полем. Часть их, достигая атмосферы Земли на высоте ~ 200 км в экваторе, обдираются и, если они имеют питч-угол ~ 90°, захватываются магнитным полем. В работе выделены еще две области регистрации квазизахваченных протонов. Это – 3<L<4 и L>4. Область квазизахваченных протонов на 3<L<4 существует из-за паразитного рассеяния протонов на циклотронном излучении электронов (Гоцелюк и др., 1985). Неясно, чем объяснить высыпание протонов на L>4.

Список литературы

Альвен Г., Фельтхаммер К., Космическая электродинамика, основные принципы, М.: Мир, 1967.

Андронов А.А., Трахтенгерц В.Ю., Кинетическая неустойчивость радиационных поясов Земли, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 4, с. 181-185, 1964.

Бахарева М.Ф., Нестационарное статистическое ускорение релятивистских частиц и его роль во время геомагнитных бурь, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 43, № 6, с. 737–744, 2003.

Безродных И.П., Бережко Е.Г., Морозова Е.И. и др., Всплески энергичных электронов на магнитопаузе и во внешнем радиационном поясе, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 24, с. 818- 830, 1984.

Бондарева Т.Б., Тверская Л.В., О дрейфе частиц радиационных поясов во время суббурь, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 13, № 4, с. 723-729, 1973.

Бутенко В.Д., Григорян О.Р., Малкиэль Г.С., Столповский В.Г., Потоки протонов с Ер>70 кэВ в приэкваториальной области на малых высотах, Космические исследования, Т. 13, № 4, с. 508- 512, 1975.

Вакулов П.В., Коврыгина Л.М., Минеев Ю.В., Тверская Л.В., Динамика внешнего пояса энергичных электронов во время умеренной магнитной бури, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 15, № 6, с.1028-1032, 1975.

Вандас М., Дворжакова М., Кузнецов С.Н., Фишер С., Регистрация энергичных ионов на высоте 500 км во внутреннем радиационном поясе Земли, Изв. АН СССР, сер. физ., Т. 52, № 12, с. 821- 823, 1988.

Вернов С.Н., Савенко И.А., Шаврин П.И., Тверская Л.В., О структуре радиационных поясов Земли на высоте 320 км. Cenl`cmerhgl и аэрономия, Т. 3, № 5, с. 812-815, 1963.

Вернов С.Н., Савенко И.А., Тверская Л.В., Тверской Б.А., Шаврин П.И., Об интенсивности электронов радиационных поясов на высотах 180-330 км в районах, сопряженных с отрицательными геомагнитными аномалиями, Космические исследования, Т. 3, вып. 1, с. 128-134, 1965.

Гинзбург Е.А., Малышев А.В., Пустоветов В.П., О новом радиационном поясе релятивистских электронов на L=1.9 по данным измерений на ИСЗ Метеор, Изв. РАН, сер. физ., Т. 57, с. 89-92, 1993.

Гоцелюк Ю.В., Кузнецов С.Н., Кузнецова В.А., Рассеяние протонов радиационного пояса на свистовой моде ОНЧ-излучения, Космические исследования, Т. 23, №5, c. 729-735, 1985.

Гоцелюк Ю.В., Логачев Ю.И., Столповский В.Г., Пространственное распределение и временные вариации протонов с энергией более 1 МэВ на ионосферных высотах, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 14, №6, с. 944- 954, 1974.

Захаров А.В., Кузнецов С.Н., Высыпание электронов и ОНЧ- излучение, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 18, №2, с. 352-353, 1978.

Иванова Т.А., Павлов Н.Н., Рейзман С.Я., Рубинштейн И.А., Сосновец Э.Н., Тверская Л.В., Динамика внешнего радиационного пояса релятивистских электронов в минимуме солнечной активностиб Геомагнетизм и аэрономия, Т. 40, № 1, с. 13-18, 2000.

Ильин В.Д., Кузнецов С.Н., Неадиабатические эффекты движения частиц в статическом дипольном поле и в переменных во времени полях, VII Ленинградский Международный семинар, Ленинград, с. 269-278, 1975.

Кузнецов С.Н., Суворова А.В., Дмитриев А.В., Форма и размеры магнитопаузы. Связь с параметрами межпланетной среды, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 68, № 6, с. 7-16, 1998.

Кузнецов С.Н., Юшков Б.Ю., О границе неадиабатического движения заряженных частиц в поле магнитного диполя, Физика плазмы, Т. 28, № 4, с. 375-383, 2002.

Кузнецов С.Н., Мягкова И.Н., Юшков Б.Ю., Муравьева Е.А., Кудела К., Динамика внешнего радиационного пояса во время сильных магнитных бурь по данным КОРОНАС-Ф, Доклад на Международной конференции «КОРОНАС-Ф: «Три года наблюдений активности Солнца», 2001-2004 гг.» 31 января – 5 февраля 2005 г. Астрономический Вестник, 2006 (в печати).

Лайонс Л., Вильямс Д., Физика магнитосферы. Количественный подход, М.: Мир, 1987.

Павлов Н.Н, Тверская Л.В., Тверской Б.А., Чучков Е.А., Вариации энергичных частиц радиационных поясов во время сильной магнитной бури 24-26 марта 1991 года, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 33, № 6, с. 41-45, 1993.

Панасюк М.И., Экспериментальная проверка механизмов переноса ионов в радиационных поясах Земли под действием нестационарных электрических полей, Космические исследования, T. 22, вып. 4, с. 572-587, 1984.

Тверская Л.В., О границе инжекции электронов в магнитосферу Земли, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 26, с.864-869, 1986.

Тверская Л.В., Диагностика магнитосферных процессов по данным о релятивистских электронах радиационных поясов, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 38, № 5 с. 22-32, 1998.

Тверской Б.А., Захват быстрых частиц из межпланетного пространства, Изв. АН СССР, сер. физ., Т. 28, с. 2099-2103, 1964а.

Тверской Б.А., Динамика радиационных поясов Земли. II, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 4, с.436-448, 1964б.

Тверской Б.А., Перенос и ускорение заряженных частиц в l`cmhrnqtepe Земли. Геомагнетизм и аэрономия, T. 5, c. 793- 809, 1965.

Тверской Б.А., Устойчивость радиационных поясов Земли, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 7, № 2, с. 226-242, 1967.

Тверской Б.А., Динамика радиационных поясов Земли, М.: Наука,1968, 224 с.

Тверской Б.А., О продольных токах в магнитосфере, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 22, № 6, с. 991-995, 1982.

Тверской Б.А., Механизм формирования структуры кольцевого тока магнитных бурь, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 37, № 5, с. 29- 34, 1967.

Тверской Б.А., Основы теоретической космофизики, М.: Едиториал УРСС, 2004, 376 с

Baker D.N., Li X., Turner N. et. al., Recurrent geomagnetic storms and relativistic electron enhancement in the outer magnetosphere: ISTP coordinated measurements, J.Geophys. Res., V. 102, p. 14141-14148, 1997.

Baker D.N., Kanekal S.G, Pulkkinen N.I., and Blake J.B., Equinoctial and solstitial averages of magnetospheric relativistic electrons: A strong semiannual modulation, Geophys. Res. Lett., V. 26, pp. 3193-3196, 1999.

Bashkirov V.F., Denisov Yu.I., Gotselyk Yu.V., Kuznetsov S.N., Myagkova I.N., Sinyakov A.V., Trapped and quasitrapped radiation observed by CORONAS-I satellite, Radiation Measurements so (1999), p. 537-548.

Blake J.B., Gussenhoven M.S, Mullen E.G., Fillius R.W. Identification of an unexpected space radiation hazard, IEEE Trans. Nucl. Sci., V. 39, p. 1761-1765, 1992.

Chen A.J., Penetration of low-energy protons deep into the magnetosphere, J. Geophys. Res., V. 75, p. 2458-2467, 1970.

Cladis J.B., Acceleration of geomagnetically trapped electrons by variation of ionospheric currents, J. Geophys. Res., V. 71, p.5019-5025, 1966.

Dessler A.I., and Karplus R., Some effects of diamagnetic ring currents in Van Allen radiation belts, J. Geophys. Res., V. 66, p. 2289-2297, 1961.

Falthammar С.G., On the transport of trapped particles in the outer magnetosphere, J. Geophys. Res., V. 70, p. 2503-2512, 1965.

Frank L.A., Inward radial diffusion of electrons of greater than 1.6.Million electron volts in the outer radiation zone, J. Geophys. Res., V.70, p. 3533-3540, 1965.

Friedel R.H.W., Reeves G.D., Obara T., Relativistic electron dynamics in the inner magnetosphere. A review, Solar- Terrestrial Phys., V. 64, p. 265-282, 2002.

Fritz T.A., and Spjeldvik W.N., Steady-state observation of geomagnetically trapped energetic heavy ions and their implications for theory, Planet. Space Sci., V. 29, No 11, p. 1169-1193, 1981.

Grachev E., Grigorian O., Juchniewicz J., Klimov S., Kudela K., Petrov A., Stetiarova J., Low energy protons on L 1.15 in 500- 1500 km range, Adv. Space Res., V. 30, No 7, p. 1841-1845, 2002

Greenspan M. E., Mason G.M., Mazur J.E., Low-altitude equatorial ions: A new look with SAMPEX, J. Geophys. Res., V. 104, No A9, p. 19,911 -19,922, 1999.

Grigorov N.L., Kondrat’eva M.I., Panasyuk M.I., Tretyakova Ch.A., Adams J., Blake J.B., Schulz M., Mewaldt R.A., Tylka A., An evidence for anomalous cosmiс ray oxygen ions in the inner magnetosphere, Geophys. Res. Lett., V. 18, p. 1959- 1962, 1991.

Hovestadt D., Hausler B., Sholer M., Observation of energetic particles at very low altitudes near the geomagnetic equator, Phys. Rev. Lett., V. 28, p. 1340-1343, 1972.

Huang C.-S., Reeves G.D., Bordovsky J.E., Skoug R.M., Pu Z.Y., Le G., Periodic magnetospheric substorms, and their relationship with solar wind variations, J. Geophys. Res., V. 108, No A6, p. 1255-1266, doi 10.1029/2002/JA009704, 2003.

Imhof W.L., Gaines E.E., Reagan J.B. High resolution spectral features observed in the inner belt electrons. J. Geophys Res., V. 90, No A9, p. 8333-8342, 1995.

Imhof, W. L.; Reagan, J. B.; Gaines, E. E.; Datlowe, D. W., The L shell region of importance for waves emitted at ground level as a loss mechanism for trapped electrons with energies greater than 68 keV, J. Geophys. Res., (ISSN 0148-0227), V. 89, p. 10827-10835, 1984.

Ingraham J.C., Cayton T.E., Belian R.D., Christensen R.A., Guyker F., Meier M.M., Reeves G.D., Brautigam D.H., Gussenhoven M.S., Robinson R.M., Multisatellite characterization of the large energetic electron fluxes increase at L=4-7, in the five-day period following the March 24, 1991 solar energetic particle event, Workshop on the Earth’s Trapped Particle Environment, ed. by G. D. Reeves, AIP Conf. Proc. 383, p. 103-108, 1996.

Ivanova T.A., Pavlov N.N., Sosnovets E.N., Tverskaya L.V., Dynamics of outer belt relativistic electrons in a solar activity minimum. In “Space Radiation Belt Modelling: New Phenomena and Approaches, Schedule. Programme and abstracts”. p. 140, 1997.

Kennel, C. F.; Petscheck, H. E., Limit on stably trapped particle fluxes, J. Geophys. Res., V. 71, p. 1-28, 1966.

Klecker B., Energetic particles environment in near Earth’s orbit, Adv. Space Res., V. 17, No 2, p. 37-45, 1996.

Kuznetsov S.N., Myagkova I.N., Yushkov B.Yu., Relationship of Energetic Particle Fluxes at Geostationary Orbit with Solar Wind Parameters and Cosmic Ray Fluxes, Proceedings of Space Radiation Environment Workshop, Farnborough, UK, 1999. Eds. D.Rodgers, S.Clucas, K.Hunter and C.Dyer. British National Space Centre, No 12, p.1-4, 2002.

Leske et al., Long-Term Temporal Behavior of Interplanetary and Trapped Anomalous Cosmic Rays, Proceedings of the 26th ICRC. August 17-25, 1999. Salt Lake City, Utah, USA. V. 7, Edited by D. Kieda, M. Salamon, and B. Dingus, p. 516-519.

Li X., Roth I., Temerin I.M., Wygant J.R, Hudson M.K., Blake J.B., Simulation of the prompt energization and transport of radiation belt particles during the March 24, 1991 SSC, Geophys. Res. Lett., V. 20, p. 2423-2426, 1993.

Li X., Hudson M.K., Blake J.B., Roth I., Temerin I.M., Wygant J.R, Observation and simulation of the rapid formation of a new electron radiation belt during March 24, 1991 SSC. Workshop on the Earth’s Trapped Particle Environment, ed. by G. D. Reeves, AIP Conf. Proc. 383, p. 109-118, 1996.

Li X., Baker D.N., Temerin M., Reeves G.D., Belian R.D., Simulation of dispersionless injections and drift echoes of energetic electrons associated with substorms. Geophys. Res. Lett., V. 25, p. 3759-3762, 1998.

Li X., Baker D.N., Temerin M. et al., Rapid Enhancements of Relativistic Electrons Deep in the Magnetosphere during the May 15, 1997 Magnetic Storm, J. Geophys. Res., V. 104, No A3, p. 4467-4476, 1999.

Mazur I. et al., Low energy anomalous cosmic rays trapped in the Earth's magnetosphere: 6 years of SAMPEX observations, Proceedings of the 26th ICRC, August 17-25, 1999. Salt Lake City, Utah, USA. V. 7. Edited by D. Kieda, M. Salamon, and B. Dingus, p. 527-530.

McDonald W.H., Walt M., Distribution function of magnetically confined electrons in a scattering atmosphere, Ann. Phys., V. 15, p. 44-48, 1961.

McIlwain C.E., Redistribution of trapped protons during a magnetic storm, Space Res., V. 5, p. 374-391, 1965.

McIlwain C.E., Ring current effects on trapped particles, J. Geophys. Res., V. 71, p. 3623-3634, 1966.

McIlwain C.E., Processes Acting Upon Outer Zone Electrons, Radiation Belts: Model and Standard Geophysical Monograph, p. 15-26, 1996.

Nagata K., Kohno T., Murakami H., Nakamoto A., Hasebe,N., Electron (0.19-3.2 MeV) and proton (0.58-35 MeV) precipitations observed by OHZORA satellite at low latitude zones L=1.6-1.8, Planet. Space Sci. (ISSN 0032-0633), V. 36, p. 591-606, 1988.

Nakada N.P., and Mead G.D., Diffusion of protons in the outer radiation belt, J. Geophys. Res., V. 70, p. 3529-3536, 1965.

O’Brien T.P., McPherron R.L., Sornette D., Reeves G.D., Friedel R., Singer H.J., Which magnetic storms produce relativistic electrons at geosynchronous orbit? J. Geophys. Res., V. 106, No A8, p.15533-15544, 2001.

Panasyuk M.I., The Ion Radiation Belts: Experiments and Models, in: Effect of Space Weather on Technology Infrastructure, ed. by I.A. Daglis, Kluwer Academic Publishers. p. 65-90, 2004.

Parker E.N., Geomagnetic fluctuations and the form of the outer zone of the Van Allen radiation belt, J. Geophys. Res., V. 65, p. 3117-3126, 1960.

Paulikas J.B., and Blake D.N., Effects of the solar wind on magnetospheric dynamics: energetic electrons at the synchronous orbit, In: Olson, W. (Ed.), Quantitative Modelling of the Magnetospheric Processes, V. 21 of Geophys. Monogr. Ser. AGU, Washington D.C., p. 180-202, 1979.

Reeves, G. D., Relativistic electrons and magnetic storms: 1992- 1999, Geophys. Res. Lett., V. 25, p. 1817-1820, 1998.

Russel C.T., and McPherron R.L., Semiannual variations of geomagnetic activity, V. 78, p. 92-100, 1973.

Singer S.F., Trapped albedo neutron theory of the radiation belt, Phys. Rev. Lett., V. 1, р.181-183, 1958.

Soraas F., and Davis L.R., Temporal variations of the 100 keV to 1700 keV trapped protons observed on satellite Explorer-26 during the first half of 1965, GSFC Rept. X-612-68-328. 1968.

Spjeldvik W.N., and Fritz T.A., Energetic heavy ions with nuclear charge Z4 in the equatorial radiation belts of the Earth: magnetic storms , J. Geophys. Res., V. 86, p. 2349- 2360, 1981.

Summers D., and Ma С., A model for generating relativistic electrons in the Earth’s inner magnetosphere based on gyroresonant wave-particle interactions, J. Geophys. Res., V. 105. No A2. p. 2625-2639, 2000.

Thorne R.M. and Kennel C.F., Relativistic electron precipitation during magnetic storm main phase, J. Geophys. Res., V. 76, p. 4456-4468, 1971.

Tverskaya L.V., Dynamics of energetic electrons in the radiation belts. Radiation belts: Model and Standards, Geophysical Monograph 97, AGU, p. 183-187, 1996.

Tverskaya L.V., The long period DP-1 and DP-2 variation effects in radiation belts, Proc. of XXIV Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”, Apatity, p. 55-58, 2001.

Tverskaya L.V., Krasotkin S.A., Global long-period oscillations of the magnetosphere and the related phenomena in the radiation belts, Proc. “SOLSPA:The Solar Cycle and Space Weather Euroconference”, Vico Equence, Italy, 24-29 September 2001 (ESA SP-477, February 2002), 2002.

Tverskaya L.V., Pavlov N.N., Ivanova T.A., Some features of injection of relativistic electrons into the inner magnetosphere during a magnetic storm, Proc. of XXV Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”, Apatity, p. 59-62, 2002.

Tverskaya L.V., Ivanova T.A., Pavlov N.N., Reizman S.Ya., Sosnovets E.N., Vlasova N.A., Long-term variations of the outer-belt relativistic electron fluxes. Programme and Abstract Book of Workshop “Effects of Space Weather on Technology Infrastructure”, Rhodes, Greece, 25-29 March 2003. Ed. by F.-A. Metallinou, p. 55, 2003a.

Tverskaya L.V., Ginzburg E.A., Pavlov N.N., Svidsky P.M., Injection of relativistic electrons during the giant SSC and greatest magnetic storm of the space era, Adv. Space Res., V. 31, No 4, p. 1033-1038, 2003b.

Tverskaya L.V., Ivanova T.A, Pavlov N.N., Reizman S.Ya., Rubinstein I.A., Sosnovets E.N., Veden’kin N.N., Storm-time formation of a relativistic electron belt and some relevant phenomena in other magnetosphere plasma domains, Adv. Space Res., V. 36, No 12, p. 2392-2400, 2005.

Tverskoy B.A., The Earth’s radiation belt theory, Proc. of 9th ICRC, London, V. 1, p. 546-547, 1965.

Tverskoy B.A., Main mechanisms in the formation of the Earth’s radiation belts. Rev. Geophys., V. 7, No 1-2, p. 219-221, 1969.

Tverskoy B.A., Electric fields in the magnetosphere and the origin of trapped radiation, In: Solar Terr. Phys/ 1970, ed. by Dyer, R.Publ.Co., p. 297-317, 1972.

Van Allen J.A., and Randall D.A., Evidence for direct durable capture of 1-8MeV solar alfa-particles into geomagnetically trapped orbits, J. Geophys. Res., V. 76, p.1830-1841, 1971.

Vernov S.N., Gorchakov E.V., Kuznetsov S.N., Logachev Yu.I., Sonsovets E.N., Stolpovsky V.G., Particle fluxes in the outer geomagnetic field. Rev. of Geophys., V. 7, No 1,2, p. 257-280, 1969.

Walt M., Source and Loss processes for Radiation Belt Particles, Model and Standards, Geophysical Monograph 97, AGU, pp.1-13, 1996.

West H.I., Buck R.M., Davidson G.T., The dynamics of energetic electrons in the Earth’s outer radiation belt during 1968 as observed by the Lavrence National Laboratory’s spectrometer on OGO-5, J. Geophys. Res., V. 86, p. 2111-2122, 1981.

Williams D.J., 27-day periodicity in outer zone trapped electron intensities, J. Geophys. Res., V. 71, p. 1815-1821, 1966.

Williams D.J., Arens I.F., and Lanzerotti L.T., Observations of trapped electrons at low and high altitudes, J. Geophys. Res., V. 73, p. 5673-5684, 1968.