Быстрые вариации потоков высокоэнергичных заряженных частиц в окрестности Земли солнечной и геофизической природы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, следующие:

1. восстановлен энергетический спектр протонов от солнечной вспышки 30.10.91;

2. показано, что энергетический спектр протонов от солнечной вспышки 30.10.91, измеренный телескопом-спектрометром МАРИЯ-2 на борту орбитальной станции МИР внутри магнитосферы Земли, совпадает со спектрами протонов вне магнитосферы, зарегистрированных на КА (ООЕБ-7, МЕТЕОР-3), что указывает на возможность прямого проникновения протонов от солнечной вспышки в магнитосферу Земли (кинетическая энергия протонов существенно меньше пороговой кинетической энергии в стационарном случае);

3. проведен анализ результатов экспериментальных измерений пульсаций высокоэнергичных заряженных частиц (эксперимент МАРИЯ-2), три из которых (10.11.91, 31.03.94 и 16.06.96) представляют квазипериодические пульсации потоков электронов, с характерным периодом порядка периода дрейфа высокоэнергичных частиц вокруг Земли;

4. проанализированы возможные солнечные и геофизические источники данных возмущений: пульсации частиц 10.11.91 - высыпание из нестационарного пояса электронов, пульсации частиц 31.03.91 и 16.06.96 могут иметь сейсмическую природу;

5. разработана численная модель процессов распространения высокоэнергичных заряженных частиц (1-1000 МэВ) на атмосферной границе РП Земли, учитывающая реальную конфигурацию геомагнитного поля, представленную рядом сферических функций, и взаимодействие частиц с остаточной атмосферой Земли (динамические модели атмосферы Земли, ионизационные и тормозные потери энергии частиц, кулоновское рассеяние);

6. проведено моделирование движения высокоэнергичных протонов и электронов на атмосферной границе РП Земли с использованием модели, учитывающей реальную конфигурацию ГМП, динамическую модель

ЗАКЛЮЧЕНИЕ114 плотности атмосферы и процессы взаимодействия частиц с остаточной атмосферой Земли. Показано, что:

6.1 при распространении заряженных частиц на атмосферной границе РП Земли существуют эффективные энергетические диапазоны энергий, где частица имеет -100 % вероятность долготного распространения (от нескольких МэВ до нескольких сот МэВ), причем ширина плато для протонов значительно меньше энергетического диапазона электронов;

6.2 на атмосферной границе РП Земли могут существовать квазипериодические вариации потоков частиц (период ~ 1-3 мин.), связанные с многократным прохождением частиц через область наблюдения в указанном выше энергетическом диапазоне, причем время существования вариаций может достигать десятков минут;

6.3 при проведении точных расчетов движения частиц на атмосферной границе РП Земли необходимо учитывать как геомагнитную эпоху, так и вариации плотности атмосферы, связанные с солнечной и магнитосферной активностями;

7. на основе расчетов, выполненных в рамках этой модели разработана методика расчета временных профилей пульсаций высокоэнергичных заряженных частиц, формируемых при локальных возмущениях РП Земли;

8. выполнено моделирование пульсаций потоков электронов, зарегистрированных прибором МАРИЯ-2 на борту ОК МИР 10.11.91, 31.03.94 и 16.06.96 на атмосферной границе РП Земли; для этих событий определены географические долготы областей высыпания (инжекции) электронов и их энергетические спектры;

9. показано, что источником возмущений в потоках высокоэнергичных электронов зарегистрированных прибором МАРИЯ-2 на борту ОК МИР 31.03.94 г. и 16.06.96 г. могли быть сильные землетрясения, произошедшие через ~ 4 часа после регистрации пульсаций частиц;

10. выполнено моделирование пульсаций потоков протонов и электронов, зарегистрированных на борту ИСЗ СККЕБ 24.03.91 в зазоре между внешним и внутренним РП Земли; для данного события определены географические долготы места инжекции электронов и протонов, энергетические спектры протонов и электронов, время инжекции частиц и длительность инжекции частиц;

11. проведено сравнение восстановленных пространственных характеристик с результатами, представленными в работе [40]. Показано, что при условии одновременной инжекции протонов и электронов в одну и ту же область околоземного пространства, значение географической долготы, полученное в данной работе, совпадает со значением долготы, приведенное в работе [40];

12. показано совпадение времени инжекции электронов и внезапного начала магнитосферной бури для события 24.03.91 г.;

13. проведено сравнение восстановленных энергетических спектров протонов и электронов с данными, приведенными в работах [40] и [18]; показано, что энергетический спектр электронов (24.03.91 г.), полученный в данной работе (у—12) совпадает с результатами прямых измерений энергетического спектра электронов нестационарного радиационного пояса Земли, выполненных прибором МАРИЯ-2 на борту ОК МИР (у=-13±5) [18] и существенно отличается от спектра, полученного в работе [40] (у—6).

В заключение считаю своим долгом выразить искреннюю признательность проф., д.ф.-м.н. Гальперу А.М. за руководство и помощь в работе, сотрудникам Института Космофизики МИФИ Воронову С.А., Колдашову C.B., Короткову М.Г, Михайлову В.В. за помощь, постоянное внимание и интерес к работе.

1. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

2. С. А. Воронов, А.М. Гальпер, С.В. Колдашов, В А. Кукушкин, JIB. Масленников, А.М. Мурашов, Н.И. Швец. Регистрация солнечных частиц 31 октября 1991 г. в окрестности Земли. Космические исследования, V33, N6, 1995 г.;

3. Lanzerotti L.J. et al. Temporal Variation in the electron flux at synchronous altitude. Journal of Geophysical Research, Vol.72, p.5893-5902, 1967;

4. Pfitzer K.A. and J.R. Winckler. Intensity Correlation and Substorm Electron Drift Effects in the Outer Radiation Belt measured with OGO 3 and ATS 1 Satellites. Journal of Geophysical Research, Vol.74, p.5005-5018, 1969;

5. Воронов C.A., Гальпер A.M., Колдашов С.В. и др. Возрастание потоков заряженных частиц в области Бразильской магнитной аномалии и сейсмичность Земли. Космические исследования, 1990, т.28, в.5, стр.789.

6. John В. Blake. CRRES Records Creation of New Radiation Belt. STEP International, 1992, V.2, N.8, p. 1-5.

7. R.D. Belian et al. High-Resolution Energetic Particle Measurements at 6.6 RB. 2. High-Energy Proton Drift Echoes. Journal of Geophysical Research, Vol.83, N A10, p.4857-4863, 1978;

8. R.D. Belian et al. High-Energy Proton Drift Echoes: Multiple Peak Structure, Journal of Geophysical Research, Vol.89, N A10, p.9101-9106, 1984;

9. M.E. Aleshina, S.A. Voronov, A.M. Galper et al. Fluctuations of Charged Particles Fluxes in Van Allen Belt and their Interrelation with Seismicity. Proc. 22nd ICRC., Vol.3, p.644,1991;

10. Aleshina M.E., Galper A.M., Koldashov S.V. et al. The nature of high energy charged particle intensity bursts in the Earth's magnetosphere. Proc. 23rd International Cosmic Ray Conference, V.3, p.821, 1993;

11. M.E. Aleshina, S.A. Voronov, A.M. Galper et al. Interrelation between locations of charged particle precipitation regions and earthquake epicenters. Cosmic Research, V.30, n.l, p.79, 1992.

12. A.M. Galper, S.V. Koldashov, S.A. Voronov. High-energy particle flux variation as earthquake predictors. Adv. Space Res., Vol. 15, No. 11, p. 131, 1995

13. А.М. Galper, S.V. Koldashov, S.A. Voronov et. al. Seismic magnetosphere phenomena and earthquake forecasting. Conversion of Education Science: Ecological, Technology and Equipment, 1996, n.6, p.39

14. Гальпер A.M., Дмитренко В.В. и др. Взаимосвязь потоков высокоэнергичных заряженных частиц в радиационном поясе с сейсмичностью Земли. Космические исследования, Т.27, N.5, р.789, 1989;

15. Гальпер A.M., Дмитренко В.В. и др. О возможности предсказания землетрясений по изменению потоков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве. Препринт МИФИ, N 069-88, 1988;

16. В.П. Пустоветов, А.Б. Малышев. Пространственно-временная корреляция землетрясений и вариаций потока высокоэнергичных частиц во внутреннем радиационном поясе Земли. Космические исследования, Т.31, в. 5, 1993;

17. В.П. Пустоветов, Е.А. Гинсбург и др. О вариациях потока высокоэнергичных частиц во внутреннем радиационном поясе. Космические исследования, Т.31, в. 3, 1993;

18. Ю.И. Гальперин, В.А. Гладышев и др. Высыпание энергичных заряженных частиц в магнитосфере над эпицентром готовящегося землетрясения. Космические исследования, Т.30, в. 1, 1992;

19. Galper A.M., Koldashov S.V., Maslennikov L.V., Mikhailov V.V., Shvets N.I., Voronov S.A. Energy spectra of stationary and unstable electron radiation belts. Proc. 25th International Cosmic Ray Conference, Y.3, p.333,1997;

20. M.D. Looper et al. Observations of the remnants of the ultrarelativistic electrons injected by the strong SSC of 24 March 1991. Geophysical Research Letters, V.21, N.19, p.2079-2082, 1994;

21. Ginzburg E.V., A.V. Maliyshev, and V.P. Pustovetov, New belt of relativistic electrons at L=l,9 observed by Meteor satellite, Izvestia Akademia Nauk, seria Physical (in Russian), n.7, p.57-61, 1993;

22. Shurshakov У.А., V.M. Petrov, V.S. Makhmutov, and Ts. P. Dachev, New radiation belt dynamics according to measurements made by the Lyulin dosimeter on board the MER space station in 1991, Radiation Measurements, v.26, n.3, p.379-384, 1996.

23. Brewer H. M. et al. Origin of drift-periodic echoes in outer zone electron flux. Journal of Geophysical Research, Vol. 74, p. 159-167, 1969;

24. Xinlin Li et al. Simulation of the prompt energization and transport of radiation belt particles during the March 24, 1991 SSC. Geophysical Research Letters, V.20, N.22, p.2423-2426, 1993;

25. M.K. Hudson et al. Simulation of proton radiation belt formation during the March 24, 1991 SSC. Geophysical Research Letters, Y.22, N.3, p.291-294, 1995;

26. S.A. Voronov, A.M. Galper, V.G. Kirillov-Ugriymov et al. Registration of Sporadic Increase of High Energy Particle Flux near Brazilian Anomaly Region. Proc. 20-th Int. Cos. Ray Conf., 1987, V.4, p.451;

27. O.A. Molchanov. Penetration of electromagnetic fields of seismic nature in upper ionosphere of the Earth. Geomagnetism and Aeronomy, V.31, p. 111, 1991;

28. В. Xecc. Радиационный пояс и магнитосфера. Москва, Атомиздат, 1972 г.;

29. Е.С. Ray. On the Motion of the Charged Particles in the Geomagnetic Field. Ann. Phys. 24, 1, 1963;

30. D. Stern. Stomer Theory and Euler Potential. Plan. Space Sci., 15, N10, 1525, 1967;

31. X. Альвен. Космическая электродинамика, ИЛ, 1952;

32. Л.И. Дорман, В.С.Смирнов, М.И. Тясто. Космические лучи в магнитном поле Земли. Наука, Москва, 1971;

33. F.S. Jori. Selected cosmic-ray orbits in the Earth magnetic field, Phys. Rev. 103, N4, 1068, 1956;

34. Zwickl R. and H. Sauer. Observation of solar energetic particles and the geomagnetic field at geostationary orbit: 23-24 March 1991. EOS 72, N.44, Supplement, 377, 1991;

35. Александров А.П., Воронов С. А., Гальпер A.M. и др. Исследование потоков заряженных частиц в диапазоне импульсов 20-200 МэВ/с на орбитальной научной станции "Мир". Известия АН СССР сер. физ., 1988, т.52, с.2429.3 5. Solar Geophysical Data. 1991;

36. V.A. Shurshakov et al. Observations of Energetic Particles aboard MIR Space Station and in the Stratosphere during Solar Proton Events.//The 23-rd Cosmic Ray Conference papers, V3, SH sessions, 19-30 July, 1993, Calgary, p.440-443.

37. Herbert H. Sauer. GOES Observations of Energetic Protons E>685 MeV: Ground-Level Events from October 1983 to July 1992.//The 23-rd Cosmic Ray Conference papers, V3, SH sessions, 19-30 July, 1993, Calgary, p.254-257.

38. World Data Center B, Solar Terrestrial Physics. Http.//www.ngdc.noaa.gov;

39. Council of National Seismic System Earthquake Catalog. Http ://www. seismo.berkeley. edu;

40. J.B. Blake et al. Injection of electrons and protons with energies of tens of MeV into L<3 on 24 March 1991. Geophysical Research Letters, V. 19, N.8, p.821-824, 1992;

41. И.С. Березин, И.П. Жидков. Методы вычислений. Физматгиз, 1959;

42. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Наука, 1984 г.;

43. Peddie, N. W., International Geomagnetic Reference Field: the third generation, J. Geomagn. Geoelectr. 34, 309-326, 1982.

44. Kluge, G., Direct computation of the magnetic shell parameter, Computer Phys. Communications 3,31-35,1972.

45. International Geomagnetic Reference Field Revision 1987, J. Geomag. Geoelectr. 39, 773-779, 1987 and EOS Trans. 69, 559, 1988

46. Langel, R. A., D. R. Barraclough, D. J. Kerridge, V. P. Golovkov, T. J. Sabaka, and R. H. Estes, Definitive IGRF models for 1945, 1950, 1955, and 1960, J. Geomag. Geoelectr. 40, 645-702, 1988

47. Langel, R. A., International Geomagnetic Reference Field, 1991 Revision, J. Geomag. Geoelectr. 43, 1007-1012, 1991

48. Атмосфера Земли верхняя. Модель плотности для обеспечения полетов искусственных спутников Земли. ГОСТ 25645.115-84, Государственный комитет СССР по стандартам

49. А. Е. Hedin et al., J. Geophys. Res. 82, 2139-2156, 1977;

50. A. E. Hedin, J. Geophys. Res. 88, 10170-10188, 1983;

51. A. E. Hedin, J. Geophys. Res. 92, 4649, 1987

52. Sternheimer R.M. Phys. Rev. 124, 2051, 1961;

53. Экспериментальная ядерная физика. Под ред. Э. Сегре. Изд-во Иностр. Лит., 1955;

54. M. Martin, A. A. Gusev, Pugacheva G.I, A. Turtelli Jr. About the Origin of High Energy Electrons in the Inner Radiation Belt. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys, 57.2,201204, 1995;

55. BlackettP.M.S., Wilson J.G. Proc. Roy. Soc., A160, 304, 1937;

56. Moliere G. Z. Naturforsch, ЗА 78, 1948;

57. William T. Scott. The Theory of Small-Angle Multiple Scattering of Fast Charged Particles. Rev. Mod. Phys, V.35, N.2, p. 231-312, 1963;

58. W.R. Leo. Techniques for nuclear and particle physics experiments. Springer Verlag, 1987;

59. Калиновский A.H, Мохов B.H, Никитин В.П. Прохождение частиц высокой энергии через вещество. Москва, 1985;

60. Numerical Recipes in Fortran. Cambridge University Press, ISBN 0 521 43064-X, 1997;

61. Соболь И.М. численные методы Монте-Карло. М, Наука, 1973;

62. Худсон. Статистика для физиков. М., Наука, 1988;

63. X. Редерер. Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем Земли, М. МИР, 1972;

64. John S. Lew. Drift Rate in a Dipole Field. Journal of Geophysical Research, V.66, N.9, 1961;

65. Violet, M.D. et al. Proton Telescope (Protel on the CRRES spacecraft), IEEE Trans. Nuc. Sci, 40, 242, 1993;

66. A. Korth and A.L. Vampola. Cross-L motion of a relativistic electron belt formed in the slot region. Journal of Geophysical Research, VOL. 99, N). A7, p. 13,52913,535, 1994;