Динамические особенности вариации потоков заряженных частиц в авроральной области магнитосферы: эксперимент и численное моделирование тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Московски!» срдена Ленин.., ордена ОктябрьсхоЛ ревотоции I; ордена Трудового Крае.югс с-ыам'гни Государственны:! укиверситет имэкг' Н. В. Ломоносова

ШЧНЭ--1!ССШСРЛТ£ЛЬСКШ ЖСТ/ГГЛ' ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

Ка правах рукописи УДК «81.521

шожоз вадим гь\с;юзич

; ДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЛР'1/ЦИЛ ПОТОКОЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЛВРСРЛДЬНСЛ ОБЛАСТИ КАГКИТОСФЕРЫ: ЭКСПЕРИМЕНТ И Ч/'ПЛЕННОЕ МОДЕШЮЗАИКЕ

С 01.04.08-(£изиха ■/ пншя плагшьО

Автореферат диссертации иа соискание» ученоЛ сг.'отил кандидата ф'.з;п;о-математлчеек.;х наук

! иоск1'з-1991

Района выполнена в Научно-мпследоьатэяьсхом институте ядерной физики Ш'У.

Научный руководитель: доктор фиаико-катенэ.тических наук Ы. И. Пакасш Офлциалыме огшочеаты: доктор £иоико-матоматических наук

паоодан.:;; жциализировашюго совета • К-053, СП. Е4 в Московском государствен;; ом университете кмежи М. В. Лококоосиа.

■ А л рее 112895, -Москва, ГСП, Лсш1.-:с.\ие горы, НИИЯ5 МГУ, 19 корпус, ауц. 2-15.

С днсс;зртацигй монно ознакомиться е г5*:бл:юто:се КИ;да МГУ.

Ю. И. Гальперин . кандидат физихо-матеиатических паук Е. Е. Аптоьова

'Ведущая организация: Си-ЯШР АМСОСР

Защита состоится

■чаз. ка

специализированного со доктор фигико-матемптиче

Учений, секретарь

Ю. /.

- з -

ОЕЩА.Ч ХАРАКТЕРИСТИКА PAEOTbi

Актуальность работа. Данная работа поевядена изучению процессов ускорения и переноса частей в ЗЕроралъисЛ области магнитосферы, иыевцих кллчсвоч сначешю для физической-интерпретации различит явлений, • наблвдаешх во внутр-энчеа нагнитос^ярв Земли. Под гвроральной областьи, в дальнейшее будет подразумеваться область магнатосфгры Зоили. занимаемая силоыши лини л на, простирающимися на область полярных сияний. Теоретачезхая часть задача решалась на основа синтеза уже иыеюзихсл различных теоретических лсдходоз и разработка новых моделей перевоза частиц. На основе полученных результатов строилась тасленнял модель, результант которой сопоставлялись с экспериментальные данными о зараацкях потоков частиц и ыггкитиого поля. При :»том испильзовалксь, как эхеперииентгльнь'о данные нривэдэа'ше в литературе, тгк к результаты, обработанные автором.

В настоящее время достаточно хорошо из/ченьг среднестатистические поток;! захваченных ча.тгнц в радиациоинцх поясах 'Земли в магнитносяоко.Чноо время. D то ire вреыя изв'естно. что дикакика потоков частиц во время суббурь носит очен:> спэшшЛ характер, определяешь целым рядом факторов: уровнен геомагнитной л:<т:!ЕНогл1, наличием ¡^скольких источников частиц, локализацией точки наблпдения а т. п. Исследование вариаций готокза частиц во врс-ия гоокапттнш:' возмущения тюог суиеотвчннэв и кате кии щк создания целостной картин« явленна гдгкитссфеонэ-ионосфернего взаниодзЬстлкя.

Раскрытие физической природы набладаемьи в эксперименте явлений по данным спутниковых измерений in si'.и как нравкло гатрудьено в связи с локальность« эхин измерений, незеумолюотье определения полных функций распределения, недостаточным гремелныл разрешением и отсутствием длительных периодов мониторинга.

- А -

По-видимому, дальнейшее увеличение числа спутников /. улучшение их мониторинговых г>оя мощностей, к ¿к например в проекта;* "Ргоп^ьн" и АМРТЕ вряд пл сисхет помо-сь в окончательном решении проблемы определения вариаций зарягешшх частиц в произвольной 7очке ыагнктзсферы. И этом плане прсдсгавяяотся актуальной задача разрадоткл ""еэретических 'концепций и проведениз численного моделирования на ослопе совокупности. спутниковых к экслеримэг.тллъямч дан;и-у.. Гаксй путь исследования представляется наиболее эффективный с точк1-; ирония пончиаиия сущности физически:: процессов. В связи с актуальность« этой тематики большое чеслс рз.бот пось.тцсно построена ксделей. поязеяяваих по некоторому классу ахслерншатальных данных Снаприно? но данным едкого спутника) описывать вариация г.отеков- частиц с РП.

Цель работы Цель», представляемой диссертация калзкгтея изучение процессов усхс^ккя к- карочоса частиц в адрораяхшег областях ызглитосфер» во ьреа® аагяигоо^ерт» гг.зму^егаи'.

Ллл изучения- оснеькю: закшокьриосте^ простргиствекно - акергег'!4ческ:« », вуеьлтях характеристик чаегкц в гагнитос&зре Вопли во время субоурь был лрозэцен анализ дзлнкх аыюкошшютного ниакэлбтяцзго спутника "Иосыэо-ёОО". Отоуу вопросу посвямена первая глава диссертации, йс второй главе рассматривается модель гиггэкаии' частиц зо время суббурь в ночной части магнитосферы. Цельв третьей главы являлась разработка методсЕ описания процессов переноса имектированных частиц в радиационных псясз::.

Научьая новязка. Б результате обработки экспериментальных данных вызокоширотного кизколетяиего спутнлка "Космос-ООО" «первые били проанализированы спектральные характеристики потоков ззряЕенних частиц в полярной ионосфере,■ во время суббури в диапазоне. энергий 0.03-50 КэВ и изучена их динамика во время суббури. Полученные результаты использовалисьв дальнейшем для

- о -

моделирования икжекаии и распространения &артаенных частиц з радиационных псясгх.

:1рк построении модели процсссоа пнгожцч/ частиц тз ночной чагшлосфере гглср осковтаапся на ~>анее разработанных концепциях "Гранины илгсокции" и мэделч магнитного ^озг»у;денил токовой системы су^йури. Проглоченная работа гвдаетсА герпо:) попуткой объединения двух базовых моделей <$изики мягкитосферкой суОЗури.

При описании варящий в якеьисй части магнитосф&ры автору удалось :м основании казэшшх данннх опдсагь ыслдд инг-екцчонного и адчабатичясхого аэханизмоз ь парлаига потоков частиц ка гвостзднонарчпй орбита.

На пая.иту екчосятся:

1. Одежи спектральных параметров потоков протоков з толярясЯ понос рере з диапг.зоае энергия 0. 03-50 М.эВ и хх динамика во время м^пг.'.тосфзрно!-. еубсури.

2. Модель тжекции частиц из плазменного слои хпоста маглигоссЬеры в радиационное пояса.

3. Методика оценки вариаций потеков захваченные частиц з дневной части маглитосуеси.

Прэ ктичоская значимость Логуценные результаты могут 5итъ иепогьзоваяи длг» описания вариаций илтенсивлооти потоков ч.стиа в различных областях магнитосферы. У.отя моделирование проводитесь для приэкваториальных частиц, ооноЕпь-е результаты, полученные автором, могут быгь применены для расчета радиационной ойстаиовга: ка малых высотах, что имеет осоо'.ув актуальность г оэязч с Зезопаснсотыэ космических полетов. Кроме этого продетавлечкая модель позволяет проводить сценки локализации очкаста ускоренля/инжыкиии частиц, что оудествечно при изучении физики ¿агнитоо верной сусУ.уои. Начочец, полученный результаты ■¡зидетельствупт о существенное вкладе механизмов переноса з ротфокгнкэ сиектрапьны.г и временчь"" '.гарахтериотчк ускорении?.

частиц, что необходимо учитывать при моделировании механизмов их ускорения.

Личный вклад автора. Автором балт* построена теоретически» иоаелк ккиехцни частиц из ночной части магннтссферы и вариаций яктенсквност/ интехтированнкх частиц лр.« их дрейфе во внешних областях радиационных полсов. Вкл прэпедел подбор и обработка даш!ых наземных кагнитних станций м спутниковых данных, , прмвел&иких в литературе, а такие анализ дгшшх спутника "Горизонт" С1У84-УЙАЗ и "Космос-900". Автором было проведано численное моделирование в рамках разработанных теоретических ызделеП.

Апробация работи. Результаты диссертации докладывались на ).!еЕдунароцноь: симпозиуме по исследования магнитных и гяегп'ричееккх ьелей в • магнитосфере 1993 г., Всесоюзном секинаро- соведании по космической флзнки в Ленинграде 1587 г., V Ыездународном симпозиуме КЛНГ пс солнечно-земной физика 1989 Т-., II Есесоозком совещании по математическим моделям ближнего коскоса памяти В.П. Шабгнского 1930 г. По материалам диссертации опубликовано шесть печатных работ.

Структура диссертации. Диссертаций состоит из введения, трех глав, заклпчэнил и трех прилотшн. Диссертация содержит 20 страниц с рисунками, ¿. страницы с таблицам;; и 72 страши текста. Описок цитируемой литературы состоит из 02 каимокований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обенована актуальность изучения дини-лчеоких особенностей вариаций потоков заряхенных частиц в авроральнсП области напштосферы поясах во время суббурь, указывается цель работы, показана научная ковизг.а к практическая ценность

диссертации. Сформулированы основные положения, вьносяшюся на завдту.

Б первой главе англизируете* спектральные характериоти/и протонов в диапазоне энергий ЕМ), СЗ-ЗЭ МгВ по наСлпдвниям на ИСЭ "Космос-900" на круговой полярной орбите с высотой ~5С0 км в М2П!ятко-спохойныо и субурегко периоды в районе границы захвата и в полярной шапке Э этой главе показано, что спектры гротэнов з возмущенные периоды в рассматриваемом диапазона энергий могут Сыть ошс&иы суперпозицией дзух гиксЕеллоьския стжтров с характерными рнергикки £э1^6-20 кэВ при Е<100 кэВ и Ео*~ЗС кзВ пр* энергиях ЕЧОС-500 каЭ. а п,:и Е>000 коВ-степепячи с показателем Для кзгнвтио-егголойчьгх периодов характерны

болея мдгхие- спектра (по сравнении с суСбурезымк) к отсутствие второго маковеллоЕСхого участка спектра. На основа сопоставления с данным)!, полученным?! в «иетланетнем пространству, делается вывод о вкладе солнечных протонов в высохоэнэргичкуй участок энергетических распределений. Полученные данные соностг^ляптся с результатами спектральных измерений прогоноэ к геомагнитном хвосте. Рассматрипастся возможные м?::анизмы формирования спектра лротоиоз.

Эо второй' главе представлена модель, онксивчюи.ая временные вариации захваченной радиации в риЛоно геостационарной орбиты во время мапштосферных суббурь г:о данным наззмныэ: магнитных станций. Осковчые характеристики источника заряхэнных частиц задавались но модели "границы инфекции", что предполагало мгновенность ускорения частиц С по сравненип с временем перенос а частиц к спутнику) и локализацию области ускорения частиц плг.3!.:эяиым слсга хвоста гэгнигосф'эры за пределам! "границы иняэкцки". В отлитие от предыдущих моделей, основанных на постулатах "границы кнзекдни", которые объясняли эффекты, наблидаемые при регистрации зарягенннх частиц на спутнике,

геометрией "границы инхекции" (ол'зедяляемой эмпирически) и выбароч моьепи стационарной ксшвекиуи частиц из области ускорения, к спутник)-, модель представления ниже основана на учето №Аукционных электрических полей. Насчет индукц/оккогс злэкгричеокого ноля пролсдился на основе представлений о структуре ыаггатюгс возмущения, создаваемого токовой сиснчюЯ суббурч 0Р> 1ю нг.зоикым магнитным дакнем. Проводилось сопоставление рас«тн:гх и наблюдаемых энэргослектрограмм и профилей интенсивности инжектированных частиц по данным работ к аппаратуры спутника "Горизонт* (19?4-78Л). Аоказгло, что форма гнергоспэк'/рограммы (профиля) интенсивности ускоренных частиц определяется ьреимудествечно долготьой я временной эаансимостья скорости дрэйфа зарякеннкх частиц.

3 глгве третье?, иссг.эдултся роль мехапизмоЕ ускорение и переноса частиц в дкеьной части магнитосферы. Сосуществований двух механизмов вариация потоков чдотиц значительно затрудняет моделировали^ вариаций истоков частиц. Поэтому для упрощения расчетов при моделировании вариаций частиц на значительном удалении от источника Сто есть, в дневной части магнитосферы) удобнее пользоваться ириблизхкшым рассмотрением процесса ¿шхекции. 3 этой главе ■ рас.оматрявг.итея приближенные методы изучения процессов 1»нжехции и роль адиабатических механизмов в вариациях потоков частиц на геостационарной орбите на дневной стороне магнитосферы Исследования вариаций потоков протонов на пер;ф!риа радиационных поясов позволили списать пеадиабатический Синфекционный) л адиабатический компоненты этих возмущений.

Инхчкционммй механизм связан с инкекцией/усхорением частиц в около)юлуночном оехторо, доела чего оубб/резыо частицы дрейфуют на днеьнул сторон/. Истоки ускоренных частиц наб^пдгются, как правило, совместно с развитием то/оьы:; систем суобури VI генерацией крупномасштабных вссмуг;ений магнитного поля в

- У -

иэггктоофере. Анализ связи икгекционшго процесса с данными наземных магнитных станции показал, что резкое г.аденин И-яокпонбнтн на околололуночных высокоширотных станциях и появлении пульсаций И 2 слугтет хороаим иидикгтором качала ичлсзкциснкого процесса.

Основная сложность наде.'&'огз моделирования иариацМ пахвг.чпнко',1 радиации заключается, как правило, б отсутстзки данных О'.' шкечеиип магнитного поля в различных областях магнитосферы. В это Р. глазе использовалась информация лазерных кагкитемотроя для интерпретации ямзвдихся зксгерикенталкшх результатов.

Ь настоящее время достаточно подробно изу:ену как адиабатический, так и кнгекцисмчый механизмы. До настоящего врекзни не рассматрлвагось совместное влияние ~тих ^охаьпзсов чи вариации потоков частиц. Дельп зюй главы является ссзданиэ методики разделечпя этих механизмов для конкретных суббурь.

& зтой глаз-; рассматриваются вариации :'сгоков лрстспоз с знзргиями от 30 кэЧ до 2,Ь ¡*.эЬ п- данный геостационарного спутника спяги "Горигонт" С1У84-78АЗ во время мзгнчтнол бурл 04.0&. 1£84г. Полученные результаты сопоставите.ся а дгнпыш. сети нагемких магнитных обсерваторий и с результатами экспериментов, нроЕвдеаинх. на ЛМРЧ'Е/ССЕ. Проводится определение долготных и зрешнкых параметров иньекцконннх прог.ессоз ь -очной 1/аггитосфере дву»лЯ различными методиками: по данным о потоках частиц ь гневной части магнитосферы л пс даяньл: назечных высокомрстяых стгнцИ». Полученные результат* находятся в хорошем взаимном соотвегстпич. Проводится моделирование адпаоатическлх вариаций потоков гюотонов по данным- наземных среднешироткых станций. Показан вклад адиабатических вариаций и ингекщ'онных процессов в динамику потоков- заряженных частиц.

- 1U -

В захлючекки с^ормугиролани основные результаты дчссс-ртащш. I. На основе анализа спектральных характеристик потоков протонов в глгпазоке кнергий С.03-50 МэВ, накликавшихся на чочнсй стороне г.олярной ионосферы в магнитно-спокойное время и во время суСбурь удалось показать, чтс в магнитно-возмуденнои время саектру потоков протонов в области полярно'.! ионосферы ииест сложило структуру. Нежно выделить:

aJ б::мзксве;:.го;ккий участок с характерными гнергияки Ео> % "3 - 10 кэВ, при энергиях AE¡ £ ЪО - 80 к.эВ и Ел * 13 - 50 кэВ при ДЕ» 80-^00 хэВ;

О степенной участок дри Е>500 кэЗ с показателем у-2-5. Показ ?.ио, что низкоэнергичныП бимаховэклоаский участок сформирован частицами пнутримагнитос$еркого происхождения, а В1)сокознергечнь1й стзпеньой описыьаот, как правило протошг из мвжплачетною пространства.

Паранетрч спектров зависят от возмудэнности нагнитосферы. Спектры в н<уьозмущенЕое время во всем исследуемо« энергетическом диапазоне СЕ~30-3(Х) кэЗ) описывались стелснкой функцией с ^3-6 : ли ,1<акс:»елловской с í o^5-10 кэВ. Наибольшее различие возмущенных н нег.оэыущэнгшх спектров каблюдгатся в диапазоне энергий более 100 кэЬ.

Создана шдель расчета радиационной обстановки з окопоземном пространстве вблизл геостационарной орбиты. В качестве базисных постулатов построения модели использовались иксперимонталыше и теоретические результаты концепции 'гргнлцм ишокичз" и модели магнитного возмущения, создаваемого токоеой системой OFi. Получинная модель позволяет рассчитать энергоопектрограшу суббусевых частиц в ночной полусфере з районе геостационарной орбиты г.с данных сети наземных магнитных дпнньх и измерений вариаций г.отока частиц в одном энергетическом канале спектрометра ни борту геостационарного спутника.

Сочоотавп.енпе расчетных и экспериментальных результатов, проведенное ' по данным спутников "Горизонт", нТо-ó и о'САТНЛ свидетел>.ствует об их удовлетворительном согласии.

3. Анализ геокагн/ткого возмущения 04.fid показал, что вариации потоков протонов в дневнсй части магнитосферы в основном определяются двумя процесса:«! •

а) ингекцией частиц, происходящей н кочкой яолусфуре, которая совпадает с началом резкого опаца Н-хшполенты на высоу.оииротны:: счолопэлуночкьж станциях и начатом пульсаций PiS на средзеширотныя магнитных обсерваториях.

4) адк&бгтйлеоасЯ вгриэцпей иятенсигиостл частиц mz внезапном импульсе, котсопя хорошо коррелирует о взргалиями гнйтнотл поля на среднеширэтных геомагнитных станциях.

Ос.юииые результат!' диссертации снубгикозанн э следуют,!« рг.ботах'

1. Ивачога Т. И. , Нанасик М. И. , Пищиков В. П. , Лспов Г. В. ОуббурсЕпе эффгкте в лар/ацдях погоков энергичных частиц на дясвкой сюооне геостационарной орбиты // Космячеокие яосл-здованкя 1990. Т.£8. HI. С.9¿-lZZ.

2. Нанзсвх М. П., Нцдикоз К. 11.Ионк с энергиями 0.03-50 КэВ в высокоширотной ионосфере // Косгягческкэ исследования 1938 T.Í0. N4. С. 509-577.

3. Беляев А. А. , Пакаспч К. V.. . Пидиков Р. .П. Модель инжекцич частиц на геост&г.нокарму!;) орбиту из хьоотз. мппглтосйеоы во время суОбурь // Препринт HI ГИЛ V МГУ 61- /.

4. ípcHO'j. А. В. , Ксврклшг М. И. , Морозова 7. И. , Лиюикоч Б. П , Сосковеч 0. И. , Tbepci:ar Л. В. Сосбенкост:: вариаций игтенспягеста;! к спектров энерги"кнх электронов чг синхронной орбита /-' Ксслэц. по геом. , аэрон и физике Солнца 1GS9. Т. 85. С. 7-15.

S. Беляев А. А., '1анас:лс И. И. , Пициков В. Л. Мог" тасование пероцчсоа инжекцки частич на гсост ационарнуы орбиту // II Всес. сЗЕед. "Математическаз уоделл ближнего кос.'/сс.п", тезиси доклада. M. 199С. С. 20-21. с. Паиасск li. И. , Главков В. П. Модель икжлкцьи частиц ка геоотационаонув орбиту // Сеян -сем. фмз. : сими. КАТ:', Сръархаяд, 2-ti оке., 1989: Тез. дохл.-M. 1929. С. 15.3.

Подписано к печати 1.Ш.91г. яаказ te 5£Уй. Ти^аа 100 экз.

Отпечатано в НИИЯФ МГУ