Пространственные и временные характеристики локальных возмущений потока высокоэнергичных электронов под радиационным поясом Земли тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи

Александрии Сергей Юрьевич

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛОКАЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПОТОКА ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПОД РАДИАЦИОННЫМ ПОЯСОМ ЗЕМЛИ.

Специальность 01.04.16 - Физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор

О 3 ОсЗ 2011

Москва, 2010

4853756

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ».

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Колдашов Сергей Валентинович (НИЯУ МИФИ)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Базилевская Галина Александровна (ФИАН)

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Шуршаков Вячеслав Александрович (ИМБП РАН)

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН

Защита состоится « 9 » февраля 2011 г. в 16 час. 30 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.130.07 при НИЯУ МИФИ по адресу:

115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, тел. 324-84-98, 323-95-26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.

Автореферат разослан Юг.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Ученый секретарь /

диссертационного совета, д.ф.-м.н., проф.

С.Е.Улин

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время возрос интерес к космической погоде, ее мониторингу и прогнозированию. При возмущениях радиационного пояса (РП), высокоэнергичные частицы могут опускаться на спутниковые высоты и даже попадать в плотные слои атмосферы. Спутники, самолеты и многие наземные установки оснащены сложными электронными и вычислительными системами, на работу которых негативно влияет ионизирующее излучение. Работа космонавтов, особенно вне станции, так же зависит от радиационной обстановки. Прогнозирование динамики потоков заряженных частиц в околоземном космическом пространстве (ОКП) при различных явлениях как природного, так и техногенного характера очень важно. Некоторые природные явления (например, сейсмические) можно прогнозировать и регистрировать, наблюдая за их воздействием на захваченные частицы. Данная диссертационная работа посвящена изучению динамики потоков высокоэнергичных электронов в ОКП, процессов, возмущающих эти потоки и характеристик этих возмущений.

Цель работы. Изучение и систематизация пространственных и временных характеристик локальных возмущений потоков высокоэнергичных электронов в ОКП. Разработка методов выделения всплесков потоков высокоэнергичных электронов (всплесков частиц), наблюдаемых в спутниковых экспериментах. Определение характеристик локальных возмущений потоков электронов, зарегистрированных во время спутниковых экспериментов «Мария-2», «Гамма-1», «Арина» и РЕТ(5АМРЕХ). Изучение механизмов возмущения РП, связанных с проявлением взаимосвязи всплесков высокоэнергичных электронов с молниевыми разрядами и геомагнитными возмущениями.

Научная новизна работы.

1. Разработан комбинированный метод для выделения всплесков высокоэнергичных электронов РП (с энергиями десятки МэВ), зарегистрированных в спутниковых экспериментах. Комбинированный метод позволяет выделять всплески частиц, как на фоне долготно-широтного хода, так и во время долговременных изменений потоков заряженных частиц в ОКП.

2. Впервые проведен анализ длительности всплесков высокоэнергичных электронов, связанных с локальными возмущениями РП. Показано, что основная часть всплесков частиц имеет длительность порядка минуты.

3. Впервые проведен детальный анализ географических распределений частоты появления всплесков высокоэнергичных электронов. Показано наличие зон преимущественной регистрации всплесков частиц, одна из которых примыкает к Бразильской магнитной аномалии (БМА), а другая находится в районе Гималаев, где наблюдается повышенная грозовая активность.

4. Впервые проведен анализ сезонных изменений частоты регистрации всплесков высокоэнергичных электронов в зоне повышенной грозовой активности. Выявлена взаимосвязь между частотой появления всплесков частиц в этой зоне и грозовой активностью.

5. Впервые проведен анализ взаимосвязи всплесков высокоэнергичных электронов, наблюдаемых на низких широтах, и локальных возмущений геомагнитного поля, зарегистрированных наземными геофизическими обсерваториями. Выявлены всплески частиц, связанные с локальными возмущениями геомагнитного поля.

6. На основе анализа распределений временных интервалов между всплесками высокоэнергичных электронов и землетрясениями, впервые получены пространственные характеристики модели локальных возмущений потоков частиц РП электромагнитным излучением (ЭМИ).

Результаты, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа, показывающие взаимосвязь всплесков высокоэнергичных электронов с локальными возмущениями геомагнитного поля, зарегистрированными наземными геофизическими обсерваториями.

2. Результаты анализа сезонных изменений географических распределений частоты появления всплесков высокоэнергичных электронов, показывающие, что часть всплесков частиц связана с возмущениями радиационного пояса молниевыми разрядами.

3. Результаты анализа пространственно-временных распределений всплесков высокоэнергичных электронов, показывающие, что основная часть всплесков частиц имеет продолжительность порядка минуты. При этом около 10% возмущений потоков частиц под РП имеет длительность несколько часов и более. Распределение всплесков электронов длительностью менее 20 секунд имеет ярко выраженный максимум в районе ¿-1.8, в отличие от общего распределения всплесков, максимум которого наблюдается на Ь~ 1.1-1.2.

4. Комбинированный метод выделения всплесков высокоэнергичных электронов в ОКП, основанный на использовании методов фоновой матрицы и скользящего среднего, в зависимости от условий наблюдения, позволяющий выделять всплески частиц, как на фоне долготно-широтного хода, так и во время долговременных изменений фоновых потоков заряженных частиц.

5. Пространственные характеристики модели локальных возмущений потоков высокоэнергичных электронов РП, полученные с помощью анализа распределения временных интервалов между всплесками частиц и землетрясениями.

Практическая ценность работы. Результаты данной работы позволяют получить новую информацию о взаимосвязи процессов, происходящих в литосфере, атмосфера, ионосфере и магнитосфере Земли. Данные о всплесках и вариациях потоков заряженных частиц могут быть полезны в разработке динамической модели космоса и РП. Результаты работы могут помочь при разработке подходов к прогнозированию землетрясений с помощью космической техники. Алгоритмы выделения всплесков частиц и программное обеспечение могут быть использованы при спутниковом мониторинге всплесков заряженных частиц в режиме реального времени на космическом аппарате (КА). В частности, программное обеспечение на основе разработанного алгоритма используется при выделении всплесков электронов для эксперимента «Арина» в Научном центре оперативного мониторинга Земли.

Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его участии.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на:

1. 26-ой Всероссийской конференции по космическим лучам. Дубна,

2000

2. 27-th International Cosmic Ray Conference, Hamburg, Germany 2001

3. 18-th European cosmic ray Symp., Moscow, 2002

4. 28-ой Всероссийской конференции по космическим лучам. Москва,

2004

5. 30-ой Всероссийской конференции по космическим лучам. Санкт-Петербург, 2008

Результаты диссертационной работы регулярно представлялись на научных сессиях МИФИ 2001-2010 года.

Публикации. По материалам диссертации были опубликованы 23 печатных научных работы, 5 - в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Во введении приводится общая характеристика диссертационной работы.

В Главе 1 дается обзор экспериментальных данных по наблюдению потоков высокоэнергичных электронов в ОКП и описание физических процессов, определяющих эти потоки.

В следующих главах описывается:

Глава 2 - Спектрометр-телескоп «Мария-2», гамма-телескоп «Гамма-1», телескоп PET, спектрометр «Арина», позволяющие регистрировать потоки высокоэнергичных электронов с энергиями от нескольких МэВ до нескольких десятков МэВ. Рассматриваются методы выделения всплесков частиц в спутниковых экспериментах.

Глава 3 - Результаты экспериментальных исследований потоков высокоэнергичных электронов в ОКП.

Глава 4 - Механизмы локальных возмущений потоков высокоэнергичных электронов радиационного пояса, приводящих к появлению всплесков частиц в ОКП.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Общий объем составляет 138 страниц, включая 56 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 100 наименований.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Изучение потоков частиц в ОКП началось с запусков первых искусственных спутников Земли. В дальнейшем изучался состав частиц, их энергетические распределения. Основной состав РП - это протоны с энергиями от сотен кэВ до сотен МэВ и электроны с энергиями от сотен кэВ до десятков МэВ. Под РП потоки формируются преимущественно из электронов в таком же энергетическом интервале.

Основным источником электронов под РП является процесс их генерации при взаимодействии первичных космических лучей с остаточной атмосферой.

Рождающиеся пионы через цепочку процессов распада >(/—>е± и л°—>2у образуют электроны и позитроны высоких энергий, которые формируют вторичные потоки в ОКП.

Существует множество факторов, влияющих на изменения стационарных потоков высокоэнергичных электронов в ОКП. Это могут быть как природные явления (изменения скорости солнечного ветра, вспышки на Солнце, сейсмическая активность, грозы и др.), так и результат деятельности человека (различные виды ядерных взрывов, особенно в ОКП, мощные радары).

Одной из причин вариаций потоков электронов в ОКП, могут быть возмущения РП, приводящие к высыпанию частиц, в результате под РП появляются всплески частиц.

Впервые всплески высокоэнергичных частиц (как резкие кратковременные возрастания потоков частиц) были обнаружены в эксперименте «Мария», который проводился в 1985 году [1]. Прибор представлял собой сцинтилляционный времяпролетный магнитный спектрометр, который располагался на борту орбитальной станции САЛЮТ-7. Энергия электронов, измеряемых в этом эксперименте, составляла несколько десятков МэВ. Всплески высокоэнергичных заряженных частиц имели продолжительность от десятков секунд до нескольких минут.

В дальнейшем экспериментальный цикл исследований всплесков электронов с энергией более 20 МэВ под РП Земли был продолжен на орбитальной станции «Мир» («Мария-2»), на ИСЗ «Интеркосмос-Болгария-1300», «Метеор-3» («Электрон»), «Гамма-1» и БАМРЕХ.

В результате была изучена взаимосвязь всплесков высокоэнергичных электронов, регистрируемых на КА, с землетрясениями [2] и показано, что часть всплесков частиц наблюдается за несколько часов до сильных землетрясений. Хорошо известны опубликованные данные по наблюдению высыпания электронов низких энергий из РП, связанные с грозовой активностью [3]. Сегодня существует много мощных стационарных радаров, импульсное излучение которых может приводить к высыпанию электронов РП с энергиями вплоть до 1.5 МэВ [4].

В настоящей работе был выполнен анализ данных следующих экспериментов: «Мария-2», «Гамма-1», SAMPEX и «Арина» с целью продолжения изучения природы всплесков частиц в ОКП.

«Мария-2» - это магнитный спектрометр, предназначенный для измерения характеристик заряженных частиц с энергиями 15-200 МэВ. Спектрометр был установлен на орбитальной станции «Мир» в 1988 году. Орбитальная станция находилась на почти круговой орбите с высотой около 400 км и наклонением 51.7°глубоко в магнитосфере Земли.

Гамма-телескоп «Гамма-1» был установлен на астрофизической космической обсерватории «Гамма» (высота орбиты 350 км, наклонение 51°), и наряду с основной научной информацией о космическом гамма-излучении позволял регистрировать темпы счета электронов с энергиями порядка 50 МэВ и выше. Измерения проводились с 1990 г. по 1992 г.

Искусственный спутник Земли (ИСЗ) SAMPEX был выведен на орбиту с наклонением 82° и высотой от 550 до 675 км в 1992 г. Установленный на нем комплекс аппаратуры использовался для измерений потоков заряженных частиц и ядер космического излучения. В данной работе для анализа использовались показания канала заряженных частиц прибора PET, регистрирующего темпы счета электронов в энергетическом диапазоне 4-15 МэВ.

Летом 2006 года был произведен запуск ИСЗ «Ресурс-ДК1», на борту которого находится спектрометр «Арина», позволяющий изучать потоки высокоэнергичных электронов в диапазоне энергий 3-30 МэВ. Эксперимент рассчитан на 3 года, продолжается в настоящее время.

В таблице 1 приведены основные характеристики спутниковых экспериментов, данные которых были использованы в настоящей работе.

Табл. 1. Спутниковые эксперименты по измерениям потоков высокоэнергичных электронов._

Прибор Годы Наклонение орбиты Высоты, км Энергия

«Мария-2» («Мир») 1988-2001 51.7 400 15200 МэВ

«Гамма-1» 1990-1991 51.7 350 >50 МэВ

PET (ИСЗ SAMPEX) 1992-2004 82 550-675 4-15 МэВ

«Арина» (ИСЗ Ресурс-ДК1) 2006-2010 70 360-605 3-30 МэВ

Методы выделения всплесков частиц при обработке экспериментальных данных спутниковых экспериментов. Во время спутниковых экспериментов приборы измеряют потоки высокоэнергичных заряженных частиц. Стационарные потоки заряженных частиц в ОКП неоднородны, они меняются в зависимости от широты и долготы. Во время движения спутник может задевать отроги РП и сам РП в районе БМА, где стационарные потоки очень велики. Кроме этого, потоки заряженных частиц могут зависеть и от геомагнитной обстановки, местного времени, солнечной активности и других факторов. Пример темпов счета электронов приведен на рис.1. В данной работе изучались всплески высокоэнергичных электронов, следовательно, на фоне непрерывно меняющихся потоков частиц, необходимо выделять эти всплески частиц.

7'

10:04 10:09 10 14 1 0 19 10 24 10:29 14:25 14:30 14 36 14-44 14 49 14 55 14 29 14:30 14.32 14 35 14 37

08.10.07 Время, ч:мин. 24.09.07 Время, ч:мин. 24.09.07 Время, ч:мин.

Рис. 1. Пример темпов счета электронов спектрометра «Арина» вдоль орбиты.

Одним из методов выделения всплесков частиц является метод фоновой матрицы. Темп счета прибора зависит как от географических координат спутника, так и ориентации прибора относительно линий геомагнитного поля. Соответственно, можно построить фоновую матрицу темпов счета от этих параметров, где величина каждого значения будет усредненным значением темпа счета прибора по определенному периоду наблюдения (месяц, год) для соответствующих значений параметров. Таких параметров может быть несколько (I, В, <9рм„ долгота и т.д.), но это может сильно увеличить период наблюдений (более полугода), необходимый для построения достоверной фоновой матрицы. Сравнивая текущее значение темпа счета прибора с

фоновым значением для соответствующего местоположения и ориентации спутника можно определить, наблюдался ли всплеск частиц в это время.

Метод фоновой матрицы позволяет выделять всплески заряженных частиц на фоне изменения темпа счета прибора во время движения спутника по околоземной орбите в период спокойной геомагнитной обстановки и при неизменной светосиле прибора. Достоинство этого метода - его простота, возможность даже по одному измерению оценить наличие всплеска в случае, если траектория КА быстро пересекает возмущенную область. Однако в реальных условиях потоки заряженных частиц могут меняться (к примеру, суточные, сезонные изменения, при изменении солнечной активности и т.д.). Темп счета частиц также может меняться при изменении светосилы прибора. В таких случаях данный метод не всегда дает возможность выделить кратковременные изменения потоков заряженных частиц.

Другой метод - метод скользящего среднего (МСС). Метод основан на переходе от исходных значений временного ряда темпов счета к его усредненным значениям на интервале времени заранее выбранной длины. При этом сам выбранный интервал времени скользит вдоль временного ряда. Сравнение текущего темпа счета прибора со средним значением позволяет определить величину отклонения от среднего темпа счета. Этот метод позволяет выделять кратковременные изменения потоков заряженных частиц при изменяющихся условиях наблюдения. Такой метод удобно использовать для выделения всплесков заряженных частиц при наличии в данных циклической компоненты из-за движения спутника по орбите.

Достоинством МСС является то, что он малочувствителен к длительным по времени изменениям темпов счета прибора (при изменении потоков регистрируемых частиц, либо при изменении эффективности их регистрации). Этот метод удобно использовать для мониторинга потоков высокоэнергичных заряженных частиц, так как усреднение происходит по короткому периоду наблюдения.

Недостатком МСС является проблема выбора длины периода сглаживания и зависимость результатов от этого. Кроме того, при повторяющихся всплесках за время периода сглаживания, метод скользящего среднего не позволяет выделить всплески частиц.

В результате был разработан комбинированный метод, основанный на применении одного из вышеперечисленных методов, в зависимости от фоновой обстановки. Комбинированный метод был апробирован при обработке данных эксперимента «Гамма-1». При визуальной проверке было установлено, что около 50% всплесков выделяется обоими методами, а каждый метод выделяет порядка 60% всех всплесков. Комбинированный метод выделяет около 80% всех всплесков, идентифицируемых визуально («ручным» методом). Представленные в данной работе всплески частиц были выделены комбинированным методом. По всем расмотреным экспериментам было выделено около 530 всплесков высокоэнергичных электронов.

Экспериментальные данные по наблюдениям всплесков высокоэнергичных электронов. Известно, что всплески заряженных частиц различны по виду (одноимпульсные, многоимпульсные), по величине, по продолжительности [5]. Чаще всего всплески бывают одиночные, хотя часть всплесков имеют временную структуру, когда при боры, во время пересечения спутником возмущенной дрейфовой оболочки, регистрируют несколько всплесков через короткие промежутки времени (несколько десятков секунд). В основном, всплески частиц имеют небольшую амплитуду (в 1.5-2 раза превышают фон), хотя встречаются и довольно сильные, превышающие фон в 3-3.5 раза. Для классификации всплесков частиц важно знать параметры (амплитуду, длительность) каждого. Это может помочь при определении их природы. К примеру, известно, что молниевые процессы очень быстрые (длительность молниевой вспышки менее 1.5 с) и логично предположить, что всплески частиц, вызванные этими процессами, должны иметь малую длительность (несколько секунд). Пространственные характеристики могут помочь при определении места высыпания частиц и, соответственно, местоположения физического явления, вызвавшего это высыпание [6]. Регистрируются и многократные всплески (несколько кратковременных всплесков), пока спутник не успевает уйти на другую ¿-оболочку [7]. Наблюдались и протяженные всплески, длительность которых превышала 2 минуты. Такие всплески можно наблюдать, когда спутник пересекает возмущенную оболочку длительное время, в экваториальных областях.

Исследуя всплески высокоэнергичных электронов в ОКП с помощью спектрометра «Мария» [8] обнаружилось, что они регистрируются даже на

очень низких ¿-оболочках, где заряженные частицы не могут долго существовать, так как при дрейфе вокруг Земли неизбежно должны опуститься на высоты ниже 100 км, где уже плотность атмосферы велика, рассеяться, потерять энергию и поглотиться. Известно, что в очагах готовящихся землетрясений при подвижках коры возникает разность потенциалов, приводящая к излучению ЭМИ в широком диапазоне частот [1]. При анализе всплесков высокоэнергичных электронов, оказалось, что часть их связанна с землетрясениями [6]. Такие всплески регистрировались, в основном, на низких ¿-оболочках, так как наиболее сейсмоактивные районы находятся ближе к экватору, а взаимодействие высокоэнергичных электронов РП с ультранизкочастотным ЭМИ, излучаемым при сейсмических процессах, происходит практически на ¿-оболочке очага землетрясения [6].

В данной работе был проведен детальный анализ длительности всплесков частиц. Изучение данных «Мария-2», «Гамма-1» и РЕТ(БАМРЕХ) показало, что основная часть всплесков электронов имеет продолжительность меньше минуты. Наблюдались также всплески частиц, регистрируемые при пересечении возмущенной оболочки несколько раз, на протяжении нескольких часов.

Было детально изучено географические распределения частоты появления всплесков высокоэнергичных электронов для различных спутниковых экспериментов («Мария-2», «Гамма-1» и БАМРЕХ). Показано, что характерные особенности у таких распределений схожие, что позволяет объединить их в общее суммарное распределение. Оно показано на рисунке 2.

Выделяются зоны повышенной частоты регистрации всплесков частиц. Первая зона (1), состоящая из нескольких областей, примыкает к БМА. Хотя регистрируемые частицы и располагаются под РП, но эти области характеризуются наименьшими значениями геомагнитной индукции В (или наименьшими вдоль ¿-оболочек высотами зеркальных точек частиц, исключая БМА). Высыпавшиеся из РП частицы, дрейфуя по долготе, опускаются и собираются в этих зонах, поэтому вероятность наблюдения всплесков частиц в них возрастает.

Е

i

Долгота, град

Рис. 2. Географическое распределение частоты появления всплесков частиц.

Другая зона (2), расположенная в районе между 100° и 160° долготы и 15° и 45° северной широты (район Гималаев), характеризуется наибольшими значениями В (геомагнитной индукции) на заданных высотах и не может собирать всплески. Возможно, большая частота появления всплесков в этой зоне связана с повышенной частотой высыпания частиц из РП именно над ней. Эта зона характеризуется как повышенной грозовой активностью, так и I повышенной сейсмичностью.

Корреляция всплесков частиц с грозовой активностью. Зона Гималаев и

Японских островов характеризуется повышенной сейсмичностью и грозовой

активностью в летний период. Связь части всплесков частиц с

сейсмоактивностью хорошо известна [2], и для анализа других возможных

причин высыпания высокоэнергичных электронов из РП были отобраны

всплески частиц, не связанные с землетрясениями.

| Анализ сезонных изменений частоты появления всплесков частиц,

зарегистрированных PET(SAMPEX) в рассматриваемой зоне ОКП показал, что

летом всплески регистрируются преимущественно в северном полушарии.

Сравнение распределений частоты появления всплесков частиц в районе

Японских островов и Гималаев в летний период с зимним периодом показало.

что летом всплесков было зарегистрировано в 2-3 раза больше, чем зимой.

Аналогичные изменения регистрируются и для грозовой активности в этом

районе (по данным LIS - Lightning Imaging Sensor [9]). Количество гроз в i 13

летний период увеличивается в 3-4 раза. Таким образом, можно сделать вывод, что часть всплесков высокоэнергичных частиц связана с грозовой активностью.

Корреляция всплесков частиц с локальными геомагнитными возмущениями. Одной из вероятных причин, приводящих к высыпанию заряженных высокоэнергичных частиц РП, могут быть локальные возмущения геомагнитного поля, связанные с распространением

магнитогидр о динамических (МГД) волн в магнитосфере Земли. Заряженные частицы РП Земли могут рассеиваться на таких волнах, что, в свою очередь, может приводить к высыпанию частиц ниже границ РП и регистрироваться приборами, установленными на спутниках, баллонах и геофизических ракетах.

Методом скользящего среднего были выделены флуктуации магнитного поля Земли, регистрируемые на различных геофизических обсерваториях. Оценка возможности высыпания электронов с энергиями порядка несколько десятков МэВ, показывает, что пульсации с амплитудой в несколько нТл могут приводить к высыпанию таких электронов. Так как на наземных станциях наблюдаются флуктуации геомагнитного поля в несколько нТл, а то и более 10 нТл, то можно предположить, что такие возмущения могут приводить к высыпанию частиц из РП. В данной работе были выделены локальные возмущения геомагнитного поля, которые регистрировались на отдельной геофизической обсерватории (рис. За, локальное возмущение помечено стрелкой), а на других станциях (соседних) не были отмечены (рис. 36).

ЦТ, час ЦТ, час

а) б)

Рис. 3. Кратковременное локальное возмущение геомагнитного поля.

Для анализа корреляции всплесков высокоэнергичных частиц и локальных геомагнитных возмущений рассматривались данные по спутниковому эксперименту БАМРЕХ, который проводился длительное время, и имелась большая статистика по всплескам частиц. Рассматривались всплески высокоэнергичных электронов, зарегистрированные одновременно (с точностью до нескольких минут) с локальными геомагнитными возмущениями. Долготное распределение таких всплесков (рис. 4) резко отличается от равномерного, характерного для всплесков частиц без какого-либо отбора. Это показывает связь отобранных всплесков с локальными геомагнитными возмущениями.

- -1

VI-•-1-'-I->-1-■-1—■—

О 60 120 180 240 300

Долгота, град

Рис. 4. Долготное распределение всплесков частиц, регистрируемых одновременно с геомагнитными возмущениями.

Механизмы локальных возмущений электронов РП. Сегодня общепринятым считается следующий механизм возмущения РП при сейсмических процессах [5-7]. В процессе подготовки землетрясения происходит образование трещин и разломов в земной коре в районе очага землетрясения. В местах разломов происходит разделение зарядов и возникает разность потенциалов между различными слоями земной поверхности. Из-за разрядов тока между ними, происходит излучение электромагнитных волн в широком частотном диапазоне. Низкочастотное излучение проходит сквозь атмосферу и захватывается в геомагнитную трубку в ионосфере и магнитосфере, где распространяется вдоль нее. Взаимодействуя с захваченными заряженными частицами РП, ЭМИ изменяет питч-угловое распределение захваченных частиц, что приводит к питч-угловой диффузии и

образованию под РП волн высокоэнергичных заряженных частиц, распространяющихся вокруг Земли вдоль дрейфовых оболочек вследствие долготного дрейфа. Спутник, пересекая возмущенную оболочку, регистрирует резкое возрастание темпа счета прибора - всплеск частиц.

Так как излучение из очага начинается в период подготовки землетрясения, всплески сейсмического происхождения регистрируются за несколько часов до землетрясения. В данной работе, путем сравнения времен регистрации всплесков частиц и землетрясений (ДТ=Т3-ТВ, где Т3 - время землетрясения, а Тв - время всплеска), были определены некоторые характеристики процесса локальных возмущений РП: высота, на которой происходит захват ЭМИ в геомагнитную трубку, размеры области взаимодействия частиц и ЭМИ.

В качестве количественного критерия для определения параметров взаимодействия частиц и возмущения использовалось соотношение между величиной пика в распределении временных интервалов ДТ и средним значением (фоном), выраженное в единицах стандартного отклонения

Для определения высоты захвата ЭМИ, излучаемого при сейсмических процессах, были построены распределения по временным интервалам ДТ, где свободно варьируемым параметром являлась высота захвата. Для анализируемых в данной работе экспериментов максимальная величина соотношения £ между пиком и фоном распределения временных интервалов находилась на высоте порядка 450 км (рис. 5).

Высота, км Высота, км Высота, км

Мария-2 Гамма-1 8АМРЕХ(РЕТ)

Рис. 5. Зависимость параметра 5 от высоты захвата ЭМИ по различным экспериментам.

Таким же методом был изучен размер области взаимодействия высокоэнергичных электронов РП с ЭМИ. Для различных экспериментов величина |Д1|=|£3-£В| (где ¿3—¿-оболочка землетрясения, а ¿в—¿-оболочка всплеска) получается практически одна и та же, |Д£[=0.07.

Механизмы возмущения РП молниевыми разрядами. Грозовая активность может влиять на потоки высокоэнергичных заряженных частиц в ОКП из-за взаимодействия захваченных заряженных частиц с низкочастотным излучением, которое генерируется во время грозовых разрядов [10].

При молниевом разряде, ЭМИ, распространяясь сквозь атмосферу и ионосферу, захватывается в геомагнитную трубку. В данной работе были выполнены расчеты амплитуды ЭМИ, формируемых во время сильных молниевых разрядов, с учетом силы тока, длины и направления (угла с вертикалью) молний, и показано, что такие ЭМИ могут воздействовать на высокоэнергичные заряженные частицы РП, приводя к их высыпаниям на спутниковые высоты. В результате формируются всплески частиц, которые могут быть зарегистрированы на КА, если тот пересечет возмущенную ¿-оболочку. Были проведены расчеты числа регистрируемых всплесков на одном КА, с учетом географического распределения грозовой активности, параметров молниевых разрядов, поглощения ЭМИ в ионосфере и параметров орбиты спутника. Показано, что может наблюдаться -30-40 всплесков в год. Это значение по порядку величины совпадает с числом всплесков электронов по экспериментальным данным.

Механизмы возмущения РП во время локальных возмущений магнитного поля Земли. В данной работе показано, что по такой же схеме (вышеописанной) высокоэнергичные электроны РП могут взаимодействовать с локальными возмущениями геомагнитного поля. Возмущения порождаются магнитогидродинамическими волнами, распространяющимися в магнитосфере, на которых происходит рассеяние заряженных частиц РП, что приводит к их высыпанию, а за счет долготного дрейфа, распространению волн высокоэнергичных заряженных частиц вокруг Земли вдоль дрейфовых оболочек.

В ходе работы получены следующие основные результаты:

1. Разработан и реализован комбинированный метод выделения всплесков высокоэнергичных электронов в ОКП (с энергиями десятки МэВ) в

спутниковых экспериментах. Данный метод учитывает долготно-широтные эффекты и изменения потоков заряженных частиц в ОКП связанные с солнечной активностью. Разработанный метод позволяет выделить около 80% всех имеющихся всплесков частиц.

2. Проведен анализ длительности локальных возмущений высокоэнергичной электронной компоненты РП по данным различных спутниковых экспериментов. Основная часть возмущений РП имеет длительность порядка 1 минуты. Показано, что около 10% возмущений имеют длительность до нескольких часов.

3. Выполнен анализ пространственных характеристик коротких всплесков частиц длительностью 5-20 секунд. Показано, что они формируются на ¿-оболочках порядка 1.8, в отличие от основной части всплесков с длительностью несколько десятков секунд, максимум которых наблюдается на ¿-оболочках порядка 1.1-1.2.

4. Проведен детальный анализ географических распределений частоты появления всплесков высокоэнергичных электронов. Показано наличие зон преимущественной регистрации всплесков частиц, одна из которых примыкает к БМА, а другая находится в районе Гималаев, где наблюдается повышенная грозовая активность.

5. Проведен анализ сезонных изменений частоты регистрации всплесков высокоэнергичных электронов в зоне повышенной грозовой активности. Сезонные изменения частоты регистрации этих всплесков соответствуют сезонным изменениям грозовой активности в этом районе. Выполнена оценка количества регистрируемых всплесков частиц, которые связаны с грозовой активностью. Показано, что их число составляет ~30-40 всплесков частиц за год, что согласуется с экспериментальными данными.

6. Выполнен анализ взаимосвязи всплесков высокоэнергичных электронов и локальных геомагнитных возмущений. Показано, что часть всплесков частиц связана с локальными геомагнитными возмущениями.

7. На основе анализа распределения временных интервалов между всплесками частиц и землетрясениями были определены параметры, характеризующие процессы локального возмущения РП, при которых формируются всплески высокоэнергичных электронов. Показано, что ЭМИ

захватывается в геомагнитную трубку на высотах порядка 450 км; величина области локального возмущения РП, составляет |Л£|=0.07.

Основное содержание диссертации представлено на 14 конференциях и опубликовано в 23-х научных работах.

Статьи в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК:

1. С.Ю. Александрии, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов, Р. Picozza, F. Forzan. Всплески высокоэнергичных заряженных частиц магнитосферной и сейсмической природы в околоземном космическом пространстве. «Известия Академии наук», серия физическая, т.65, N3, с.400, 2001г.

2. С.Ю. Александрии, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов,

A.M. Мурашов, П. Пикоцца, В.А. Шилов. Пространственные и временные характеристики всплесков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве. «Известия Академии наук», 2003г., т.67, N4, с.521.

3. S. Yu. Aleksandrin, A. M. Galper, L. A. Grishantzeva, S. V. Koldashov, L. V. Maslennikov, A. M. Murashov, P. Picozza, V. Sgrigna, and S. A. Voronov. High-energy charged particle bursts in the near-Earth space as earthquake precursors Annales Geophysicae 2003 21, p.597-602.

4. С.Ю. Александрии, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов, A.M. Мурашов. Корреляции всплесков высокоэнергичных заряженных частиц с геофизическими явлениями. Известия РАН. Серия физическая, 2005, том 69, №6, с.874-876

5. С.Ю. Александрии, А.В.Бакалдин, А.Г.Батищев, М.А.Бжеумихова, С.А.Воронов, А.М.Гальпер, Л.А.Гришанцева, С.В.Колдашов, П.Ю.Наумов,

B.Ю.Чесноков, Н.Д.Шаронова, В.А.Шилов. Наблюдение солнечно-магнитосферных и геофизических эффектов в потоках электронов и протонов в спутниковом эксперименте «АРИНА». Известия РАН. Серия физическая, 2009, том 73, №3, с. 379-381

Другие публикации

6. С.Ю. Александрии, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов, Р. Picozza, F. Forzan Всплески высокоэнергичных заряженных частиц магнитосферной и сейсмической природы в околоземном космическом

пространстве. 26-ая Всероссийская конференция по космическим лучам. Дубна, 2000 г.

7. S.Yu. Aleksandrm, S.V. Koldashov et.al. Origin of high-energy charged particle bursts in the near-Earth space. 27-th ICRC, Hamburg, Germany 2001, SH3.6, p. 4144

8. S.Yu. Aleksandrin, S.V. Koldashov, et al. Spatial and temporal characteristics of high-energy charged particle bursts observed in the near-Earth space. Program and abstracts of 18-th European cosmic ray Symp., Moscow, 2002, SH44p

9. С.Ю. Александрии, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов, A.M. Мурашов. Корреляции всплесков высокоэнергичных заряженных частиц с геофизическими явлениями. 28-я Всероссийская конференция по космическим лучам. Москва, 2004

10. С.Ю. Александрии, А.В.Бакаддин, А.Г.Батищев, М.А.Бжеумихова, С.А.Воронов, А.М.Гальпер, Л.А.Гришанцева, С.В.Колдашов, П.Ю.Наумов, В.Ю.Чесноков, Н.Д.Шаронова, В.А.Шилов. Наблюдение солнечно-магнитосферных и геофизических эффектов в потоках электронов и протонов в спутниковомэксперимепте «АРИНА». 30-я Всероссийская конференция по космическим лучам. Санкт-Петербург, 2008

11. С.Ю. Александрии, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, С.В. Колдашов, Всплески высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве как предвестники землетрясений. Труды 2-ой международной конференции по малым космическим аппаратам, г. Королев, Россия, 2000 г., т.З, секция 3

12. С.Ю. Александрии, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, С.В. Колдашов Всплески высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве и сейсмичность Земли. Научная сессия МИФИ-2000, Сборник научных трудов т.7 с.43

13. С.Ю. Александрии, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, С.В. Колдашов Условия регистрации всплесков высокоэнергичных заряженных частиц сейсмической природы в магнитосфере Земли. Научная сессия МИФИ-2001, Сборник научных трудов т.7, с. 45.

14. С.Ю. Александрии, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, С.В. Колдашов Пространственные и временные характеристики локальных возмущений

радиационного пояса магнитосферной и сейсмической природы. Научная сессия МИФИ-2002, Сборник научных трудов т.7, с. 43.

15. С.Ю. Александрии, А.Г. Батищев, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов, В.В. Михаилов, A.M. Мурашов, В.А. Шилов. Всплески высокоэнергичных заряженных частиц в магнитосфере Земли. Научная сессия МИФИ-2003, Сборник научных трудов т.7, с. 22.

16. С.Ю. Александрии, А.Г. Батищев, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов, A.M. Мурашов, В.А. Шилов. Всплески высокоэнергичных заряженных частиц геофизической природы в магнитосфере Земли. Научная сессия МИФИ-2004, Сборник научных трудов т.7, с. 55.

17. С.Ю. Александрии, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов. Корреляции между всплесками высокоэнергичных заряженных частиц и локальными геомагнитными возмущениями. Научная сессия МИФИ-2005, Сборник научных трудов т.7, с. 46.

18. С.Ю. Александрии, A.M. Гальпер, C.B. Колдашов Взаимосвязь всплесков высокоэнергичных электронов с грозовой активностью и локальными геомагнитными возмущениями. Научная сессия МИФИ-2006, Сборник научных трудов т.7, с. 75.

19. С.Ю. Александрии, C.B. Колдашов. Методы выделения всплесков высокоэнергичных заряженных частиц в низкоорбитальных спутниковых экспериментах. Научная сессия МИФИ-2007, Сборник научных трудов т.7, с. 69.

20. С.Ю. Александрии, A.B. Бакалдин, А.Г. Батищев, М.В. Бжеумихова, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, JI.A. Гришанцева, C.B. Колдашов, П.Ю. Наумов, В.Ю. Чесноков, Н.Д. Шаронова, В.А. Шилов. Спутниковый эксперимент «Арина» по изучению солнечно-магнитосферных и геофизических эффектов в потоках высокоэнергичных частиц в околоземном пространстве. Научная сессия МИФИ-2008, Сборник научных трудов т.9, с. 196-198.

21. С.Ю. Александрии, C.B. Колдашов. Физические процессы локальных возмущений высокоэнергичной компоненты радиационного пояса. Научная сессия МИФИ-2008, Сборник научных трудов т.9, с. 199-202.

22. С.Ю. Александрии, C.B. Колдашов. Частота появления всплесков высокоэнергичных электронов молниевой природы в магнитосфере Земли. Научная сессия МИФИ-2010, Сборник научных трудов т.2, с. 295.

23. С.Ю. Александрии, А.Г. Батшцев, М.А. Бжеумихова, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, Л.А. Гришанцева, С.В. Колдашов, П.Ю. Наумов, А.А. Улитин, Н.Д.Шаронова. Мониторинг локальных возмущений радиационного пояса по данным экспериментов «Арина» и «Всплеск». Научная сессия МИФИ-2010, Сборник научных трудов т.2, с. 293.

Список цитируемой литературы.

1. Voronov S.A., Galper A.M., Kirillov-Ugriumov V.G. et al. Registration of sporadic increase of high energy particle flux near Brasilia magnetic anomaly region. Proc. 20-th Int. Cos. Ray Conf., 1987, v.4, p.451-452

2. Galper A.M., Koldashov S.V., Voronov S.A. High Energy Particle Flux Variations as Earthquake predictors. Advance Space Research, 1995, v. 15, p.131

3. Satellite observations of lightning-induced electron precipitation. H.D.Voss, M.Walt, W.L.Imhof, J.Mobilia and U.S.lnan; Journal of Geophysical Research, V. 103,No. A6 ppl 1725-11744, June 1, 1998

4. Controlled precipitation of radiation belt electrons U. S. Inan, T. F. Bell, and J. Bortnik Journal of Geophysical Research, v. 108, No. A5, 1186, 2003

5. Алешина M.E., Александрии С.Ю., Воронов С.А., Гальпер A.M., Колдашов С.В., P. Picozza, F. Forzan. Всплески высокоэнергичных заряженных частиц магнитосферной и сейсмической природы в околоземном космическом пространстве. «Известия Академии наук», серия физическая, т.65, N3, с.400, 2001г.

6. Алешина М.Е., Воронов С.А., Гальпер A.M. и др. О взаимосвязи положений очагов землетрясений и областей высыпаний высокоэнергичных частиц под радиационным поясом. Космические исследования, 1992, т.30, с.79

7. Гальпер A.M., Колдашов С.В., Мурашов A.M. Численное моделирование физических процессов на атмосферной границе радиационного пояса. Космич. исслед. 2000. Т. 38. № 1. С. 102

8. Voronov S.A., Galper A.M., Kirillov-Ugriumov V.G. et al. Registration of sporadic increase of high energy particle flux near Brasilia magnetic anomaly region. Proc. 20-th Int. Cos. Ray Conf., 1987, v.4, p.451-452

9. http://science.nasa.gov/newhome/headlines/essd28nov97 1 .htm

10. Lorentzen K.R., Blake J.B., Inan U.S., Bortnik J. Observations of relativistic electron microbursts in association with VLF chorus Journal of Geophysical Research, V. 106,No. A4 pp6017-6027, April 1, 2001

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №03400 Тираж: 90экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

Введение.;.

1. Всплески высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве.

1.1 Механизмы формирования стационарных потоков высокоэнергичных электронов под радиационным поясом.

1.2 Структура магнитосферы и процессы, происходящие в околоземном пространстве.

1.3 Экспериментальные данные по наблюдению всплесков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве.

1.4 Физические процессы, возмущающие РП и приводящие к всплескам высокоэнергичных электронов в ОКП.

Выводы к главе 1.

2. Методы выделения всплесков частиц при обработке экспериментальных данных в спутниковых экспериментах.

2.1 Описание экспериментов по наблюдению всплесков высокоэнергичных электронов.

2.1.1 Спектрометр-телескоп «Мария-2».

2.1.2 Гамма-телескоп «Гамма-1».

2.1.3 Спектрометр РЕТ/БАМРЕХ.

2.1.4 Спектрометр «Арина».

2.2 Методы обработки и базы данных.

2.2.1 Выделение всплесков высокоэнергичных частиц.

2.2.2 Метод фоновой матрицы.

2.2.3 Влияние фоновой обстановки на эффективность метода фоновой матрицы.

2.2.4 Метод скользящего среднего.

2.2.5 Сравнение методов фоновой матрицы, скользящего среднего и разработка комбинированного метода.

Выводы к главе 2.

3. Экспериментальные данные по наблюдениям всплесков высокоэнергичных электронов.

3.1 Пространственные и временные характеристики всплесков частиц.

3.1.1 Распределение по ¿-оболочкам всплесков частиц.

3.1.2 Распределение числа всплесков частиц по длительности.

3.1.3 Географические распределения всплесков частиц.

3.2 Корреляция всплесков частиц с грозовой активностью.

3.3 Корреляция всплесков частиц с локальными геомагнитными возмущениями.

Выводы к главе 3.

4. Механизмы локальных возмущений потоков высокоэнергичных электронов в ОКП.

4.1 Механизмы возмущения РП низкочастотными электромагнитными волнами сейсмического происхождения.

4.2 Механизмы возмущения РП молниевыми разрядами.

4.3 Механизмы возмущения РП высотными электрическими разрядами

4.4 Механизмы возмущения РП во время локальных возмущений магнитного поля Земли.

Выводы к главе 4.

Многолетние спутниковые измерения потоков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве (ОКП) показали наличие всплесков частиц (резких кратковременных возрастаний потоков частиц) различной длительности и интенсивности [1,2]. Эти всплески связаны с локальными возмущениями стационарных потоков частиц при различных явлениях, как солнечно-магнитосферных, так и геофизических. Например, всплески час.тиц могут быть вызваны вспышками на Солнце, неоднородностью солнечного ветра. Обнаружена связь части всплесков частиц с такими геофизическими явлениями, как землетрясения [3]. Всплески частиц могут быть связаны также с геомагнитными пульсациями, молниевыми разрядами, деятельностью человека, например, ядерными и мощными химическими взрывами, работой мощных радаров [4].

Сейчас всё более широкое развитие получает новое направление исследований - изучение космической погоды [5-7]. Хотя магнитосфера и атмосфера Земли довольно надёжно защищает всё живое от губительного воздействия космической радиации, многие технические системы оказываются очень чувствительными к электромагнитному и корпускулярному воздействию из космоса. При сильных возмущениях магнитосферы на трубопроводах, на линиях связи и электропередач могут индуцироваться электрические токи значительной величины, что может привести к сбою, а то и к поломке оборудования. Особенно актуальна такая опасность для линий электропередач и трубопроводов на высоких широтах, где сейчас ведётся активная разведка и добыча запасов нефти и газа [8].

Огромное значение имеет изучение космической погоды и для спутников-ретрансляторов. Выход из строя систем космической связи может привести к многочисленным техническим проблемам на Земле.

Сложность выделения всплесков частиц в спутниковых экспериментах возникает из-за того, что стационарные (фоновые) потоки высокоэнергичных заряженных частиц неоднородны в ОКП, они имеют широтный и долготный ход, спутник может попадать в область радиационного пояса (РП) и его отрогов. Поток частиц, регистрируемый прибором на околоземной орбите, постоянно меняется во времени, что может имитировать всплески частиц и усложнять их выделение.

Настоящая работа посвящена разработке методов выделения локальных возмущений потоков высокоэнергичных электронов (с энергиями десятки МэВ) в ОКП, изучению пространственных и временных характеристик всплесков высокоэнергичных электронов (всплесков частиц) и определению возможных процессов, вызывающих возмущения потоков частиц в ОКП.

В первой главе даётся обзор экспериментальных данных по наблюдению потоков высокоэнергичных электронов в ОКП и описание физических процессов, определяющих эти потоки.

Во второй главе рассматриваются приборы, данные которых используются в дальнейшем для анализа: спектрометр-телескоп «Мария-2», гамма-телескоп «Гамма-1», прибор PET/SAMPEX, спектрометр «Арина», позволяющие регистрировать потоки высокоэнергичных заряженных частиц с энергиями от нескольких МэВ до нескольких десятков МэВ. Рассматриваются методы выделения всплесков частиц в спутниковых экспериментах.

Третья глава посвящена обработке данных вышеперечисленных спутниковых экспериментов и анализу физических результатов. Изучены пространственные и временные характеристики всплесков частиц. Выявлены зоны преимущественной регистрации всплесков высокоэнергичных электронов. Сезонные изменения количества всплесков частиц в зоне их повышенной регистрации показали связь основной части всплесков частиц с грозовой активностью в этой области. Изучено долготное распределение всплесков высокоэнергичных электронов, наблюдаемых одновременно с локальными геомагнитными возмущениями. Анализ этого распределение, выявил взаимосвязь таких всплесков с локальными геомагнитными возмущениями.

В четвёртой главе рассмотрены механизмы локальных возмущений электронов радиационного пояса, приводящие к появлению всплесков частиц в ОКП. Получены пространственные характеристики модели локальных возмущений потоков высокоэнергичных электронов РП электромагнитным излучением (ЭМИ).

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Научная новизна основных результатов данной работы состоит в следующем:

1. Разработан комбинированный метод для выделения всплесков высокоэнергичных электронов РП (с энергиями десятки МэВ), зарегистрированных в спутниковых экспериментах. Комбинированный метод позволяет выделять всплески частиц, как на фоне долготно-широтного хода, так и во время долговременных изменений потоков заряженных частиц в ОКП. Данный метод объединяет метод скользящего среднего и метод фоновой матрицы.

2. Впервые проведён анализ длительности всплесков высокоэнергичных электронов связанных с локальными возмущениями РП. Показано, что основная часть всплесков частиц имеет длительность порядка минуты.

3. Впервые проведён детальный анализ географических распределений частоты появления всплесков высокоэнергичных электронов. Показано наличие зон преимущественной регистрации всплесков частиц, одна из которых примыкает к Бразильской магнитной аномалии (БМА), а другая находится в районе Гималаев, где наблюдается повышенная грозовая активность.

4. Впервые проведён анализ сезонных изменений частоты регистрации всплесков высокоэнергичных электронов в зоне повышенной грозовой активности. Выявлена взаимосвязь между частотой появления всплесков частиц в этой зоне и грозовой активностью.

5. Впервые проведён анализ взаимосвязи всплесков высокоэнергичных электронов, наблюдаемых на низких широтах, и локальных возмущений геомагнитного поля, зарегистрированных наземными геофизическими обсерваториями. Выявлены всплески частиц, связанные с локальными возмущениями геомагнитного поля.

6. На основе анализа распределения временных интервалов между всплесками высокоэнергичных заряженных частиц и землетрясениями, впервые были получены пространственные характеристики модели локальных возмущений потоков высокоэнергичных электронов РП ЭМИ.

Практическая ценность работы.

Результаты данной работы позволяют получить новую информацию о взаимосвязи процессов, происходящих в литосфере, атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли. Данные о всплесках и вариациях потоков заряженных частиц могут быть полезны в разработке динамической модели космоса и РП. Результаты работы могут помочь при разработке подходов к прогнозированию землетрясений с помощью космических аппаратов (КА). Алгоритмы выделения всплесков частиц и программное обеспечение могут быть использованы при мониторинге потоков заряженных частиц в режиме реального времени на КА. В частности, программное обеспечение на основе описанного алгоритма используется при выделении всплесков электронов для эксперимента «Арина» в Научном центре оперативного мониторинга Земли.

Вклад автора.

Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его участии.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы были представлены на:

1. 26-ой Всероссийской конференции по космическим лучам. Дубна,

2000

2. 27-th International Cosmic Ray Conference, Hamburg, Germany 2001

3. Program and abstracts of 18-th European cosmic ray Symp., Moscow, 2002

4. 28-ой Всероссийской конференции по космическим лучам. Москва,

2004

5. 30-ой Всероссийской конференции по космическим лучам. Санкт-Петербург, 2008

Результаты диссертационной работы регулярно представлялись на научных сессиях МИФИ 2001-2010 года.

Публикации. По материалам диссертации были опубликованы 23 печатных научных работы, 5 - в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа, показывающие взаимосвязь всплесков высокоэнергичных электронов с локальными возмущениями геомагнитного поля, зарегистрированными наземными геофизическими обсерваториями.

2. Результаты анализа сезонных изменений географических распределений частоты появления всплесков высокоэнергичных электронов, показывающие, что часть всплесков частиц связана с возмущениями РП молниевыми разрядами.

3. Результаты анализа пространственно-временных распределений всплесков высокоэнергичных электронов, показывающие, что основная часть всплесков частиц имеет продолжительность порядка минуты. При этом около 10% возмущений потоков частиц под РП имеет длительность несколько часов и более. Распределение всплесков электронов длительностью менее 20 секунд имеет ярко выраженный максимум в районе Z—1.8, в отличие от общего распределения всплесков, максимум которого наблюдается на L~1.1-1.2.

4. Комбинированный метод выделения всплесков высокоэнергичных электронов в ОКП, основанный на использовании методов фоновой матрицы и скользящего среднего, в зависимости от условий наблюдения, позволяющий выделять всплески частиц, как на фоне долготно-широтного хода, так и во время долговременных изменений фоновых потоков заряженных частиц.

5. Пространственные характеристики модели локальных возмущений потоков высокоэнергичных электронов РП, полученные с помощью анализа распределения временных интервалов между всплесками частиц и землетрясениями.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработан и реализован комбинированный метод для выделения всплесков потоков высокоэнергичных электронов в ОКП (с энергиями десятки МэВ), в спутниковых экспериментов. Данный метод учитывает долготно-широтные эффекты и изменения потоков заряженных частиц в ОКП, связанные с солнечной активностью. Разработанный метод позволяет выделить около 75% всех регистрируемых всплесков.

2. Проведён анализ длительности локальных возмущений высокоэнергичной электронной компоненты РП по данным различных спутниковых экспериментов. Основная часть возмущений РП имеет длительность порядка 1 минуты. Показано, что около 10% возмущений имеют длительность до нескольких часов.

3. Выполнен анализ пространственных характеристик коротких всплесков частиц длительностью 5-20 секунд. Показано, что они формируются на ¿-оболочках порядка 1.8, в отличие от основной части всплесков с длительностью несколько десятков секунд, максимум которых наблюдается на ¿-оболочках порядка 1.1 -1.2.

4. Впервые проведён детальный анализ географических распределений частоты появления всплесков высокоэнергичных электронов. Показано наличие зон преимущественной регистрации всплесков частиц, одна из которых примыкает к БМА, а другая находится в районе Гималаев, где наблюдается повышенная грозовая активность.

5. Впервые проведён анализ сезонных изменений частоты регистрации всплесков высокоэнергичных электронов в зоне повышенной грозовой активности. Сезонные изменения частоты регистрации этих всплесков соответствуют сезонным изменениям грозовой активности в этом районе. Выполнена оценка количества регистрируемых всплесков частиц, которые связаны с грозовой активностью. Показано, что их число составляет -30-40 всплесков частиц за год, что согласуется с экспериментальными данными.

6. Выполнен анализ взаимосвязи всплесков высокоэнергичных электронов и локальных геомагнитных возмущений. Показано, что часть всплесков частиц связана с локальными геомагнитными возмущениями.

7. На основе анализа распределения временных интервалов между всплесками частиц и землетрясениями были определены параметры, характеризующие процессы локального возмущения РП, при которых формируются всплески высокоэнергичных электронов. Показано, что ЭМИ захватывается в геомагнитную трубку на высотах порядка 450 км; величина области локального возмущения РП, составляет |AL|~0.07.

Автор искренне благодарит своего научного руководителя, к.ф.-м.н. C.B. Колдашова, за неоценимую помощь и постоянное внимание в работе, а также заслуженного деятеля науки Российской федерации проф., д.ф.-м.н. A.M. Гальпера. Автор выражает свою признательность всем своим коллегам по Институту Космофизики НИЯУ МИФИ за непрерывную поддержку и советы в оформлении диссертации, особенно к.ф.-м.н. JI.A. Гришанцевой, а также Александриной Т.С. и к.ф.-м.н. Ратниковой Т.А.

5. Заключение

1. Voronov S.A., Galper A.M., Kirillov-Ugriumov V.G. et al. Registration of sporadic increase of high energy particle flux near Brasilia magnetic anomaly region. Proc. 20-th 1.t. Cos. Ray Conf., 1987, v.4, p.451-452

2. Воронов C.A., Гальпер A.M., Кириллов-Угрюмов В.Г. и др Регистрация возрастания потоков высокоэнергичных частиц в районе БМА 10 сентября 1985 года.//Космические исследования, 19.89. Т. 27. С. 629-631.

3. Galper A.M., Koldashov S.V., Voronov S.A. High Energy Particle Flux Variations as Earthquake predictors. Advance Space Research, 1995, v.15, p.131

4. Controlled precipitation of radiation belt electrons U. S. Inan, T. F. Bell, and J. Bortnik Journal of Geophysical Research, v. 108, No. A5, 1186, 2003.

5. Space Weather, Ed. by Paul Song, Howard J. Singer, and George L. Siscoe, Geophysical Monograph Series 125. 2001.

6. Hapgood, M. The science of space weather. Annales Geophysicae v.20, №7, p. 875-877

7. U.S. Inan Space Weather Studies: Continuous Monitoring of Intense Subauroral Relativistic Electron Precipitation and its Effects on the Ionosphere and Mesosphere, http ://nova. Stanford. edu/~vlf/spaceweather/spaceweather. htm

8. А.Петрукович, Л.Зелёный У природы есть и космическая погода. Наука и жизнь №10, 2001.

9. Григоров H.JL, Журавлев Д.А., Кондратьева М.А. и др. Изв. АН СССР, сер. физ., 28, 2035, 1964.

10. Григоров H.JI. О возможности существования радиационного пояса Земли из электронов с энергиями 100 МэВ и выше. Доклады АН СССР, т. 234, стр. 810, 1977

11. Н.Воронов С.А., Гальпер A.M., Колдашов С.В., МихаиловВ.В. Энергетические распределения электронов и позитронов в ближайшем космическом пространстве. Изв. РАН, сер.физ. 1993, т.57, №7, с.93.

12. Воронов С.А., Гальпер A.M., Колдашов С.В, Масленников Л.В., Михайлов В.В., Попов А.В., «Пространственные распределения электронов и позитронов высоких энергий под радиационным поясом Земли», Космические исследования, стр. 140, 1992.

13. Koldashov, S. V., V. V. Mikhailov, and S. A. Voronov (1995), Electron and positron albedo spectra with energy more than 10 MeV, ICRC 24th, Rome 1995, 4, p. 993.

14. E. Fiandrini, G. Esposito, B. Berlucci, et al. Leptons with E>200 MeV trapped in the Earth's radiation belt, Journal of Geophysical Research, vol. 107, Nr. A6, p. 1067, 2002.

15. Л.Лайонс, Д.Уильямс Физика магнитосферы. Количественный подход М., «Мир» 1987.16. http://astronomus.ru/solar/eartli/magnitearth.html

16. Ван-Аллен Дж.А., О радиационной опасности при космических полетах. УФЫ, Т. 70, вып. 4, 1960

17. В.Хесс Радиационный пояс и магнитосфера. М., Атомиздат 1972.

18. Альфвен X. Космическая электродинамика. Перев. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1952

19. Mcllwain С.Е. Coordinate for mapping the distribution of magnetically trapped particles Journal of Geophysical Research, 66 3681-3691, 1961

20. Baker, D. N., R. C. Anderson, R. D. Zwickl, and J. A. Slavin, Average plasma and magnetic field variations in the distant magnetotail associated with near-Earth substorm effects, Journal of Geophysical Research, 92, 71, 1987.

21. Гальпер A.M., Дмитренко B.B., Никитина H.B. и др. Взаимосвязь потоков высокоэнергичных заряженных частиц в радиационном поясе с сейсмичностью Земли. Космические исследования 1989, т.27, N 5, стр. 789-792.

22. Гальпер A.M. Радиационный пояс Земли, СОЖ, №6, с.75-81, 1999

23. Li, X., Baker, D. N., Temerin, M., Larson, D., Lin, R. P., Reeves, G. D., Looper, M. D., Kanekal, S. G. and Mewaldt, R. A.: 1997, 'Are Energetic Electrons in the Solar Wind the Source of the Outer Radiation Belt?' Geophys. Res. Lett. 24, 923.

24. Гальпер A.M., Грачёв B.M., Дмитриенко B.B. и др. Письма в ЖЭТФ. 1983, Т.38 С.409

25. Galper A.M., Koldashov S.V., Mikhailov V.V. et al. Energy spectrum and charge composition of a new, long-lived, unstable electron radiation belt. Journal of Geophysical Research, 1999, v.104, No. A12, p. 28685.

26. Воронов C.A., Гальпер A.M., Колдашов C.B., Масленников JI.B., Михаилов В.В., Попов А.В. Энергетические спектры электронов и позитронов высоких энергий под радиационным поясом Земли. Известия АН СССР, сер.физ. 1991, т.55 №5, с.53.

27. Carlson, C.W. et al.: 1998, 'FAST Observations in the Downward Auroral Current Region: Energetic up Going Electron Beams, Parallel Potential Drops, and Ion Heating', Geophys. Res. Lett. 25, 2017.

28. Voronov, S.A., S.V. Koldashov, and V.V. Mikhailov, Nature of the electrons of the radiation belt of the Earth, 24-th Int. Cosmic Ray Conf., 1995, v.4, p.989.

29. Воронов C.A., Колдашов C.B., Михаилов B.B. Спектры электронов и позитронов альбедо с энергией более 20 МэВ. Космические исследования, 1995, т.ЗЗ, №3, с.300.

30. Vampola, A. L., J. V. Osborne, and В. М. Johnson. CRRES magnetic electron spectrometer AFGL-701-5A (MEA). J. Spacecr. Rockets, 29, 592-594, 1992.

31. Blake, J.B., CRESS records creation of new radiation belt, Solar Terr. Energy Program STEP Bull. 2(8), pp.1-5, SCOSTEP and NASA's NSSDC WDC-A-R&S, Greenbelt, Md., 1992.

32. Blake, J.B., W.A. Kolasinski, R.W. Fillius, and E.G. Mullen, Injection of electrons and protons with energies of tens of MeV into L<3 on March 24, 1991, Geophys. Res. Lett., 19, 821-824, 1992

33. Galper A.M., IColdashov S.V., Mikhailov V.V. et al. Energy spectrum and charge composition of a new, long-lived, unstable electron radiation belt. Journal of Geophysical Research, 1999, v.104, No. A12, p. 28685.

34. Гальпер A.M., Колдашов C.B., Мурашов A.M. Численное моделирование физических процессов на атмосферной границе радиационного пояса. Космич. исслед. 2000. Т. 38. № 1. С. 102

35. Hess, W.N., The effect of high altitude explosions. Goddard Space Flight, Center Greenbelt, Md. NASA, Washington,D.C. 1964.

36. Van Allen, J. A., Mcllwain, С. E., and Ludwig, G. H., "Satellite Observations of Electrons Artificially Injected into the Geomagnetic Field," J. Geophys. Res. 64(8):877-891, August 1959.38. http://www.spacenews.ru/live/avzh.asp

37. Modeling energetic electron precipitation near the South Atlantic anomaly B.Abel, R.M.Thome, Journal of Geophysical Research, V.104, №A4 p.7037-7044, Apr. 1999

38. Schulz, M., and L.J.Lanzerotti Particle Diffusion in the Radiation Belts, 215 pp., Springer-Verlag, New-York,1974

39. Вернов C.H., Чудаков A.E. Исследования космических лучей и земного корпускулярного излучения при полетах ракет и спутников. УФН, Т. 70, вып. 4, 1960

40. Гальпер A.M., Грачев В.М., Дмитренко В.В. и др. Измерения электронов высоких энергий в радиационном поясе на ИСЗ "Болгария1300". Космические исследования, 1983. Т. 21. С. 707.

41. Воронов С.А., Гальпер A.M., Колдашов С.В. и др. Магнитный спектрометр заряженных частиц «Мария-2», ПТЭ, 1991. N2. С.59.

42. Cook, W.R., A.C. Cummings et al.// IEEE Trans. Geosciencies and Remote Sensing, 1993. Y. 31. P. 535.47. http://lepsam.gsfc.nasa.gov/www/sampex.html48. http://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/spacecraft: data/sampex/

43. V.P. Pustovetov, A.B. Malyshev. Spatial-temporal correlation of the earthquakes and variations of high-energy particle flux in the inner radiation belt. Cosmic Research, V.31, n.5, p.84, 1993.

44. S.Yu. Aleksandrin, S.V. Koldashov, et al. High-energy charged particle bursts in the near-Earth space as earthquake precursors Annales Geophysicae,2003, 21, p.597.53. http://demeter.cnrs-orleans.fr/dmt/index.html

45. Bortnik, J., U. S. Inan, and T. F. Bell (2006), Temporal signatures of radiation belt electron precipitation induced by lightning-generated MR whistler waves: 1. Methodology, Journal of Geophysical Research, vol.111, 2006.

46. Бакалдин А.В. и др. Экспериментальная аппаратура для регистрации всплесков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве. Известия РАН, Серия физическая Т.69 №6 с.918, 2005.

47. Satellite observations of lightning-induced electron precipitation. H.D.Voss, M.Walt, W.L.Imhof, J.Mobilia and U.S.Inan; Journal of Geophysical Research, V. 103, No. A6 ppl 1725-11744, June 1, 1998

48. Dungey J.W. Loss of Van Allen electrons due to whistlers? Planet. Space Sci. 11,591, 1963

49. Cornwall J.M. Scattering of energetic trapped electrons by very-low-frequency waves, Journal of Geophysical Research, 69, 1251, 1964

50. Основные характеристики телескопа «Гамма-1» при регистрации электронов. В.Г. Зверев, В.М. Земсков, Ю.В. Озеров, А.В. Попов, И.Н. Радин, М.А. Русакович, М.Н. Соболева, В.Ю. Чесноков Препринт/МИФИ 021-93, Москва 1993

51. Althouse W. E., A. C. Cummings, T. L. Garrard, R. A. Mewaldt, E. C. Stone, and R. E. Vogt, "A Cosmic Ray Isotope Spectrometer", Geoscience Electronics, vol. 16, pp. 204-207, 1978

52. Юл, Кендалл, Теория статистики . М.: Госстатиздат,1960

53. Ю.Н.Тюрин, А.А.Макаров Анализ данных на компьютере, ИНФРА-М Москва 2003г.

54. Кэндл М. Стьюарт Многомерный статистический анализ и временные ряды М.: Наука, 1976 736 с.

55. Э.М.Базелян, Ю.П.Райзер, Физика молнии и молниезащиты, М.:Физматлит, 2001

56. Thompson, D. J., D. L. Bertsch, D. J. Morris, and R. Mukherjee. "Energetic gamma ray experiment telescope high-energy gamma ray observations of the Moon and quiet Sun." Journal of Geophysical Research A7 102 (1997): pp.l 4730-4740

57. Александрии С.Ю., Батищев А.Г., Гальпер A.M., Колдашов C.B., Михаилов В.В., Мурашов A.M., Шилов В.А. Всплески высокоэнергичных частиц в магнитосфере Земли. Научная сессия МИФИ-2003, Сб. трудов, Т.7, с.16.

58. Гальпер A.M., Колдашов С.В., Мурашов A.M. Моделирование квазипериодических пульсаций электронов в околоземном космическом пространстве. Научн. Сессия МИФИ -99. 1999. Сб. научных трудов, т.4, с. 56.

59. Ларкина В.И., Наливайко А.В., Гершензон Н.И. и др. Наблюдения на спутнике «Интеркосомос 19» ОНЧ излучений, связанных с сейсмической активностью // Геомагнетизм и аэрономия. 1983. Т. 23, № 5. С. 842-845.

60. Мигулин В.В., Ларкина В.И., Молчанов О.А. и др. Обнаружение эффектов воздействия землетрясений на ОНЧ-КНЧ шумы во внешней ионосфере // Препринт № 25 (390). -М.:ИЗМИРАН. 1982. 28 с.

61. WDC-C1 for geomagnetism in Copenhagen ftp://ftp.dmi.dk/pub/wdccl/obsdata

62. Алёшина M.E., Воронов С.А., Гальпер A.M. и др. О взаимосвязи положений очагов землетрясений и областей высыпаний высокоэнергичных частиц под радиационным поясом. Космические исследования, 1992, т.ЗО, с.79

63. А. Молчанов, О.А. Мажаева, M.JI. Протопопов. Наблюдение электромагнитных ОНЧ-излучений сейсмогенного происхождения на ИСЗ "Интеркосмос-247/ Геомагнитизм и аэронавтика, 1992. Т. 32. №.3. с. 128-137.

64. Cornwall J.M. Cyclotron instabilities and electromagnetic emissions in the ultra low frequency and very low frequency ranges, Journal of Geophysical Research, 70,61, 1965.

65. Kennel C.F., Petscher H.E. Limit on stably trapped particle fluxes, Journal of Geophysical Research, 71, 1, 1966.

66. Chang, C.H., and U.S. Inan Lightning-induced electron-precipitation from the magnetosphere, Journal of Geophysical Research, 90, 1531, 1985

67. Lorentzen K.R., Blake J.B., Inan U.S., Bortnik J. Observations of relativistic electron microbursts in association with. VLF chorus Journal of Geophysical Research, V. 106,No. A4 pp6017-6027, April 1, 2001(504.pdf).

68. Ristic-Djurovic J.L. Bell T.F. Inan U.S. Precipitation of radiation belt electrons by magnetospherically reflected whistlers, Journal of Geophysical Research, V. 103,No. A5 pp9249-9260, May 1, 1998 (462.pdf).

69. В. В. Сурков Электромагнитные эффекты при землетрясениях и взрывах Научное издание. М.: МИФИ, 2000, 448 с.

70. Блиох П.В., Николаенко А.П., Филиппов Ю.Ф. Глобальные электромагнитные резонансы в полости земля-ионосфера // Киев: Наукова думка. 1977, 200 с.

71. Uman, М.А. Lightning, Dover Publications, Inc., New York, 1984.

72. Руленко О.П. Электризации вулканических облаков. Вулканология и сейсмология. 1985. №2.

73. Galperin Yu., Hayakawa M. On the magnetospheric effects of experimental ground explosions observed from AUREOL-3 // J. Geomagn. Geoelectr. 1996. Vol. 48. P. 1241-1263.

74. Гершман Б.Н., Ерухимов, JI.M., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. М.:Наука. 1984, 392 с.

75. Thorne R.M. and R.B.Home, Landau damping of magnetospherically reflected whistlers, Journal of Geophysical Research, 99, 17249,1994

76. R. C. Franz, R. J. Nemzek, J. R.Winckler, Science 249,48 (1990). R. C. Franz, R. J. Nemzek, and J. R. Winckler, "Television Image of a Large Upward Electrical Discharge Above a Thunderstorm System," Science 249, 48-50, 1990.

77. Boeck, W. L., О. H. Vaughan, R. J. Blakeslee, B. Vonnegut, M. Brook, and J. McKune, Observations of lightning in the stratosphere, Journal of Geophysical Research, 100, 1465-1475, 1995

78. Vaughan, O.H., Jr., R.J. Blakeslee, W.L. Boeck, B. Vonnegut, M. Brook, and J. McKune, Jr., A cloud to space lightning as recorded by the space shuttle payload bay TV cameras, Mon. Weath. Rev., 120, 1459-1461, 1992.

79. M. Sato , Y. Takizawa , Y. Kawasaki , M. Bertaina , T. Ebisuzaki , Y.-H. Takahashi, D. Lebrun and EUSO collaboration, Continuous Measurements of Upper Atmospheric Lightning Discharges by EUSO, 29th ICRC (2005) 8, 201-204

80. Lehtinen, N. G., M. Walt, U. S. Inan, T. F. Bell, and V. P. Pasko, Gamma-ray emission produced by a relativistic beam of runaway electrons accelerated byquasi-electrostatic thundercloud fields, Geophys. Res. Lett., 23, (19), 2645-2648,

81. Гальпер A.M., Колдашов C.B. Пучки высокоэнергичных электронов атмосферного происхождения в магнитосфере Земли, Космические исследования, 2007, т.45 №4, с. 1-3

82. Lehtinen N.G., Inan U.S.,Bell T.F. Trapped energetic electron curtains produced by thunderstorm driven relativistic runaway electrons // Geophys . Res . Lett. 2000. V . 27. P . 1095.

83. У.Паркинсон Введение в геомагнетизм. Мир 19861996.