Динамика потоков протонов с энергией десятки кэВ – несколько

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. М.В. ЛОМОНОСОВА
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ
ФИЗИКИ им Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА
на правах рукописи
ПЕТРОВ Алексей Николаевич
Динамика потоков протонов с энергией десятки кэВ –
несколько МэВ вблизи геомагнитного экватора
01.04.08 – физика плазмы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва
2006
Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики
им. Д.В. Скобельцына Московского Государственного Университета им.
М.В. Ломоносова
Научные руководители:
Панасюк Михаил Игоревич
доктор физико-математических наук, профессор
НИИЯФ МГУ
Григорян Олег Рубенович
кандидат физико-математических наук
НИИЯФ МГУ
Официальные оппоненты:
Кропоткин Алексей Петрович
доктор физико-математических наук
НИИЯФ МГУ
Гинзбург Евгений Абрамович
кандидат физико-математических наук
Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К.Федорова
Ведущая организация:
Московский инженерно-физический институт
(Технический университет)
Защита состоится 18 мая 2006 года в 15:00 на заседании диссертационного
совета К 501.001.03 в Московском государственном университете им. М.В.
Ломоносова по адресу 119992, г. Москва, Ленинские Горы, НИИЯФ МГУ,
корп. 19, ауд. 2-15.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Научно-исследовательского института ядерной физики
им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан 18 апреля 2006 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат физико-математических наук
2
А.К. Манагадзе
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Исследование потоков заряженных частиц в глубине магнитосферы
(L<1.15) позволяет решать ряд фундаментальных задач, связанных с
процессами, происходящими на границе зоны устойчивого захвата радиации,
происхождением, захватом и ускорением частиц, их переносом вглубь
магнитосферы. Общепринятая в настоящее время модель захваченной
радиации AP8 учитывает потоки протонов с энергий до нескольких МэВ
только на L>1.15.
Для построения модели распределения потоков радиации во всем
интервале значений L-параметра необходимо знание распределения потоков
протонов с энергией в десятки кэВ – несколько МэВ в приэкваториальной
области (L<1.15). Для этого необходимо знать, как меняются потоки
протонов с изменением уровня геомагнитной активности, необходимо
выяснить особенности распределения потоков протонов в зависимости от
местного времени, L, В, долготы и других параметров. Эти данные могут
быть использованы для оценки поверхностной дозы радиации, которую
получают космические аппараты при длительном полете.
Актуальность задачи связана также с тем, что в результате ранних
экспериментов, выполненных в приэкваториальной области на L<1.15, были
получены противоречивые результаты. Согласно одним из них, потоки
протонов с указанной энергией уменьшаются с ростом геомагнитной
активности,
согласно
другим
–
увеличиваются,
что
противоречит
общепринятой гипотезе о том, что протоны поступают в приэкваториальную
область из радиационного пояса и кольцевого тока в результате процесса
двойной перезарядки. Не была объяснена обнаруженная в некоторых
экспериментах зависимость потока от местного геомагнитного времени,
существовала неоднозначность в показателе спектра приэкваториальных
3
протонов. Проведенные ранее эксперименты позволили получить данные о
потоках протонов в области L<1.15 лишь в узких интервалах высот,
отсутствовала полная картина распределения потоков протонов по высотам.
Полученная в последние годы экспериментальная информация с ИСЗ
«Интеркосмос-24», «Университетский - Татьяна», орбитального комплекса
«МИР» (НИИЯФ МГУ), а также с ИСЗ «NOAA TIROS-N», «NOAA POES17», «SAMPEX» позволила провести исследование указанных особенностей
распределения потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких
МэВ
на
L<1.15.
Объем
этих
данных
позволил
впервые
провести
исследование с высокой статистической точностью для всего интервала
высот, где наблюдаются возрастания потока протонов в приэкваториальной
области (до 1300 км).
Цель работы
Целью данной работы является изучение характеристик потоков протонов (с
энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ) на высотах до 1300 км в
области геомагнитного экватора (L<1.15)
Научная новизна и значимость работы
1. Научная значимость работы. Получена исчерпывающая информация о
распределении потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до
нескольких МэВ под радиационными поясами в области геомагнитного
экватора (L<1.15) в диапазоне высот 200-1300 км.
2. Новизна работы. Между внутренним радиационным поясом и верхней
кромкой атмосферы в высотном интервале 200-1300 км регулярно
наблюдаются возрастания потоков протонов с энергиями от десятков кэВ
до нескольких МэВ. Показано, что энергетический спектр протонов в
приэкваториальной
области
может
4
быть
аппроксимирован
каппа-
функцией.
В
зависимости
потока
протонов
от
L
обнаружено
существование двух максимумов для высокоэнергичных частиц (Е>100
кэВ) и одного максимума для низкоэнергичных (Е<100 кэВ).
Практическая ценность работы
Результаты могут быть использованы для уточнения существующих моделей
распределения радиации в зоне захвата. Данные о распределении потоков
протонов под радиационными поясами позволяют получать информацию о
распределении потоков протонов в максимуме радиационного пояса и
кольцевого тока (L~3-6).
На защиту выносятся результаты:
• измерения
энергетического
спектра
протонов
на
L<1.15
и
вид
аппроксимации спектра,
• анализа зависимости потока протонов от высоты,
• анализа зависимости потока протонов от уровня геомагнитной активности,
• анализа зависимости потока протонов от местного геомагнитного времени,
• анализа зависимости потока протонов от L,B,
• анализа долготной зависимости.
Вклад автора
Автором было проведено всестороннее исследование характеристик
потока протонов вблизи геомагнитного экватора на L<1.15. Им были созданы
программы для обработки данных, полученных в экспериментах на борту
ИСЗ «Интеркосмос-24», «Университетский - Татьяна », ОК «МИР» и ИСЗ
«NOAA TIROS-N», «NOAA POES-17», «SAMPEX», и проанализированы
результаты
экспериментов.
Для
исследования
привлекались
данные,
полученные на борту ИСЗ «Космос-378», «Коронас-И», «Космос-484», «Esro5
4», «S81-1», «OHZORA», «Azur», «OVI-17», «OVI-19». Автор получил
зависимость
потока
от
уровня
геомагнитной
активности,
построил
зависимости потока от местного геомагнитного времени, питч-угловые
распределения, энергетический спектр, высотный ход потоков протонов,
провел расчет характерного времени существования приэкваториальных
протонов вблизи Земли.
Апробация работы
Материалы
диссертации
докладывались
и
обсуждались
на
научных
семинарах НИИЯФ МГУ им. Д.В. Скобельцына, Московского инженернофизического института, Института прикладной геофизики им. акад.
Е.К. Федорова, Центра космических исследований Польской академии наук,
Института экспериментальной физики Словацкой академии наук, а также на
конференциях:
1. COSPAR-ESA
Colloquium
"Acceleration
and
Heating
in
the
Magnetosphere", Konstancin Jeziorna, Poland, February 6-10, 2001.
2. The world space congress-COSPAR. Huston, USA, 10-19 October 2002
3. Международная научная конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых «Ломоносов-2002», Москва, 9-12 апреля 2002.
4. Международная научная конференция студентов, аспирантов и
молодых ученых «Ломоносов-2003, Москва, 15-16 апреля 2003.
5. Week of Doctoral Students, Prague, 11th - 14th June.2002.
6. International conference PLASMA 2003 Research and Applications of
Plasmas, Warsaw, Poland, September 9-12.
7. 3rd Workshop "Significant results in COST271 Action", 23 - 25 September
2003.
8. ESA Space Weather Workshop: Developing European Space Weather
Service Network ESTEC, Noordwijk, November 3-5, 2003.
6
9. Week of Doctoral Students, Prague, 6th - 10th June.2005.
10. Шестая
международная
научно-практическая
конференция
«Пилотируемые полеты в космос», Звездный городок, 10-11 ноября
2005 г.
Структура диссертации
Диссертация изложена на 113 страницах, включает в себя 70
иллюстраций, 11 таблиц; состоит из введения, трех глав, заключения и
списка литературы из 87 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется
основная цель, новизна исследования, раскрывается практическая и научная
значимость работы, перечисляются положения, выносимые на защиту.
В первой главе приводится обзор экспериментальных данных,
полученных при исследовании распределения потоков протонов в кольцевом
токе
и
радиационном
поясе.
Приведены
основные
характеристики
кольцевого тока: основная часть (~90%) протонов кольцевого тока имеют
энергии от 15 кэВ до 250 кэВ, средняя энергия протонов кольцевого тока
~100 кэВ; основными источниками протонов в кольцевом токе являются
ионосфера и солнечный ветер; динамика кольцевого тока: в начальной
стадии развития бури существует зависимость потока протонов от местного
времени;
основные
механизмы
потерь
протонов
кольцевого
тока:
перезарядка на нейтральных атомах водорода плазмосферы, кулоновские
ионизационные потери; энергетический спектр протонов кольцевого тока во
время геомагнитных возмущений имеет вид каппа-функции с показателем
k~4.7; форма питч-углового распределения: показатель анизотропии питчуглового распределения q~5-7.
7
Во второй главе приведены основные характеристики экспериментов
по регистрации потоков протонов в диапазоне энергии от десятков кэВ до
нескольких
МэВ
на
L<1.15
на
борту
ИСЗ
«Интеркосмос-24»,
«Университетский - Татьяна», и орбитального комплекса «МИР», ИСЗ
«NOAA TIROS-N», «NOAA POES-17», «SAMPEX».
Проанализирован большой объем экспериментальных данных за период
с 1978 по 2005 год. Построены географические карты распределения потоков
протонов. Показано, что между внутренним радиационным поясом и верхней
кромкой атмосферы в высотном интервале от 200 до 1300 км наблюдаются
возрастания потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких
МэВ.
Рассмотрены результаты исследования зависимости потока от L,B.
Показано, что: возрастания потока протонов с энергией в десятки-сотни кэВ
наблюдаются вблизи Земли на L<1.15 и B<0.25 нТ; для протонов с Ep<100
кэВ характерно существование одного максимума на L≲1.03, для протонов с
Ep>100 кэВ - двух максимумов на L≲1.03 и L~1.06-1.10.
Исследована зависимость потока протонов от географической долготы,
показано, что:
• на
долготах,
соответствующих
положению
Южно-Атлантической
Аномалии, существует минимум в интенсивности потока,
• минимум потока в этой области наблюдается в диапазоне энергий от 30 до
2500 кэВ,
• потоки протонов с энергиями ≲100 кэВ к востоку от ЮАА больше чем с
западной стороны, в отличие от более энергичных протонов, для которых
величины потоков к востоку и к западу от ЮАА не различаются,
8
• протоны в приэкваториальной области являются квазизахваченными
частицами.
Потоки протонов с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ,
наблюдаемые в приэкваториальной области на малых высотах, показывают
связь с потоками протонов кольцевого тока и радиационного пояса:
• потоки протонов растут во время геомагнитных возмущений как во время
отдельных бурь так и в среднем при сравнении усредненного потока с
индексами геомагнитной активности Dst, Kp,
• наиболее отчетливо возрастания проявляются для протонов с энергией до
100 кэВ, источником которых, по-видимому, является кольцевой ток,
• потоки протонов, наблюдаемых в приэкваториальной области на малых
высотах, отражают поведение протонов кольцевого тока. Одним из
следствий этого является зависимость потока протонов от местного
геомагнитного времени,
• максимум потока протонов чаще всего наблюдается в ночном и вечернем
секторах местного геомагнитного времени.
По данным экспериментов на ИСЗ «Интеркосмос-24», «SAMPEX»,
«NOAA TIROS-N», «OV1-17», «OHZORA», «AZUR», «Phoenix-1» и ОК
«МИР»
построен
энергетический
спектр
(рис
1).
Показано,
что
аппроксимация спектра каппа-функцией
⎡
E ⎤
f ( E ) = A⎢1 +
⎥
⎣ kE0 ⎦
по
сравнению
со
степенной,
− k −1
экспоненциальной
аппроксимацией
и
аппроксимацией при использовании функции распределения Максвелла
лучше всего описывает экспериментальный спектр. Получено, что в
спокойных геомагнитных условиях E0=30±16, k=2.3±0.6. В возмущенных
условиях E0=22±10, k=3.2±0.5.
9
Для протонов с энергией от 10 кэВ до 10 МэВ для высот ~500 км на
L<1.15 проведены оценки характерных времен ларморовского вращения,
колебательного движения и азимутального дрейфа. Проведено сравнение
времени азимутального дрейфа со временем жизни протона относительно
процесса перезарядки на нейтральных атомах кислорода верхней атмосферы
и процесса кулоновского рассеяния.
Рис. 1. Энергетический спектр протонов на L<1.15 по данным нескольких экспериментов.
Приведена аппроксимация каппа-функцией спектров, зарегистрированных в спокойное
время (Q) и во время геомагнитных возмущений (D).
10
Показано,
что
при
энергии
≲100
кэВ
основным
механизмом,
определяющим потери протонов, является перезарядка, а при больших
энергиях – ионизационные потери.
В третьей главе рассмотрены возможные механизмы заброса протонов
кольцевого тока в приэкваториальную область на L<1.15:
• радиальная диффузия протонов радиационного пояса/кольцевого тока в
приэкваториальную область,
• локальное
ускорение
частиц
плазмы
до
больших
энергий
в
квазистационарном электрическом поле и рассеяние частиц в присутствии
электромагнитных полей,
• двойная перезарядка протонов кольцевого тока/радиационного пояса на
нейтральных атомах водорода и кислорода верхней атмосферы.
Показано, что основным механизмом является механизм двойной
перезарядки
протонов
кольцевого
тока
и
радиационного
пояса
на
нейтральных атомах водорода, механизм объясняет основные особенности
распределения протонов в приэкваториальной области.
Сравнение
геомагнитного
особенностей
экватора
распределения
(L<1.15)
и
в
потоков
области
протонов
кольцевого
вблизи
тока
и
радиационного пояса позволяет сделать вывод о связи потоков протонов в
этих двух зонах. Результаты сопоставления приведены в Таблице.
11
Таблица
Приэкваториальная зона
Кольцевой ток
Во время возмущений возрастают Во
время
возмущений
резко
потоки протонов с энергией Ep<100 возрастает поток протонов с энергией
кэВ. Потоки протонов c Ep>100 кэВ 1-100 кэВ. Потоки более энергичных
практически не меняются
протонов меняются незначительно
Максимум потока достигается в Максимум потока достигается в
максимуме геомагнитной активности максимуме геомагнитной активности
По
мере
уменьшения
уровня По
мере
уменьшения
уровня
геомагнитной
активности
поток геомагнитной
активности
поток
спадает
спадает
Питч-угловое распределение имеет Питч-угловое распределение имеет
максимум вблизи 90º
максимум вблизи 90º
Показатель
питч-углового Показатель
питч-углового
распределения равен 6-9 (*)
распределения равен 5-7 (*)
(*) Показатель питч-углового распределения протонов на L<1.15 больше
чем у протонов кольцевого тока из-за сильных потерь в атмосфере и
увеличения конуса потерь.
Максимум потока наблюдается в Заброс частиц в зону захвата
ночные и вечерние часы
происходит
в
узкой
области
(∆MLT~2) в околополуночной зоне.
После чего протоны дрейфуют через
вечернюю область на дневную.
Спектр аппроксимируется каппа- Спектр аппроксимируется каппафункцией, коэффициент корреляции функцией.
составляет 0.89.
Показатель каппа-функции k~2.3 в Показатель каппа-функции k ~ 4 – 7
спокойных условиях и k~3.2 - в (**)
возмущенных (**)
(**) Приэкваториальный спектр протонов жестче спектра протонов
кольцевого тока из-за сильных потерь на перезарядку для низкоэнергичных
частиц.
Спектр имеет монотонную структуру Спектр имеет провал при E~20-100
как в спокойных условиях, так и во кэВ в спокойных условиях, который
время возмущений
«заполняется» во время возмущений.
Таким образом показано, что приэкваториальное протонное образование
вблизи Земли является, в значительной степени,
тока.
12
отражением кольцевого
В заключении приведены основные результаты работы:
9 Между внутренним радиационным поясом и верхней кромкой
атмосферы в высотном интервале от 200 до 1300 км наблюдаются
возрастания потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до
нескольких МэВ.
9 Спектр протонов имеет вид каппа-функции.
⎛
E ⎞
⎟⎟
f ( E ) = A⎜⎜1 +
kE
0 ⎠
⎝
− k −1
В спокойных условиях E0=30±16, k=2.3±0.6. В возмущенных
E0=22±10, k=3.2±0.5.
9 Во время геомагнитных возмущений потоки протонов с энергиями
до 100 кэВ возрастают, тогда как потоки более энергичных
протонов практически не изменяются.
9 Потоки протонов регистрируются, в основном, в вечерние и
ночные часы местного геомагнитного времени.
9 Для протонов
с Ep<100 кэВ характерно существование одного
максимума на L≲1.03, для протонов с Ep>100 кэВ - двух
максимумов на L≲1.03 и L~1.06-1.10.
13
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 18 публикациях (из них 7 статьи в журналах).
[1] Грачев Е.А., Григорян О.Р., Кудела К., Петров А.Н., Шевелева В.Н., Высотное
распределение потоков электронов с энергией >40 кэВ на средних широтах, Тезисы
второй украинской конференции по перспективным космическим исследованиям, 35,
2002.
[2] Грачев Е.А., Григорян О.Р., Кудела К., Петров А.Н., Шевелева В.Н., Высотное
распределение потоков электронов с энергией >40 кэВ на средних широтах,
Космiчна наука i технологiя. Приложение, Т9. №2. 55-64, 2003.
[3] Петров А.Н., Спектральные характеристики приэкваториальных (L<1,15) протонов на
разных высотах, Тезисы международной конференции студентов и аспирантов по
фундаментальным наукам "Ломоносов-2002", 226-228, 2002.
[4] Шевелева В.Н., Петров А.Н., Потоки электронов под радиационными поясами земли
на низких и средних широтах, Тезисы международной конференции студентов и
аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2003", 12, 2003.
[5] Grachev E., Grigoryan O., Klimov S., Kudela K., Petrov A., Shuiskaya F., Stetiarova J., Low
energy protons on L<1.15 on different altitudes >400 km, COSPAR-ESA Colloquium
"Acceleration and Heating in the Magnetosphere", Poland, 31, 2001.
[6] Grachev E., Grigoryan O., Klimov S., Kudela K., Petrov A., Sheveleva V., Shuiskaya F.,
Stetiarova J., Analysis of altitude distribution of electron fluxes at L=1.2-1.9, The world
space congress-COSPAR. Huston, USA, 10-19 October 2002. A-00758, 2002.
[7] Grachev E., Grigoryan O., Juchniewicz J., Klimov S., Kudela K., Petrov A., Stetiarova J.,
Low energy protons on L<1.15 in 500 - 1500 km range, Adv. Space Res., 30, 7, 18411845, 2002.
[8] Grigoryan O., Petrov A., Kudela K., Near-equatorial protons: the local time dependence,
WDS'02 Proceedings of Contribution Papers: Part II - Physics of Plasmas and Ionized
Media, ed. by J. Safrankova, Praha, Matfyspress, p. 263-268, 2002.
[9] Grigoryan O., Kudela K., Panasyuk M., Petrov A., Rothkaehl H., Sheveleva V., Klos Z.,
Zbyszynski Z., High energy particles and waves in low and middle latitudes region
according different satellite experimental data, International conference PLASMA 2003
14
Research and Applications of Plasmas, Warsaw, Poland, September 9-12, Book of
Abstracts, 83, 2003.
[10] Grigoryan O., Kudela K., Panasyuk M., Petrov A., Rothkaehl H., Sheveleva V., Klos Z.,
Zbyszynski Z., High energy particles and waves near equator according different satellite
experiments data, International conference PLASMA 2003 Research and Applications of
Plasmas, Warsaw, Poland, September 9-12, 2003, Book of Abstracts, 84, 2003.
[11] Grigoryan O., Kudela K., Panasyuk M., Petrov A., Rothkaehl H., Sheveleva V., High
energy particles and waves diagnostics for monitoring a property of low and middle
latitudes ionospheric plasma, 3rd Workshop "Significant results in COST271 Action", 23 25 September, 2003.
[12] Grigoryan O., Kudela K., Panasyuk M., Petrov A., Rothkaehl H., Sheveleva V., High
energy particles fluxes and waves measurements in the top side ionosphere near equator,
3rd Workshop "Significant results in COST271 Action", 23 - 25 September 2003.
[13] Grigoryan O., Kudela K., Rothkaehl H., Panasyuk M., Petrov A., Sheveleva V., HF waves
and energetic plasma particle monitoring as a diagnose tool of the ionospheric plasma
disturbances, ESA Space Weather Workshop: Developing European Space Weather
Service Network ESTEC, Noordwijk, November 3-5, 2003.
[14] Grachev E., Grigoryan O., Klimov S., Kudela K., Petrov A., Schwingenschuh K., Sheveleva
V., Stetiarova J., Altitude distribution analysis of electron fluxes at L=1.2-1.8, Adv. Space
Res., 36, 10, 1992-1996, 2005.
[15] Grigoryan O.R., Panasyuk M.I., Petrov A.N., Kudela K., Stetiarova J., Low-energy nearequatorial protons: the flux dependence on magnetic coordinates, WDS'05 Proceedings of
Contributed Papers, Part II, 245-250, 2005.
[16] Grigoryan O.R., Petrov A.N., Romashova V.V., Bengin V.V., About the SAA drift,
WDS'05 Proceedings of Contributed Papers, Part II, 251-256, 2005.
[17] Petrov V.L., Grigoryan O.R., Petrov A.N, High energy electrons at the low latitudes: is their
connection with thunderstorms possible? WDS'05 Proceedings of Contributed Papers, Part
II, 257-262, 2005.
[18] Григорян О.Р., Панасюк М.И., Петров А.Н., Петров В.Л., Исследования потоков
частиц
на
орбитальных
станциях:
потоки
электронов
и
протонов
в
приэкваториальной зоне, Труды шестой международной научно-практической
конференции "Пилотируемые полеты в космос", 10-11 ноября 2005, Звездный, 98100, 2005.
15
Принято к исполнению 03/04/2006
Заказ № 228
Исполнено 04/04/2006
Тираж: 100 экз.
ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 772330900
Москва, Варшавское ш., 36
(495) 975-78-56
(495) 747-64-70
www.autoreferat.ru
16