авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |

«Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына У ИСТОКОВ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Я всегда очень переживала, что огромное количество работ он не дописывал, бро сал, терял к ним интерес, как только достигал результата. На все мои просьбы и укоры шутливо отвечал, что согласен с Брюсовым: «Высшее счастье узнав, утаить от Вселен ной». Вообще был крайне безразличен к общественному признанию, не стремился пропа гандировать свои работы, используя поездки за границу. Все его многочисленные заказ ные доклады на международных конференциях зачитывали в разное время С.Н. Вернов, К.И. Грингауз, Я. Аксфорд. Одну из самых своих крупных, приоритетных работ «Элек трические поля в магнитосфере Земли и происхождение захваченной радиации», которую доложил лично на международном Симпозиуме по солнечно-земной физике в Ленинграде в 1970 году и раздал препринты, опубликовал лишь в малодоступных трудах этого симпо зиума на английском языке (труды вышли в 1972 г.). Варианта на русском языке нет. Не сколько лет тому назад ему было предложено написать книгу по магнитосфере и издать за границей на английском языке. Не желая тратить на это время, отказался и рекомендовал книгу своего ученика. Издал только одну монографию «Динамика радиационных поясов Земли». Это открытая часть его докторской диссертации, написана в 1965 году, когда автору не было еще и 30 лет, издана в 1968 г. В НАСА (Национальное Аэрокосмическое Агентство США) в 1971 году был сделан технический перевод книги на английский язык (NASA Technical Translation, F-635, June 1971). Мнение Тверского об этой книге я узнала при таких обстоятельствах. Американский ИСЗ CRRES в марте 1991 года зарегистрировал замечательный эффект: формирование пояса электронов и протонов с энергиями в десятки МэВ за 1 мин. во время мощного внезапного геомагнитного импульса. Американцы в те чение 2,5 лет не могли объяснить это явление. Тверской, как только узнал об этом эффек те, решил проблему за 2 часа, т. к. еще в 196465 гг. создал завершенную теорию захвата и дрейфа частиц в электрическом и магнитном поле внезапного импульса. Когда я ему сказала, что, вот мол, американцы отстали на 30 лет, он спокойно ответил: «Не на 30 лет, а навсегда, т. к. они освоили пока только 1/3 моей книги, будут догонять в 21 веке».

Б. А. Тверской считал, что прожил счастливую жизнь. Действительно, ему посча стливилось стоять у самых истоков новой науки космофизики, создавать ее вместе с другими учеными, раскрывая тайны природных явлений. Размышляя о своем израненном сердце (он умер во сне от четвертого инфаркта 6 августа 1997 г., в день святых благовер ных князей Бориса и Глеба, своих пращуров), он говорил, что никогда бы не согласился поменять это сердце, с которым жил, работал, любил, на чужое, здоровое. Будучи совер шенно неверующим человеком, любил повторять: «За что бог одарил меня таким счасть ем: любимым делом и любимой семьей?».

Высшая справедливость, я думаю, все-таки существует, и «оттуда» виднее, кого наградить неиссякаемой до последнего дыхания жаждой научного поиска и священным даром любви.

Л.В. Тверская Бабушка и дедушка С.М. и В.И. Феоктистовы, в семье которых вместе с их детьми выросли трое малолетних сыновей от первого брака бабушки с Н.Н. Тверским (1904 г.) Боре 1,5 года Прабабушка по материнской линии М.С. Малишевская (1882 г.) ф С родителями после окончания средней школы в г. Новосибирске (1952 г.) С женой Людмилой и первенцем Василием (1962 г.) ф С младшим сыном Михаилом (1972 г.) Бабушка и дедушка Л.В. и Б.А. Тверские с внуком Викентием и любимцем всей семьи котом Кузей (1989 г.) ф Ночной преферанс.

Пора сдавать пустые бутылки.

На лацкане пиджака значок Б. Тверской (сидит) и В. Демидов «200 лет МГУ»

«Барышня и хулиган».

Барышня - Неизвестная, Хулиган - Б. Тверской Знатоки поэзии Серебряного века В студенческом Б. Тверской (лежит) и В. Федянин общежитии за чтением стихов В. Хлебникова ф «Мозговой штурм» в кабинете С. Н. Вернова. Докладывает Ю. И. Логачев. Сидят (слева направо) Б. А. Тверской, А. Е. Чудаков, С. Н. Вернов В перерыве «мозгового штурма» в кабинете С. Н. Вернова.

Слева направо: Б. А. Тверской, Н. В. Переслегина, С. Н. Вернов (60-е гг.) ф В дискуссии с А.Е. Чудаковым (1965 г.) Семинар отдела теоретической и прикладной космофизики (рук. Б. А. Тверской).

Докладывает М. Ф. Бахарева (1973 г.) ф Выступление на научном семинаре С.Н. Вернова (1972 г.) Выступление с заказным докладом на Симпозиуме МАГА (Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии). Москва, 1971 г.

ф На банкете после окончания Международного ленинградского семинара по солнечно-земной физике (Ленинград, 1978 г.). Сидят (слева направо):

Б.А. Тверской, Л.В. Тверская, В.П. Шабанский. Стоят (слева направо):

Г.Е. Кочаров, И.М. Подгорный, В.С. Бассоло В окружении учеников и сотрудников отдела на праздновании 60-летнего юбилея (1996 г.).

Стоят (слева направо): П.П. Игнатьев, А.С. Ковтюх, Е.В. Горчаков, М.Ф. Бахарева, М.В. Терновская, Л.М. Алексеева, И.В. Гецелев, А.В. Гетлинг. Сидят: Л.В. Тверская и Б.А. Тверской ф Борис Аркадьевич Тверской (воспоминания) Г. П. Любимов Я встретился с Борисом Аркадьевичем Тверским на рабочем семинаре космофизи ческой школы. Эти семинары организовал С.Н. Вернов в 1965 г. В это время начала по ступать новая, регулярная информация о потоках космических лучей с автоматической межпланетной станции «Зонд-3». На семинары С.Н. Вернов приглашал специалистов экс периментаторов и теоретиков, чтобы оперативно и быстро осмыслить новые данные и найти правильное, оригинальное объяснение новых наблюдательных эффектов.

Собирались каждую неделю, а иногда и чаще, работали по много часов. Семинар действовал регулярно три года, потом работа продолжалась, но уже эпизодически. Эта школа космофизиков сыграла большую роль в дальнейшем развитии космофизических исследований в институте.

Со временем рабочий семинар преобразовался в общемосковский научный космо физический семинар, которым руководил С.Н. Вернов. а затем его руководителем стал Б.А. Тверской.

Семинар, которым руководил Б.А. Тверской, обладал всеми необходимыми притя гательными чертами истинно научного семинара. Такой семинар несет новые знания, он позволяет поделиться новыми идеями, гипотезами, результатами, дает возможность про верить и обсудить их, найти глубокий и ясный физический смысл явления, получить и обоснованную критику и необходимую поддержку, вдохновить на дальнейший поиск. Эти качества определялись и реализовывались руководителем семинара Б.А. Тверским и вы ражались отношением искреннего доброжелательства и стремлением понять докладчика, чтобы глубже раскрыть физический смысл явления, найти его теоретическую основу.

Уже в первые годы работы семинара С.Н. Вернова Б.А. Тверской внес свое новое видение в объяснение эксперимента. Первые данные, полученные с космических аппара тов, показали, что межпланетная среда буквально заполнена частицами малых энергий и в частности протонами с энергией порядка 1 МэВ.

Раньше, до внеатмосферных космофизических исследований, наземные приборы регистрировали лишь короткие, не более суток, и редкие, не чаще одного раза в месяц, возрастания космических лучей лишь после мощных солнечных вспышек. Измерения, проводимые непосредственно в Космосе, показали, что возрастания интенсивности про тонов длятся, как правило, около пяти дней и возникают после вспышек любого балла. Но очень часто потоки солнечных протонов наблюдаются вне всякой связи со вспышками на Солнце. Специальной методикой такие, не связанные с солнечными вспышками, но по вторяющиеся с периодом вращения Солнца, квазистационарные потоки космических лу чей были обнаружены и для протонов с энергией больше 30 МэВ.

Такие потоки космических лучей наблюдались всегда совместно (одновременно) с форбуш-эффектами в интенсивности космических лучей галактического происхождения.

В свою очередь форбуш-эффекты есть модуляция потока космических лучей движущими ся от Солнца магнитными неоднородностями, вмороженными в плазму солнечного ветра.

Аналогичные связи, но для более мощных эффектов, наблюдались и после вспы шек. В среднем через интервал времени порядка двух дней после солнечной вспышки, вместе с ударной волной и сжатой плазмой солнечного ветра, перед вспышечной плазмой, иногда наблюдались значительные потоки протонов с энергией от 1 до 30 МэВ. Однако существуют трудности при объяснении переноса таких потоков космических лучей от Солнца в магнитных ловушках на значительные расстояния, вплоть до десятков астроно мических единиц.

Б.А. Тверской сразу же, еще в 1967 году, предложил объяснить эти эффекты не пе реносом солнечных космических лучей, а действием ускорительного механизма, который непрерывно преобразует энергию движущихся магнитоплазменных неоднородностей сол нечного ветра в энергию космических лучей, наблюдаемых повсеместно в гелиосфере.

Гипотеза Б.А. Тверского также хорошо согласуется и с обнаруженным нами эффектом торможения вспышечных выбросов с ударными волнами и квазистационарных потоков плазмы в солнечном ветре. Эти ускоренные в межпланетной среде космические лучи сле дует считать новым типом космических лучей и назвать их, например, гелиосферными или межпланетными космическими лучами.

В связи с большим интересом научной общественности к проблеме движения меж планетных ударных волн в космической плазме Б.А. Тверской организовал и прочитал цикл лекций по теории ударных волн для всех желающих. Это было доступное для широ кой аудитории, ясное, четкое и наглядное, но строгое изложение теории.

Эти примеры раскрывают лишь небольшую часть мощного теоретического потен циала и таланта Б.А. Тверского, его широту и глубину, способность охвата проблем боль шого глобального масштаба.

Б.А. Тверской 27 лет руководил нашим отделом. Крупный теоретик, он был ис ключительно скромен. Меня всегда поражала колоссальная широта и глубина его знаний теоретической физики и математических методов. Любой, самый отдаленный от нашей области раздел физики в считанные секунды Борис Аркадьевич воспроизводил с предель ной ясностью! Б.А. Тверской никогда не склонял голову перед «иностранным авторите том» - для него определяющими были только Знание, Творческий потенциал и Экспери мент. Он говорил, что там, где начинаются индексы, там кончается физика.

Наряду с таким профессиональным Знанием меня всегда поражала прекрасная чет кость и удивительная, быстрая ориентация в делах административных, хозяйственных, инженерных и технических, т.е. та же широта и глубина всех организационных дел при исключительной доброжелательности к коллективу и к каждому сотруднику.

Во время разнообразных застолий Борис Аркадьевич любил петь русские, широ кие, раздольные, могучие и душевные песни и романсы. Любовь к музыке и особенно по требность петь есть точный показатель душевной доброты, мудрости и силы.

Экспериментальные основания теории формирования радиационных поясов Земли Э. Н. Сосновец Обнаружение радиационных поясов Земли явилось одним из интереснейших откры тий XX века. Последующие исследования показали, что образование радиационных поя сов Земли не есть локальное, чисто земное явление, а достаточно распространенный фе номен в космическом пространстве. Наиболее мощный радиационный пояс был обнару жен у Юпитера. Многие процессы, протекающие в магнитосфере Земли, присущи также и другим космическим объектам. Например, процессы ускорения типа солнечных вспышек, происходят, по-видимому, в плазменном слое хвоста магнитосферы и на её дневной маг нитопаузе.

В основе теории формирования радиационных поясов Земли, разработанной Б.А.Тверским [Тверской, 1968], лежат три фундаментальных процесса, управляющих ди намикой основной массы частиц: инжекция в область захваченной радиации, диффузия, сопровождающаяся адиабатическим ускорением, и утечки из геомагнитной ловушки.

Результаты, полученные на спутниках серии ЭЛЕКТРОН (1964 г.), послужили не только основой для создания строгой количественной теории радиационных поясов, но и явились первой экспериментальной проверкой этой теории. Это было обусловлено тем, что в этом эксперименте впервые была исследована практически вся область захваченной радиации в диапазоне энергий частиц, типичном для радиационных поясов в спокойном, невозмущенном состоянии (благодаря минимуму солнечной активности), что значительно облегчило сравнение данных с теорией.

Теория Б.А.Тверского позволила объяснить основные пространственно энергетические характеристики захваченных частиц в рамках единого механизма ради альной диффузии частиц под действием флюктуации геомагнитного поля типа внезапных импульсов. Были постулированы основные источники захваченных частиц и механизмы их потерь из ловушки. В то же время радиационный пояс в этой теории рассматривался как одно из важнейших структурных образований в магнитосфере Земли, формирование которого обусловлено сложным комплексом взаимосвязанных плазменных процессов, протекающих под воздействием изменяющихся параметров солнечной активности и меж планетной среды.

Многие явления в магнитосфере и ионосфере к моменту создания теории были уже изучены, другие требовали проверки с учетом выводов теории. Так, не был ещё обнару жен кольцевой ток, который, как оказалось впоследствии, играет первостепенную роль в процессах магнитосферно-ионосферного взаимодействия и является важным переходным звеном между магнитосферной плазмой и захваченными частицами. Исследования, про веденные в период 1968-1975 гг. на ИСЗ серии МОЛНИЯ, значительно расширили и углу били существующие представления о динамике энергичных частиц не только в области радиационных поясов, но и за его пределами на высоких геомагнитных широтах. По ре зультатам этих исследований была подтверждена одна из важнейших концепций теории – концепция конвективного переноса частиц суббуревыми электрическими полями – и, как следствие такого переноса, формирование асимметричного по долготе кольцевого тока.

К моменту создания теории не существовало единой точки зрения относительно структуры магнитопаузы, и, соответственно, механизмов проникновения низкоэнергич ных частиц, в том числе СКЛ, в магнитосферу Земли и далее в область захваченной ра диации. Одна из точек зрения состояла в том, что магнитопауза не является абсолютной границей. Важнейшим следствием такой концепции была возможность относительно сво бодного доступа частиц в магнитосферу. Экспериментальное подтверждение такой воз можности по данным наблюдений СКЛ было получено с помощью полярных ИСЗ серии КОСМОС в 1972-1979 гг. научным руководителем одного из которых (КОСМОС-900) был Б.А. Тверской.

Цель настоящей работы – дать краткий обзор экспериментальных результатов, полу ченных автором и его ближайшими коллегами, которые позволили подтвердить и прове рить основные положения теории формирования радиационных поясов Земли. Выводы и следствия этой теории явились фактически программой более чем 30-летних исследова ний, а личное участие Б.А. Тверского в обсуждении планируемых экспериментов и полу ченных результатов делало весь этот процесс исключительно плодотворным.

Инжекция Согласно теории радиационных поясов Земли, инжекция является начальной стади ей формирования потоков захваченных геомагнитным полем частиц [Tverskoy, 1969].

Два механизма обеспечивают, по-видимому, перенос и ускорение частиц из удален ных областей магнитосферы в её внутренние области, где имеются условия для существо вания замкнутых дрейфовых траекторий [Тверской, 1969;

Tverskoy, 1969, 1970;

Ташкинова и Тверской, 1974, 1975]. Стационарная конвекция, обусловленная присутствием в магни тосфере потенциального электрического поля "утро-вечер", обеспечивает перенос к гра нице области захвата частиц с энергией до ~10 кэВ в спокойных и слабо возмущенных геомагнитных условиях с сохранением полной энергии частиц. "Суббуревая" инжекция, обусловленная индукционными электрическими полями, обеспечивает во время магнито сферных суббурь заброс частиц с энергией в десятки-сотни кэВ в область захвата с сохра нением магнитного момента частиц (бетатронное ускорение). В основе обоих механизмов лежит дрейф частиц в скрещенных магнитном и электрическом полях [Альвен и Фельт хаммар, 1967]. Инжекция частиц во время суббурь может быть связана с втягиванием час ти силовых линий магнитного поля, соответствующих ночному плазменному слою, в зону захваченной радиации [Tverskoy, 1969]. Важным шагом в разработке этой концепции яви лось самосогласованное решение задачи по вычислению магнитосферно-ионосферной то ковой системы и геоэлектрического поля с учетом ионосферно-магнитосферных взаимо действий. В работе [Ташкинова и Тверской, 1975] эта задача решалась для случая стацио нарной конвекции, а в работах [Тверской, 1969;

Tverskoy, 1970;

Тверской и Ташкинова, 1974] – для случая нестационарной конвекции во время суббурь. Расчеты показали, что разность потенциалов U между Землёй и оболочками с L4-5 (L – параметр Мак Илвайна) в плоскости экватора примерно равна разности потенциалов поперек полярных электроструй в ионосфере и составляет для умеренной бухты (500 нТл) порядка десятков кВ. При более интенсивных бухтах разность потенциалов может достигать значений U=100-200 кВ.

Таким образом, из теории следовали две важных экспериментальных задачи:

- по измерениям энергичных частиц, инжектируемых во время суббурь, дать оценку величины электрических полей, поскольку прямые измерения этих полей являются крайне сложной экспериментальной задачей;

- установление факта асимметричной по долготе инжекции частиц во время суббурь, как одного из принципиальных следствий теории конвекции.

Первая задача решалась по наблюдению потоков электронов с энергией в сотни кэВ, вторая – по наблюдению протонов кольцевого тока с энергией в десятки-сотни кэВ.

Уже в ходе проведения эксперимента на ИСЗ серии ЭЛЕКТРОН было установлено, что во время умеренных магнитных бурь происходит инжекция электронов с энергией в сотни кэВ во внешний радиационный пояс на L~4-5 [Vernov et al., 1969]. В дальнейшем на ИСЗ МОЛНИЯ-1 были зарегистрированы случаи инжекции электронов во время более мощных магнитных бурь на более глубокие L-оболочки (L~3 – 4) [Вернов и др., 1970]. На рис. 1 представлено распределение интен сивности электронов с энергией 250 кэВ для нескольких про летов через пояс во время бури 29.10 04.11.1968 г. Появле ние больших потоков электронов с энер гиями в сотни кэВ на L~3 означает либо их локальное ускорение, Рис. 1. Распределение интенсивности электронов с энергией 250 кэВ либо быстрый пере в зависимости от расстояния от центра Земли для нескольких проле нос с более удален тов через внешний радиационный пояс во время магнитной бури 29.10-04.11.1968 г. по данным ИСЗ МОЛНИЯ-1 ных L-оболочек. Со гласно работе [Альвен и Фельтхаммар, 1967], под действием магнитного дрейфа частица проходит в электрическом поле некоторую разность потенциалов и либо увеличивает, ли бо уменьшает свою энергию. Те частицы, которые ускоряются, приближаются к Земле.

Наибольшая разность потенциалов достигается вдоль петли, разделяющей замкнутые и разомкнутые траектории дрейфа, где отношение начального (Li) и конечного (Lf) значений L-оболочки составляет ~1.8 [Альвен и Фельтхаммар, 1967]. При этом энергия (в нереляти вистском случае) за счет сохранения магнитного момента возрастает в (1.8)36 раз. С дру гой стороны, увеличение энергии составляет Е=e·U, где U=·R(Li+Lf) разность потен циалов на петле, a - напряженность электрического поля. Оценки показывают, что при конечной энергии частиц Ef=250 кэВ и Lf=2.5 величина разности потенциалов между L= и Землёй составляет 200 кэВ, что не противоречит теоретическим оценкам [Тверской, 1969]. Расчеты, выполненные для нестационарной модели электрического поля при дли тельности возмущения ~1.5 часа, дали для амплитуды электрического поля значение 4·10-5 В/см, что также в пределах фактора 2 согласуется с оценками максимальной ам плитуды электрического поля, достигаемой во время наиболее мощных суббурь [Твер ская, 1971].

Важная роль суббуревых электрических полей в формировании начальных спектров потоков захваченных частиц была подтверждена также в результате экспериментов по изучению структуры и динамики протонов кольцевого тока [Kovtyukh et al., 1976;

Ковтюх и др., 1976;

Ковтюх и др., 1978;

Морозова и др., 1981].

Вывод о долготной асимметрии развивающегося кольцевого тока впервые был сде лан на основании данных наземных [Akasofu and Chapman, 1964] и спутниковых [Cahill, 1966] магнитных измерений. Это было связано с тем, что прямые наблюдения асиммет ричного распределения частиц кольцевого тока в космическом пространстве затруднены из-за быстротечности процессов инжекции (~1-2 часа) и недостаточного временного раз решения при использовании одного спутника. Так, на ИСЗ ОГО-3 соответствующие изме рения в вечернем и утреннем секторах магнитосферы попали на разные фазы разных суб бурь [Frank, 1970], а на ИСЗ МОЛНИЯ-1 измерения проводились на фазах восстановления двух последовательных суббурь [Лазарев и др., 1977]. Несколько случаев асимметричной инжекции протонов кольцевого тока были зарегистрированы на ИСЗ МОЛНИЯ-1 с вре менным разрешением ~1-2 часа [Kovtyukh et al., 1976] и на ИСЗ КОСМОС-900 [Морозова и др., 1981] с временным разрешением ~15 мин.

На рис. 2 приведен пример формирования асимметричного кольцевого тока во время бури 24-25.01.1974 г. по данным ИСЗ МОЛНИЯ-1. Тонкой и толстой кривыми обозначены распределения протонов с энергией 31-92 кэВ до и во время главной фазы бури, соответ ственно. В верхней части рисунка показана Dst-вариация и моменты пролета через кольце вой ток. Видно, что во время главной фазы бури произошло значительное увеличение ин тенсивности протонов по сравнению со спокойным уровнем с преобладающим ростом в вечерние часы LT (21-22 часа). В данном случае из-за недостаточного временного разре шения измерения в вечернем и дневном секторах на пролете 25.01.1974 г. пришлись на разные фазы разных суббурь, что могло сказаться на степени наблюдаемой асимметрии. С лучшим временным разрешением динамика развития вечерне-утренней асимметрии коль цевого тока была исследована с помощью ИСЗ КОСМОС-900 во время бури 1-2 декабря 1977 г. Соответствующие результаты для энергий протонов 50-80 кэВ показаны на рис.3.

В рассматриваемом интервале времени наблюдались две суббури, вдвое отличавшиеся по интенсивности (AL-500 нТл и AL-1000 нТл). Значительное увеличение Dst-вариации началось лишь во время второй более сильной суббури и максимум Dst-вариации (~- нТл) был достигнут в ~07.00 UT 02.12.1977 г. Вечерне-утренняя асимметрия кольцевого тока с момента начала второй суббури свелась практически к асимметрии в положении тока: с 03.00 UT 02.12.1977 г. стала заметна асимметрия в положении максимумов интен сивности протонов с энергией 50-80 кэВ и произошло резкое смещение внутренней гра ницы к более низким широтам.

Анализ данных показывает, что механизмы, приводящие к долготной асимметрии кольцевого тока в период главной фазы магнитной бури, принципиально различны во внешней и внутренней его частях: на внешней границе асимметрия кольцевого тока обу словлена интенсификацией процессов конвекции во время суббурь [Тверской, 1969] а в максимуме пояса и на внутренней границе – высыпанием протонов в конус потерь при дрейфе их из предполуночного в дневной и утренний секторы магнитосферы благодаря развитию сильной питч-угловой диффузии [Ковтюх и др., 1978].

При усилении суббуревого электрического поля возрастает скорость конвекции из Рис. 2. Пример формирования асимметричного кольцевого тока во время бури 24-25.01.1974 г.

по данным ИСЗ МОЛНИЯ-1.

хвоста магнитосферы в область захваченной радиации и в течение времени ~0.1 часа, ма лого по сравнению с периодом долготного дрейфа частиц (~1 ч. для энергии ~100 кэВ), на ночной стороне при данном L возникает избыток плазмы по сравнению с дневной сторо ной. Такое асимметричное плазменное облако генерирует токи вдоль силовых линий и за счет электрического взаимодействия с ионосферой возбуждает дополнительное электри ческое поле [Tverskoy, 1970]. В случае ослабления внешнего поля это дополнительное по ле в течение ~1 часа перебрасывает избыток плазмы с ночной стороны на дневную, что приводит к симметризации внешней части кольцевого тока.

Значительная вечерне-утренняя асимметрия внутренней границы кольцевого тока находит естественное объяснение в предположении магнитного дрейфа частиц после ин жекции в условиях сильной питч-угловой диффузии. О магнитном дрейфе частиц в облас ти L5 свидетельствует, в частности, зависимость средней энергии протонов Е0~L-3, что характерно для дипольной конфигурации [Крымов и Тверской, 1964;

Ковтюх и др., 1976].

В процессе дрейфа вокруг Земли изотропный поток протонов на фиксированной L оболочке быстро уменьшается, формируя резкую внутреннюю границу из-за расширения конуса потерь (~L-3) и уменьшения скорости дрейфа (~L-2) Наиболее вероятной причиной сильной питч-угловой диффузии протонов кольцевого тока является развитие ионно Рис. З. Динамика положения максимумов и границ кольцевого тока в вечерние и утренние часы LT для бури 1-2.12.1977 г. (верхняя часть рисунка). Широтные перемещения максимумов и границ кольцевого тока в зависимости от величины Dst-вариации (нижняя часть).

циклотронной неустойчивости при достижении потоком протонов критического уровня в результате импульсной инжекции [Тверской, 1968].

Структура протонного радиационного пояса Протонный радиационный пояс Земли, в отличие от электронного, представляет со бой единое структурное образование, в пределах которого отчетливо просматриваются пространственно-энергетические закономерности, нашедшие полное количественное объ яснение в рамках тео рии [Тверской, 1968].

При этом существен ный вклад в разработку основ теории внесли экспериментальные ре зультаты спутников ЭЛЕКТРОН [Верное и др., 1965], а в обоснова ние и проверку выводов теории – данные изме рений на спутниках се рии МОЛНИЯ [Ковтюх и др., 1976].

Представление о пространственном рас пределении захвачен ных протонов в диапа зоне энергий 0.1- МэВ дает рис. 4, на ко тором показаны ради альные профили интен сивности протонов раз личных энергий в плос Рис. 4. Радиальные профили интенсивности протонов различных кости геомагнитного энергий в плоскости геомагнитного экватора по данным спутников экватора по данным серий ЭЛЕКТРОН и МОЛНИЯ:

спутников серий Ер130 кэВ 5 Ер 1.5 МэВ 250 кэВ 5.0 МэВ ЭЛЕКТРОН и МОЛ 2 420 кэВ 9.0 МэВ 3 7 НИЯ. Из рисунка видны 1.0 МэВ 30 МэВ 4 8, 9, 11 основные особенности 110 МэВ протонного пояса:

- постепенное увеличение интенсивности протонов с уменьшением их энергии;

- наличие максимумов в интенсивностях и их смещение к большим L-оболочкам по мере уменьшения энергии протонов;

- постепенное смягчение спектра протонов с ростом расстояния.

Теория [Тверской, 1968] позволила объяснить все эти и целый ряд других особенно стей, полученных в результате проведения экспериментов.

В настоящее время является общепризнанным, что основным механизмом, обеспе чивающим перераспределение частиц в пределах геомагнитной ловушки, является ради альная диффузия поперек L-оболочек. Диффузия частиц, независимо от их природы, воз никает как следствие флюктуации магнитного поля, а при энергиях 100 кэВ – и электри ческого поля в магнитосфере Земли [Панасюк, 1984]. Причиной переноса в любом случае является электрический дрейф заряженных частиц в индукционном поле возмущения. С точки зрения переноса наиболее эффективными оказываются возмущения магнитного по ля типа положительных внезапных импульсов с фронтом нарастания ~1 мин. и длительно стью спада – десятки минут. Источником таких импульсов является межпланетная среда.

При таких возмущениях, характерные времена которых порядка или меньше периодов долготного дрейфа частиц вокруг Земли, вероятность прямого и обратного процессов, т.е.

вероятность перемещения частицы внутрь и наружу поперек L-оболочек, оказывается раз личной, в результате, помимо диффузионного потока возникает направленный внутрь геомагнитной ловушки регулярный поток. Для описания такого процесса и получения равновесной функции распределения частиц f используется уравнение Фоккера-Планка, в которое входят 3 важнейших параметра: DLL – коэффициент радиальной диффузии, – время жизни протонов и S – функция источника. Согласно теории коэффициент диффузии для флюктуаций магнитного поля типа внезапных импульсов имеет вид: DLL=D0·L10 и не зависит от сорта и энергии частиц, но зависит от мощности флюктуации магнитного поля [Тверской, 1968]. Коэффициент DLL может быть найден либо из данных о частотном спек тре колебаний магнитного поля, либо из сопоставления экспериментальной функции рас пределения с расчетной функцией f, найденной на основе решения уравнения Фоккера Планка при определенных предположениях об источниках и механизмах потерь частиц. В широкой области пространства (2L7) функция источника S принимается равной нулю, так как предполагается, что эта область, как видно из рис. 4, заполненная наиболее интен сивными потоками протонов с энергией 0.1-30 МэВ, формируется в результате переноса частиц с границы захвата в глубь радиационного пояса. В области L 2.5 учитывается внутренний источник протонов, связанный с распадом нейтронов альбедо космических лучей [Верное и др., 1959].

Основным видом потерь энергии протонов в диапазоне энергий 0.1-100 МэВ явля ются кулоновские потери при взаимодействии с электронами холодной плазмы и ней тральными атомами остаточной атмосферы. Эффекты перезарядки в теории не учитыва лись, так как они преобладают при энергиях протонов 100 кэВ [Nakada and Mead, 1965].

Значения для функции распределения f были получены для случая стационарных условий, когда поток частиц через оболочку равен нулю, т.е. df/dt=0, так и для нестационарного случая (df/dt0). Равенство нулю производной функции распределения означает, что убыль частиц в единицу времени в результате потерь и диффузии компенсируется посту плением новых частиц за счет регулярного потока, направленного к Земле. Для нестацио нарного случая решения уравнения переноса были получены для областей пространства, где можно пренебречь потерями частиц. В частности, при скачкообразном изменении ус ловий на границе захвата функция распределения частиц имеет вид единичной диффузи онной волны, распространяющейся к центру Земли.

Несмотря на указанные ограничения, стационарное распределение протонов с энер гиями 0.1-30 МэВ, полученное Б.А. Тверским, оказалось в удовлетворительном согласии с экспериментальными данными, представленными на рис. 4. Степень точности совпадения экспериментальных и теоретических распределений зависит от используемых в расчетах значений DLL и коэффициентов, учитывающих потери энергии протонов. При расчетах Б.А. Тверской использовал значение D0=2·10-14 с-1, найденное на основе данных о внезап ных импульсах. Этот коэффициент может быть найден также из экспериментальных дан ных о расположении максимумов интенсивности протонов различных энергий, поскольку формирование максимумов в радиальных профилях интенсивности происходит на рас стоянии, где время жизни частиц р сравнивается со временем переноса d на данную L оболочку (при стационарном источнике на границе). Теоретическое выражение для поло жения максимумов интенсивности протонов в предположении чисто кулоновских потерь энергии имеет вид: Lmax~N1/8(L)/D01/8 · Е3/16, где N(L) – плотность холодной плазмы, Е – энергия частиц.

Рис. 5. Распределение максимумов интенсивности радиальных профилей протонов в диапазоне энергий 0.13-110 МэВ. Прямой линией обозначена теоретическая зависимость Lmax~E-3/16 [Тверской, 1968] На рис. 5 приведена совокупность данных по распределению максимумов интенсив ности радиальных профилей протонов в диапазоне энергий 0.13-110 МэВ, полученных в период с 1964 по 1975 гг. на ИСЗ ЭЛЕКТРОН и МОЛНИЯ [Вернов и др., 1965;

Ковтюх и др., 1976].

Если предположить, как это было сделано Б.А. Тверским, что N(L) const = 103 см-3, то коэффициент диффузии в интервале 1.5L4.5 оказывается равным D0=4·10-14 с-1, что близко к значению D0, полученному Б.А. Тверским на основе данных о внезапных им пульсах. Расхождение величин D0 в 2–3 раза не имеет принципиального значения, по скольку, с одной стороны, точность вычислений D0 ограничена точностью имеющихся экспериментальных данных о потоках протонов и распределении холодной плазмы, а с другой – вполне допустимы вариации D0 в пределах порядка величины и более в зависи мости от числа сильных магнитных возмущений и распределении внезапных импульсов в тот или иной период времени.

Результаты, представленные на рис. 5, получены в различные периоды цикла сол нечной активности, которые, очевидно, характеризуются различным уровнем и частотой следования геомагнитных возмущений и внезапных импульсов, генерируемых в межпла нетной среде. Полученное значение D0= 4·10-14 с-1 с учетом возможности вариаций этой величины оказалось в хорошем согласии с результатами большого числа последующих работ, в которых D0 определялось непосредственно из данных о флюктуациях геомагнит ного поля, либо с использованием экспериментальных данных о распределении протонов и электронов в радиационном поясе [Lanzerotty et al., 1978]. Близость константы D0, опре деляемой из распределения максимумов интенсивности протонов, к среднему значению D0, вычисленному другими методами, является, по-видимому, не случайной. Поскольку сильные возмущения наблюдаются редко (например, магнитные бури с |Dst|100 нТл ре гистрируются в среднем один раз в 100 дней, то за время между такими возмущениями протоны сносятся на достаточно глубокие L-оболочки (L3) и влияние флюктуаций D0 на эти частицы оказывается незначительным из-за большого времени усреднения. Флюктуа ции D0 существенным образом сказываются на распределении захваченных частиц только в периферийных областях (L4).

Естественным следствием теории явился вывод о характере энергетического спектра протонов, формируемого в процессе радиальной диффузии при сохранении магнитного момента частиц (бетатронное ускорение). При таком механизме ускорения энергия частиц растет пропорционально В – напряженности магнитного поля. Тогда в дипольном поле для частиц с питч-углом =90° их энергия должна расти при переносе в глубь радиацион ного пояса по закону Е~L-3. Из рис. 4 видно, что действительно на L2.5 наблюдается от четливая пространственная зависимость жесткости спектра протонов при энергии МэВ. С учетом сделанных Б.А.Тверским в предположении о кулоновском характере по терь энергии и независимости скорости переноса от энергии частиц можно было ожидать формирование максимумов в энергетических спектрах протонов. Действительно, макси мумы в дифференциальных спектрах протонов при энергиях 1 МэВ в приэкваториаль ных областях были впервые обнаружены на ИСЗ МОЛНИЯ-1 [Вернов и др., 1972]. После в дующие измерения, выполненные на ИСЗ МОЛНИЯ-1,2, показали, что максимум в энер гетическом спектре протонов является стабильным образованием, характерным для спо ов койных геомагнитных условий [Ковтюх и др., 1976], при этом в пределах эксперимен тальных ошибок было получено что Еmax=а·L-3, где константа а=(1. =(1.7±0.3)·10-4 кэВ. Такой получено, характер зависимости говорит в пользу бетатронного механизма ускорения протонов при их переносе с границы захвата на более глубокие L-оболочки в поле дипольной конфигу рации. Экспериментально измеренные значения Еmах в области L2.5 оказались в хоро риментально 2. шем согласии со значениями вычисленными на основе теории с учетом кулоновских по значениями, терь и перезарядки [Тверской 1968].

Тверской, Форма энергетического спектра в области L~Lmax при ЕЕmах, т.е там, где потери яв т.е.

ляются несущественными, дает информацию об энергетическом распределении частиц исходной функции инжекции на границе захвата, а характер изменения средней энергии спектра в зависимости от L – о механизме ускорения частиц. В дипольном поле при сте пенном спектре (j~Е-) показатель =const, а при экспоненциальном (j~ехр ~ехр(Е/Е0)) – средняя - энергия Е0~L.

На рис. 6 показано изменение средней энергии спектра Е0 в зависимости от L при экспоненциальной форме спектра по данным ИСЗ МОЛНИЯ-1 в результате усреднения значений Е0 по многим пролетам в периоды относительно спокойной магнитной обста новки [Ковтюх и др., 1976]. Здесь же приведены значения Е0, найденные по измерениям на ряде зарубежных ИСЗ [Davis and Williamson, 1965]. Пунктиром показана зависимость Davis - Е0~L. Таким образом, видно что в широком интервале L вплоть до L=5 перенос частиц видно, Рис. 6. Изменение средней энергии спектра Е0 в зависимости от L.

Пунктирная линия – зависимость E0~L-3 [Тверской, 1968] 68] происходит с сохранением магнитного момента, как и предполагается в теории [Тверской, 1968]. Отклонение от этой зависимости на L5 может быть следствием нарушения ди польного характера поля на этих расстояниях, либо более сложной формой исходного спектра, что впоследствии было подтверждено измерениями на геостационарной орбите (L~6.6) [Ivanova et al., 1996].

Преобладающая роль радиальной диффузии в формировании радиационных поясов была подтверждена наблюдениями потоков захваченных -частиц. Б.А.Тверским в работе [Тверской, 1968] был предсказан и рассчитан пояс захваченных -частиц. Поскольку диф фузия в результате флюктуации магнитного поля не зависит от сорта и энергии частиц, то положение максимума интенсивности пояса -частиц одинаковой с протонами энергии должно определяться только скоростью потерь энергии. В случае чисто кулоновских по терь Lmax1.3·LPmax при Е=const [Тверской, 1968]. В пределах точности эксперимента это соотношение подтвердилось данными ИСЗ МОЛНИЯ-2 [Панасюк и др., 1977].

Простые оценки эффективности ускорения бетатронным механизмом показывают, что при разумных предположениях о спектре инжекции на границе захвата формирование интенсивных потоков протонов с энергией 100 МэВ (см. рис. 4) за счет механизма пере носа объяснить не удается. В диффузионное уравнение Фоккера-Планка для функции рас пределения f необходимо включить дополнительный источник частиц. Таким источником могут быть нейтроны альбедо космических лучей [Вернов и др., 1959]. Попытки найти функцию распределения высокоэнергичных протонов в предположении простого равно весия между мощностью нейтронного источника и скоростью потерь не дали удовлетво рительного результата. Учет диффузии высокоэнергичных протонов, возникающих при распаде нейтронов альбедо, позволил в основных чертах объяснить структуру внутренне го пояса, и, в частности, результаты измерений потоков протонов с энергией 30 МэВ на ИСЗ ЭЛЕКТРОН [Тверской, 1968]. Сравнение экспериментальных и теоретических дан ных приводится на рис. 7. Основные неопределенности этого расчета, также как и других, были связаны с недостаточной информацией о характере распределения на больших вы сотах плотности остаточной атмосферы (и ионосферной плазмы), а также формы спектра и мощности источника. Тем не менее, было видно, что в области максимума внутреннего пояса на L=5 измеренный поток протонов с энергией 30 МэВ близок к теоретическому, найденному в предположении одновременного действия двух источников: распада ней тронов альбедо с их последующей диффузией и переноса с границы области захвата (штрих-пунктирная кривая). Видно также, что механизм переноса с границы может объ яснить величину потоков протонов с энергией 30 МэВ на L1.5, однако эффективности этого механизма явно недостаточно для объяснения пространственного распределения протонов с энергией в десятки МэВ на L1.5 (пунктирная кривая).

Хорошее количественное описание протонного радиационного пояса теорией ради альной диффузии под действием флюктуации магнитного поля не снимает, тем не менее, вопроса о роли диффузии под действием флюктуации электростатических полей. Однако эта проблема выходит за рамки данной работы и здесь не рассматривается.

Рис. 7. Экспериментальные и теоретические данные по распределению протонов высоких энергий в плоскости геомагнитного экватора.

Эксперименты, выполненные на ИСЗ серий ЭЛЕКТРОН и МОЛНИЯ, показали, что структура протонного радиационного пояса Земли при энергиях 100 кэВ находит полное объяснение в рамках теории [Тверской, 1968]. В структуре протонного пояса можно выде лить три области, различающиеся особенностями пространственно-энергетического рас пределения протонов. Внешняя область на L2.5, заполненная интенсивными потоками протонов с энергией 10 МэВ, формируется в результате переноса частиц горячей магни тосферной плазмы с соответствующим бетатронным ускорением.

Пространственное распределение на этих L-оболочках определяется соотношением между скоростью переноса и потерь частиц, а энергетический спектр – формой энергети ческого спектра инжекции на границе захвата. Самая внутренняя область на L1.5 форми руется в результате захвата протонов от нейтронов альбедо. Перенос частиц в этой облас ти оказывается несущественным (из-за слишком малой скорости), в результате энергети ческий спектр протонов определяется здесь только формой спектра инжекции, т.е. спек тром нейтронов альбедо. Промежуточная область на 1.5L2.5 оказывается наиболее сложной, поскольку здесь с достаточной эффективностью проявляется действие несколь ких источников, следствием чего является более сложный характер пространственно энергетического распределения протонов в этой области пространства.

Диффузионные волны Согласно теории [Тверской, 1968] в случае скачкообразного изменения условий на границе захвата, либо импульсной инжекции частиц в ограниченной области L должны формироваться диффузионные волны.

Экспериментальное наблюдение таких волн позволяет определить механизм диффу зии и основной параметр переноса – коэффициент диффузии D0. Следует, однако, отме тить, что наблюдение диффузионных волн возможно только в случае, когда промежутки времени между возмущениями много больше характерных времен переноса на те или иные L-оболочки. Так, для электронов внешнего пояса (L=4-5) это время должно быть по рядка двух-трех недель. При таких условиях экспериментально можно определить либо скорость перемещения максимума интенсивности волны, либо скорость её переднего фронта. При этом скорость движения фронта, согласно теории, должна быть примерно в раза выше, чем скорость перемещения максимума. Это связано с тем, что при импульсной инжекции происходит размытие заднего фронта волны, что приводит к дополнительному смещению максимума и переднего фронта в область малых L.

На рис. 4 отчетливо виден на L=2.2 дополнительный максимум интенсивности про тонов с энергией 30 МэВ. Измерения, выполненные на ИСЗ ЭЛЕКТРОН в 1964 г. (кри вые 8 и 11) и на ИСЗ МОЛНИЯ-1 в 1968 г (кривая 9), показали, что этот максимум неста ционарен. За период между наблюдениями в области L2 произошло уменьшение потока протонов с энергией 30 МэВ и смешение максимума на L-2.0. Эти изменения показали, что протоны с энергией 30 МэВ на L=2.0-2.6 имеют иную природу по сравнению с высо коэнергичными протонами внутреннего пояса. Б.А.Тверским была выдвинута гипотеза, что этот нестационарный максимум интенсивности протонов на L=2.2 мог возникнуть в результате инжекции в область радиационных поясов протонов солнечных вспышек, ко личество и мощность которых были уникально большими в период максимума 19-го цик ла солнечной активности (1958-1960 гг.) [Тверской, 1965;

1965а].

Импульсная инжекция и последующий перенос могли сформировать диффузионную волну, движение которой в области 2L2.5 вызывает изменение интенсивности протонов с энергией 30 МэВ. Соответствующие подстановки в выражение для скорости переме щения максимума волны Vm=15·D0·L9 дают значение D0=5·10-14 с-1, что совпадает со зна чением D0, найденным выше для стационарных условий по положению максимума интен сивности протонов различных энергий.

Событие 24 марта 1991 г. показало, что практически мгновенное формирование поя са протонов и электронов с энергией в десятки МэВ возможно также в результате прихода к Земле мощного биполярного импульса [Blake et al., 1992]. Это событие получило полное объяснение в рамках теории переноса [Павлов и др., 1993], поэтому не исключено, что на блюдаемый на L2.0-2.7 в 1964-1968 гг. нестационарный максимум протонов мог быть следствием аналогичного явления в 50-е годы (до запуска первых спутников).

Наблюдение диффузионных волн энергичных электронов во внешнем радиационном поясе является исключительно редким событием, так как даже сравнительно небольшие магнитные возмущения приводят к инжекции частиц, которые накладываются на диффу зионную волну. Кроме того, ход диффузионной волны искажается высыпаниями электро нов из пояса благодаря рассеянию на волнах, усиливающихся во время магнитных бурь.

Нужны длительные магнито-спокойные периоды, которым предшествует инжекция час тиц с формированием одиночного максимума интенсивности. Такие интервалы наиболее вероятны в периоды минимума солнечной активности. Поэтому диффузионные волны электронов удалось зарегистрировать в минимумах 19-го цикла на ИСЗ серии ЭЛЕКТРОН (1964 г.), 21-го цикла на ИСЗ серии КОСМОС (1986 г.) и вблизи минимума 22-го цикла на ИСЗ серии ГЛОНАСС (1994 г.) [Vernov et al., 1969;

Графодатский и др., 1991;

Иванова и др., 1999]. При этом на ИСЗ КОСМОС-1554 впервые была зарегистрирована на больших высотах диффузионная волна по измерениям дифференциальных потоков электронов с энергией от 0.5 до 1.0 МэВ, что является существенным для выяснения природы диффу зионных волн, и, в частности, для определения возможной зависимости скорости диффу зии от энергии электронов [Графодатский и др., 1991].

Один из наиболее ярких случаев наблюдения диффузионной волны при энергии электронов ~1 МэВ показан на рис. 8. Здесь отчетливо видны все основные характеристи ки волны: её зарождение и перемещения переднего фронта, максимума интенсивности и заднего фронта.

Рис. 8. Диффузионная волна электронов с энергией Ее~1 МэВ 05-06.12.1994 г.

по данным ИСЗ ГЛОНАСС Сравнение параметров всех наблюдаемых волн электронов с теорией диффузии под действием внезапных импульсов показывает хорошее совпадение при среднем коэффици енте диффузии D0=5·10-14 с-1. На магнитный характер диффузии указывает независимость D0 от энергии электронов в диапазоне 0.04 – 2.0 МэВ. При этом, однако, как было отмече но в работе [Тверской, 1968], возможны флюктуации D0 в пределах порядка величины вследствие квадратичной зависимости D0 от амплитуды импульса (средне-статистическая величина внезапных импульсов за длительный промежуток времени составляет ~10 нТл, что соответствует D0~4·10-14 с-1). Например, при амплитуде импульса ~40 нТл фронт диффузионной волны может сместиться за сутки на L~4. Еще более быстрое смещение пояса энергичных электронов на L~4 (за ~6 часов) было зарегистрировано на ИСЗ ЭЛЕК ТРОН [Vernov et al, 1969]. Анализ наземных данных в этом случае показал наличие трех последовательных внезапных импульсов с амплитудой ~30 нТл в течение этих 6 часов, а оценки смещения частиц согласно теории Б.А. Тверского показали полное согласие с экс периментом.

Заключение Экспериментальные исследования, выполненные на борту ИСЗ серий ЭЛЕКТРОН, МОЛНИЯ. КОСМОС и ГЛОНАСС, наряду с огромным числом других экспериментов, позволили подтвердить и проверить основные выводы теории формирования радиацион ных поясов Земли, разработанной Б.А.Тверским. Было показано, что практически во всей области существования захваченной радиации пространственно-энергетическое распреде ление частиц в широком диапазоне энергий (100 кэВ) находится в хорошем количест венном согласии с выводами теории в предположении радиальной диффузии частиц под действием флюктуации магнитного поля типа внезапных импульсов.

Литература Альвен Г., Фельтхаммар К.Т. Космическая электродинамика. М.: Мир, 1967, с.68.

Вернов С.Н., Григоров Н.Л., Иваненко И.П.. Лебединский А.И., Мурзин B.C., Чудаков А.Е. Возможный механизм создания земного корпускулярного излучения под действи ем космических лучей. ДАН СССР, 124, 1022, 1959.

Вернов С.Н., Вакулов П.В., Горчаков Е.В., Кузнецов С.Н., Логачев Ю.И., Николаев А.Г., Рубинштейн И.А., Сосновец Э.Н., Столповский В.Г., Чудаков А.Е., Эльтеков В.А. Ре зультаты исследования геометрического расположения и состава частиц радиационных поясов Земли по данным спутников "Электрон-1" и "Электрон-2". Исследования косми ческого пространства.. М.: Наука, 1965, 394.

Вернов С.Н., Иванова Т.А., Сосновец Э.Н., Тверская Л.В., Хорошева О.В., Федорова Г.И.

Инжекция энергичных электронов во внутренние области магнитосферы во время маг нитной бури 29.X-4.XI. 1968. Изв. АН СССР, сер. физ., 34, 2270, 1970.

Вернов С.Н., Бородулин В.П., Панасюк М.И., Рубинштейн И.А., Савенко И.А., Сосновец Э.Н. Наблюдение малоэнергичных протонов в июле-августе 1970 г. на спутнике "Мол ния-1". Космич. исслед., 10, 376, 1972.

Графодатский О.С, Дарчиева Л.А., Иванова Т.А.. Рубинштейн И.А., Сосновец Э.Н., Твер ская Л.В. Наблюдение диффузионной волны энергичных электронов внешнего радиа ционного пояса в июне 1986 г. Геомагн. и аэрон., 31, 1096, 1991.

Иванова Т.А., Павлов Н.Н., Рейзман С.Я., Рубинштейн И.А., Сосновец Э.Н., Тверская Л.В.

Динамика внешнего радиационного пояса релятивистских электронов в минимуме сол нечной активности. Геомагн. и аэрон., 1999 (в печати).

Ковтюх А.С., Панасюк М.И., Сосновец Э.Н. Протонная компонента радиационных поясов по измерениям на ИСЗ "Молния". Изв. АН СССР, сер. физ., 40, 496, 1976.

Ковтюх А.С., Панасюк М.И., Сосновец Э.Н. Динамика протонов кольцевого тока во время бури 25 января 1974 г. Космич. исслед., 16, 226, 1978.


Крымов Ю.С., Тверской Б.А. Об изменении энергии частиц в поле диполя при переходах между различными дрейфовыми поверхностями. Геомагн. и аэрон., 4, 397, 1964.

Лазарев В.И., Тверская Л.В.. Тельцов М.В., Хорошева О.В. Асимметричная инжекция протонов кольцевого тока во время бури 6 июля 1974 г. Геомагн. и аэрон., 17, 159, 1977.

Морозова Т.И., Панасюк М.И., Сосновец Э.Н., Тверская Л.В., Хорошева О.В. Динамика вечерне-утренней асимметрии кольцевого тока во время магнитной бури 1-2 декабря 1977 г. по данным ИСЗ "Космос-900". Геомагн. и аэрон., 22, 609, 1982.

Павлов Н.Н., Тверская Л.В., Тверской Б.А., Чучков Е.А. Вариации энергичных частиц ра диационных поясов во время сильной магнитной бури 24-26 марта 1991 г. Геомагн. и аэрон., 33, 41-46, 1993.

Панасюк М.И., Рейзман С.Я., Сосновец Э.Н., Филатов В.Н. Экспериментальные результа ты измерений протонов и альфа-частиц с энергиями 1 МэВ/нуклон в радиационных поясах. Космич. исслед., 15, 887, 1977.

Панасюк М.И. Экспериментальная проверка механизмов переноса ионов в радиационных поясах Земли под действием нестационарных электрических полей. Космич. исслед., 22, 572, 1984.

Ташкинова Л.Г. Тверской Б.А., Об электрических полях в магнитосфере Земли. Геомагн. и аэрон., 15, 171, 1975.

Тверская Л.В. Об ускорении заряженных частиц нестационарными полями в магнитосфе ре Земли. Геомагн. и аэрон., 11, 3,1971.

Тверской. Б.А. Перенос и ускорение заряженных частиц в магнитосфере Земли. Геомагн. и аэрон., 5, 793, 1965.

Тверской Б.А. Аномальная диффузия заряженных частиц в радиационных поясах Земли.

Исследования космического пространства, М: Наука, 1965, 314.

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

Тверской Б.А. Об электрических полях в магнитосфере Земли. ДАН СССР, 188, 575, 1969.

Тверской Б.А., Ташкинова Л.Г. Влияние внешнего электрического поля на токовые систе мы DP1 и DP2. Геомагн. и аэрон., 14, 1084, 1974.

Ivanova T.A., Kutuzov Yu.V., Marjin B.V., Pavlov N.N., Rubinstein I.A., Sosnovets E.N., Telt sov M.V., Tverskaya L.V. and Vlasova N.A. Some characteristics of hot magnetospheric plasma at geostationary orbit. Geophysical Monograph 97 "Radiation Belts: Models and Standards", UAG-97, ed. L.F. Lemaire, D. Heynderickx, D.N. Baker, 269, 1996.

Akasofu S.J. and Chapman S. On the asymmetric development of magnetic storm fields in low and middle latitudes. Planet. Space. Sci., 12, 607, 1964.

Blake J.B., Kolasinski W.A., Fillius R.W., Muller E.G. Injection of electrons and protons with energies of tens MeV into L3 on March 24, 1991. Geophys. Res. Letters, 19, 821, 1992.

Cahill LJ. Inflation of the inner magnetosphere during a magnetic storm. J. Geophys. Res., 71, 4505, 1966.

Davis L.R., Williamson F.M. Outer zone protons. Radiation trapped in the Earth's magnetic field., ed. B.M. McCormac, D. Reidel Publ. Co., Dordrecht, Netherlands, 215, 1966.

Frank L. A. Direct detection of asymmetric increases of extraterrestrial ring current proton inten sities in the outer radiation zone. J. Geophys.Res., 75, 1266, 1970.

Kovtyukh A.S., Panasyuk M.I., Sosnovets E.N., Tverskaya L.V., Khorosheva O.V. Enhancement of Proton Ring Current during Magnetic storms and the Development of Asymmetry in Low Latitude magnetic disturbances. Space Res., 16, 519, 1976.

Lanzerotty L.l, Webb D.C., Arthur C.W. Geomagnetic field fluctuations orbit. 2. Radial diffu sion. J. Geophys. Res., 83, 3866, 1978. Nakada N.P., Mead G.D. Diffusion of protons in the outer radiation belt. J. Geophys. Res., 70, 4777, 1965.

Tverskoy B.A. Main mechanisms in formation of the Earth's radiation belts. Rev. of Geophysics, 7, 219, 1969.

Tverskoy B.A. Electric fields in the magnetosphere and origin of trapped radiation. Solar Terre strial Physics (1970), ed. E.R. Dyer, Reidel Publ. Co., 297, 1972.

Vernov S.N., Gortchakov E.V., Kuznetsov S.N., Logatchev Yu.I., Sosnovets E.N., Stolpovsky V.G. Particles fluxes in the outer geomagnetic field. Rev. of Geophysics, 7, 274, 1969.

Заряженные частицы во внутренней гелиосфере при спокойном Солнце Логачев Ю.И.

В одной из бесед с Б.А.Тверским мы обсуждали проблему формы энергетического спектра протонов в области энергий, промежуточной между энергией частиц солнечного ветра и энергией 500 кэВ. Дело в том, что спектр протонов и других частиц выше кэВ/нуклон к этому времени был уже надежно измерен и было ясно, что (см. рис.1) правая ветвь спектра - это частицы галактических космических лучей, поток которых ослабляется при уменьшении энергии за счет модуляционных процессов, а природа левой ветви пред ставлялась дискуссионной. Если мыслимо продолжить спектр протонов левой ветви, то он "упирался" в солнечный ветер и было естественным считать, что наблюдаемые потоки протонов и других, более тяжелых частиц являются продолжением, "хвостом" нетеплово го распределения частиц солнечного ветра. Нетеплового потому, что при нормальном га уссовом распределении протонов солнечного ветра с реально измеренными температура ми (104 К) потоки протонов с увеличением энергии спадают так быстро, что никакого сов падения с наблюдаемыми потоками протонов при 0,5-1,0 МэВ не могло быть и речи, рас хождение составляло бы несколько порядков. В этом случае в спектре частиц в спокойные периоды солнечной активности наблюдался бы провал, еще один минимум в области энергий около 30-100 кэВ. Было бы интересно найти этот минимум, он имел бы принци пиальное значение, ибо разделял бы области энергий частиц различной природы, имею щих различный источник. Обсуждение этого вопроса с Б.А.Тверским привело к тому, что Б.А.Тверской поручил своему аспиранту Сергею Столбоушкину заняться эксперимен тальным исследованием этого вопроса.

В это время в космофизической лаборатории НИИЯФ МГУ шла интенсивная рабо та по созданию приборов для спутников "Прогноз", я руководил одним из участков этой работы и мы решили, что именно на спутнике "Прогноз" С.Столбоушкин проведет свой эксперимент. Задача формулировалась следующим образом: нужно измерить энергетиче ский спектр протонов при спокойном Солнце, протянув эти измерения в область как мож но меньших энергий. Сразу скажу, что с поставленной задачей С.Столбоушкин отлично справился, спектр был измерен вплоть до энергий 30 кэВ и никаких "завалов" потоков, а тем более минимумов в этой области энергий обнаружено не было. Результаты экспери мента С.Столбоушкина опубликованы в 1974-76 годах в работах /1-3/, а итоговая статья вышла в свет в 1979 г./4/.

Для регистрации протонов малых энергий можно использовать различные детекто ры: полупроводниковые, сцинтилляционные, электростатические анализаторы и другие, но во всех случаях нужно защититься от случаев имитации протонов другими частицами.

Кроме того, т.к. потоки фоновых частиц сравнительно невелики, потоки протонов с энер Рис.1. Энергетический спектр протонов во внутренней гелиосфере при спокойном Солнце гией 1 МэВ, например, составляют всего несколько единиц на 10-3 /(см2·с·ср·МэВ), необ ходимо было стремиться к возможно большему геометрическому фактору прибора. Полу проводниковых детекторов достаточно больших размеров мы тогда не имели и останови ли свой выбор на сцинтилляционном детекторе, выбрав из большого их разнообразия CsJ(Tl), доступным, хорошо обрабатывающемся, обладающим линейной передачей энер гии для частиц разной ионизующей способности, не боящимся соприкосновения с атмо сферой. Последнее было особенно важным, ибо для регистрации протонов малых энергий (30 кэВ) нужно было использовать практически открытый детектор, т.к. малейшая защита детектора поглотит исследуемые частицы (пробег 30-ти кэвных протонов в алюминии со ставляет меньше 1 микрона).

В дальнейшем сложилось так, что С.Столбоушкин не смог продолжить эту работу, Б.А.Тверской тоже занялся другими вопросами и к изучению фоновых потоков частиц при спокойном Солнце мы с М.А.Зельдович и венгерскими физиками из Центрального физи ческого института Академии наук Венгрии (К.Кечкемету и др.) вернулись только спустя 10 лет. Ниже будут представлены результаты этих исследований, идея осуществления ко торых, как было сказано выше, возникла при обсуждении с Б.А.Тверским еще в начале 70-х годов.

Межпланетный фон заряженных частиц - что это такое? Идеальным определением могло бы быть такое - это потоки частиц в отсутствии всех активных процессов на Солнце и в межпланетном пространстве. Но в природе такого не бывает: на Солнце всегда проис ходят какие-либо слабые активные процессы и в межпланетном пространстве тоже, о чем свидетельствует модуляция ГКЛ, которая не равна нулю даже при самой слабой солнеч ной активности. Кроме того, в космосе находится измерительный прибор, который, строго говоря, также может быть источником вторичных частиц, возникающих от взаимодейст вия частиц ГКЛ с веществом прибора. Исходя из этого можно дать такое определение межпланетного фона заряженных частиц: это потоки частиц различной природы и энер гии, которые никогда не опускаются ниже некоторого предельного уровня, обеспечивае мого как постоянно протекающими магнито-плазменными процессами на Солнце и в межпланетном пространстве, так и проникающими в гелиосферу частицами космических лучей. Определить этот уровень (для частиц разного вида и энергии) достаточно трудно, в особенности если он сравним или ниже потока вторичных частиц, возникающих из-за на личия самого регистрирующего прибора. Такая ситуация может иметь место в минимуме энергетического спектра протонов, т.е. при энергиях 10-20 МэВ (см. рис. 1). Здесь потоки протонов составляют около 10-5/(см2·с·ср·МэВ), что при геометрическом факторе 1- см2·ср обеспечивается одним-двумя отсчетами прибора в сутки (при единичном энергети ческом интервале). Создание приборов, обеспечивающих такую надежность от ложных срабатываний крайне затруднительно, поэтому зарегистрированным потокам протонов в Рис. 2. Вращающуюся вместе с Солнцем структура потоков малоэнергичных протонов, Данные IМР-8 представлены на панели а и в, данные Helios-1 – панель б.


Временная шкала панели в сдвинута относительно панели а на 13 суток.

Обозначения "В1939", "В1940" и "В1941" – номера Бартельсовских оборотов Солнца.

области минимума энергетического спектра нельзя придавать абсолютного значения.

Качественные исследования потоков частиц в этой области энергий требуют при боров с достаточно большими геометрическими факторами (100 см2·ср) и низким уров нем собственного фонового счета, что представляется еще делом будущего.

При длительных измерениях можно заметить, что в периоды спокойного Солнца потоки малоэнергичных частиц имеют некоторую пространственную структуру, сохра няющуюся в течение нескольких оборотов Солнца. Особенно это хорошо видно для ре куррентных потоков частиц, на порядок и более превышающих потоки в соседних облас тях. Рекуррентные потоки иногда существуют несколько оборотов Солнца, что неодно кратно наблюдалось и на спутниках "Прогноз" /5/. Но оказывается, что существуют не только рекуррентные возрастания потоков, но и рекуррентные минимумы, т.е. Солнце в спокойные периоды создает в пространстве, по крайней мере на расстояниях до орбиты Земли, некоторую структуру потоков частиц, распределенных по долготе минимумов и максимумов, которая сохраняется практически неизменной длительное время, вращаясь вместе с Солнцем. Такие потоки обнаружил очень хороший прибор CPME на американ ских спутниках IMP для регистрации частиц малых энергий /6/, проводивший в обшей сложности непрерывные измерения в течение почти 20 лет. Эту ситуацию иллюстрирует рисунок 2, скомпонованный по данным спутника Земли IMP и спутника Солнца “Helios-1” /7/. Здесь хорошо видны рекуррентные области минимальных потоков на 1939-1941 Бар тельсовских оборотах Солнца. Измерения на спутнике IMP проводились вблизи Земли, а на космическом аппарате “Helios” также на 1 а.е. на противоположной относительно Зем ли стороне Солнца, куда вращающаяся вместе с Солнцем околоземная область простран ства перемещается приблизительно через две недели. На рис. 2 показания прибора на Helios'е сдвинуты на 13 дней, и мы видим подобную картину потоков. Некоторое отличие временной структуры потоков на “Helios-1” по сравнению с потоками на IMP'е может объясняться тем, что “Helios” из-за наклона оси Солнца находится на другой гелиоширо те, чем IMP'ы. Таким образом два независимых прибора в разных точках пространства по казали одинаковую картину потоков частиц, вращающихся вместе с Солнцем.

Как возникают такие вращающиеся вместе с Солнцем области минимальных пото ков? Это можно понять, если предположить, что в гелиосфере всюду существуют посто янные, фоновые, потоки частиц на некотором минимальном уровне, на которые наклады ваются дополнительные потоки ускоренных на Солнце или в межпланетном пространстве частиц. В периоды высокой солнечной активности фоновые потоки многократно пере крываются и увидеть их можно только при спокойном Солнце, да и то только в некоторых секторах околосолнечной структуры пространства. Каков энергетический спектр частиц этих минимальных ("фоновых") потоков, как он меняется со временем? На эти вопросы Рис. 3. Энергетические спектры протонов: а, б, в – в трех последних минимумах солнечной активности. Спектры построены по суммарным потокам для следующих временных интервалов:

минимум 1975-77 гг.: 1975 – дни 199-200;

1976 – дни 166-168;

1977 – дни 101-106 и 115-118;

минимум 1985-87 гг.: 1985 – дни 80-85 и 244-249;

1986 – дни 141-150;

169-174;

222-231;

322-324;

1987 – дни 30-50;

257-260;

273-277;

минимум 1995-97 гг.;

г – сравнение энергетических спектров протонов, аппроксимированных законом J(E) = A·E + C·E, для трех последних минимумов солнечной активности.

пытались отвечать многие исследователи, что можно видеть в работах /8-26/. Однако это были разрозненные измерения, выполненные различными приборами, относящиеся к со вершенно различным условиям в межпланетном пространстве (авторы работ использова ли различные критерии для выбора спокойных периодов). Нам кажется естественным, что отвечать на эти вопросы нужно по данным измерений, относящихся к минимумам сол нечной активности, когда дополнительных, маскирующих потоков значительно меньше и существуют длительные участки чисто фоновых потоков частиц. Именно для таких "очень спокойных" периодов построены представленные ниже энергетические спектры протонов для трех последних минимумов солнечной активности (см. рис 3 а, б, в). Очень спокойные периоды выбирались так, чтобы в 5-ти суточные интервалы времени интен сивность не превышала 3·103 частиц/(см2·с·ср·МэВ). Спектры в самые спокойные периоды солнечной активности дают только первое приближение к спектрам настоящих "фоновых" потоков частиц, представляют их верхнюю границу.

Эти рассуждения относятся к левой ветви энергетического спектра, которую мы по традиции называем ветвью солнечного (или межпланетного) происхождения, хотя, как уже говорилось, природа этих потоков пока неизвестна. Может быть наблюдаемые потоки носят внесолнечный характер, а может быть они создаются некоторыми постоянно проте кающими процессами на Солнце или генерируются в непрерывно флуктуирующих маг нитных полях внутренней или внешней гелиосферы.

Отмечу, что правая, галактическая ветвь спектра, в периоды высокой солнечной активности имеет меньшие потоки, чем на представленных спектрах в минимумах актив ности из-за большей их модуляции, что естественно, так как для энергий выше Еmin (энер гии минимального потока частиц) фоновые потоки определяются галактическими косми ческими лучами, преобладающими над солнечными и межпланетными источниками. По лученный минимальный спектр, таким образом, относится только к левой ветви. Аппрок симация левой ветви всех трех спектров законом J(E) = A·E приводит к величинам А и, представленным в таблице 1. Для полноты картины в таблице 1 приведен также аппрок симатизационный параметр C из закона J(E)=C·E, описывающего правую, галактическую ветвь спектра. Сумма этих двух компонент J(E) = A·E + C·E дает описание полного спектра, относящегося к интервалу энергий протонов 0,3-100 МэВ.

Здесь Е в МэВ, J, А и С имеют размерность прот/(см2·с·ср·МэВ).

Таблица Минимумы солнечной активности А С 2,1·10-3 2·10- 1975-77 гг. 2, 1,5·10-3 9·10- 1985-87 гг. 3, 6,3·10-3 2·10- 1996-96 гг. 3, Для сравнения между собой этих спектров в разные минимумы они приведены на рис. 3г своими аппроксиматизационными кривыми.

Рис. 3 и таблица 1 прежде всего говорят о том, что, в первом приближении, эти спектры одинаковы, т.е. несмотря на то, что минимумы солнечной активности разделены большим временным интервалом, минимальные потоки остаются постоянными, т.е. суще ствуют некоторые фундаментальные процессы, обеспечивающие стационарную картину потоков при отсутствии ярких активных проявлений солнечной активности, типа замет ных солнечных вспышек и др. Задача ближайших лет выделить эти фундаментальные процессы, которые могут быть сродни тем, которые обеспечивают постоянство светимо сти Солнца и постоянство потока солнечных нейтрино.

Установленное выше наличие минимального фонового уровня потоков протонов требует найти источники этих потоков. Высокая степень их постоянства требует и посто янства источников. Среди различных явлений природы сейчас известно несколько, отве чающих этому требованию: это галактические космические лучи вне гелиосферы и про цессы в недрах Солнца, обеспечивающих постоянство светимости Солнца и потока сол нечных нейтрино. Создание наблюдаемых на левой ветви спектра постоянных потоков протонов с помощью этих процессов является проблематичным, пока не видно конкретно го механизма ускорения протонов до энергий 10-20 МэВ.

Обращает на себя внимание также постоянное существование солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, хотя их параметры и испытывают сильные вариации со временем, но так же как в случае наших потоков, скорость и плотность частиц солнечного ветра никогда не опускаются ниже некоторого уровня, флуктуации магнитного поля так же никогда полностью не исчезают.

Отметим, что наши фоновые потоки протонов и частицы солнечного ветра пред ставляют два совершенно независимых ансамбля частиц, резко отличающихся не только по энергии, но и по угловому распределению частиц: частицы солнечного ветра движутся прямолинейно по радиусу от Солнца, а фоновые потоки частиц обладают высокой степе нью изотропии. Плотность энергии частиц солнечного ветра намного превышает плот ность энергии межпланетного магнитного поля и солнечный ветер увлекает за собой меж планетное магнитное поле, в то время как плотность энергии потоков фоновых частиц на много меньше плотности энергии межпланетного магнитного поля и их движение управ ляется магнитным полем. Естественно, что ускорившаяся частица солнечного ветра может перейти из своего ансамбля в ансамбль фоновых потоков, а обратный переход практиче ски невозможен: энергичная частица раньше покинет занимаемую область пространства, чем замедлится и подхватится движущимся вместе с солнечным ветром магнитным по лем.

Если спектр наших протонов является нетепловым хвостом частиц солнечного вет ра, т.е. наблюдаемые фоновые частицы возникли в результате перехода их из одного ан самблю в другой, то должна наблюдаться определенная связь между скоростью солнечно го ветра и потоками протонов: при возрастании скорости солнечного ветра потоки прото нов, по крайней мере самых малых энергий, также должны возрастать. Возможна связь между потоками фоновых протонов и другими параметрами солнечного ветра (темпера турой, плотностью и потоком частиц). Исследование этого вопроса, однако, показало, что никакой связи между параметрами солнечного ветра и потоками 1-мэвных протонов не наблюдается /27/. Это означает, что солнечный ветер не может рассматриваться как ис точник основной части фоновых протонов в области энергий 0,3-20 МэВ.

Другие возможные источники фоновых потоков частиц (галактические космиче ские лучи, ускорение флуктуациями межпланетного магнитного поля и в различных сла бых проявлениях солнечной активности) еще не исследованы и вопрос о природе фоно вых потоков остается открытым.

Это рассмотрение относится к периодам спокойного Солнца, которые занимают малую часть общего времени. В остальное время потоки малоэнергичных частиц, относя щихся к левой ветви спектра, сильно варьируют: после вспышек на Солнце их поток резко увеличивается, затем происходит спад до некоторого уровня, снова увеличение и т.д. Если нет дополнительных источников частиц, то их поток постепенно уменьшается за счет вы носа солнечным ветром, пока не достигнет некоторого минимального значения, характер ного для данного уровня солнечной активности.

Как уже говорилось выше, самые низкие, фоновые, значения потоков наблюдаются в минимумах солнечной активности, а при ее повышенном уровне минимальные потоки могут на порядок и более превосходить фоновые значения. Выбранные минимальные в каждом году значения потоков протонов с энергией около 1 МэВ для последовательного ряда лет, начиная с 1975 года, приведены на рис. 4. Для некоторых лет такие минималь ные значения потоков определить не удается из-за очень больших дополнительных пото ков от активных процессов на Солнце. В эти годы нет достаточно длительных интервалов (2 суток и более), в которых потоки частиц сохранялись бы на минимальных уровнях. Для имеющихся коротких интервалов с малыми потоками ясно, что если бы не возрастания потоков, возникающие сразу за этими интервалами с минимальным уровнем потока, мы имели бы более низкие значения потоков. Для таких периодов можно указать только верхний предел потока. На рис. 4 это точки, относящееся к 1978-84 гг. и 1989-92 гг. Здесь же даны значения Rz (числа Вольфа), характеризующего уровень солнечной активности в Рис. 4. Минимальные в году потоки протонов 1 МэВ за 1975-92 годы и среднемесячное значение солнечной активности Rz, относящееся к месяцу с минимальным потоком.

тот же месяц года, в котором наблюдались минимальные потоки протонов. Из рисунка видно, что минимальные потоки сильно изменяются в течение цикла солнечной активно сти, но четкой корреляции с Rz не наблюдается, что объясняется тем, что параметр Rz яв ляется характеристикой всей видимой поверхности Солнца, а минимальные потоки харак теризуют активность Солнца только в небольшом интервале углов, связанным в данный момент с сектором минимальных потоков, вращающимся вместе с Солнцем.

Эти минимальные потоки, по определению, представляют собой некоторый квази стабильный уровень, возникающий при существовании динамического равновесия между Рис. 5. Минимальные спектры протонов для ряда последовательных лет (с 1984 по 1991 гг.).

выносом частиц из данного объема пространства и поступлением туда новых частиц. В каждом году этот уровень характеризует состояние межпланетной среды и генерационные возможности Солнца и интересно проследить, как изменяется от года к году энергетиче ский спектр протонов в эти периоды квазистабильных потоков частиц. На рис. 5 пред ставлены эти спектры и хорошо видно, что с приближением к периоду максимума солнеч ной активности (1980, 1990 гг.) /28/ значение Emin увеличивается, спектр как бы смещается по оси энергий в сторону больших энергий, причем форма спектра практически не меня ется, не считая незначительного изменения наклона левой ветви спектра.

Такое смещение спектра по оси энергий является совершенно естественным, так как при увеличении солнечной активности увеличивается число и мощность процессов, происходящих на Солнце, способных генерировать энергичные частицы, и усиливается, в среднем, возмущенность межпланетного магнитного поля, что, в свою очередь, также приведет к усилению генерации частиц левой ветви спектра и большей модуляции галак тических частиц (правой ветви спектра), т.е. к перемещению спектра в сторону больших энергий. При некотором соотношении генерирующих и модулирующих свойств Солнца спектр будет строго только перемещаться вдоль оси энергий, не опускаясь и не поднима ясь по оси ординат, что говорило бы о синхронизации всех процессов, обеспечивающих появление данного энергетического спектра. Сразу отметим, что такая картина наблюда ется, как будет видно из дальнейшего, в тех случаях, когда показатель степени левой вет ви спектра превышает 2,8. Для спектров с меньшими показателями картина более слож ная.

В течение года кроме самых минимальных участков потоков, для которых на рис. приведены энергетические спектры, имеются и другие временные интервалы, где потоки частиц сохраняются постоянными. Естественно посмотреть как меняются энергетические спектры протонов в этих случаях, относящихся, как правило, к разным уровням солнечной активности. С этой целью были выбраны не только "спокойные" интервалы, но и те, где потоки протонов оставались в течение 10-12 часов или более постоянными с точностью до 10-20%, т.е. интервалы времени с "квазистабильными" потоками частиц, независимо от их величины. За "спокойные" периоды принимались такие периоды, для которых постоянст во потока протонов с энергией 1 МэВ осуществлялось на уровне 10-2 час тиц/(см2·с·ср·МэВ) или менее в течение 2-3 суток или более. Длительное квазипостоянство потоков частиц при достаточно высоком уровне может возникнуть на этапе спада интен сивности протонов после вспышки или иного возрастания, который прекращался из-за по явления в межпланетном пространстве компенсирующих спад процессов, несмотря на то, что "истинный" фон еще не был достигнут, т.е. наблюдалось состояние динамического равновесия между уходом и пополнением частиц в данной области пространстве: отток частиц компенсировался поступлением новых частиц.

Источниками дополнительных потоков частиц могут быть процессы ускорения частиц на Солнце, например, в микровспышках, и в межпланетном пространстве. Отме тим, что при большой солнечной активности выход малоэнергичных частиц из внутрен ней гелиосферы затруднен вследствие большей турбулизованности межпланетного маг нитного поля, что облегчает компенсацию потерь частиц ускорительными процессами.

Для изучения вариаций энергетических спектров при разных уровнях солнечной активности были выбраны 119 спокойных периодов, в которых потоки находятся или на минимальных уровнях или сохраняются квазистабильными в течение достаточно дли тельного времени, сутки или более /29, 30/.

Рассматриваемый интервал энергий (0.3-100 MeV) охватывает как галактические протоны, так и солнечные. К солнечной или гелиосферной ветви спектра относятся про тоны с энергией вплоть до нескольких МэВ вблизи минимума солнечной активности и до энергий 20-30 МэВ в максимуме солнечной активности (см. рис. 1). Выше этих энергий растущая ветвь спектра обусловлена галактическими протонами. Минимум интенсивно сти в спектре наблюдается при энергии, разделяющей эти две ветви энергетического спек тра.

Для унификации параметров построенных спектров они, также как и в минимумах солнечной активности, были аппроксимированы простыми законами: левая ветвь спектра функцией A·E-, а правая функцией C·Е. Сумма этих независимых друг от друга аппрок симаций, для каждой из которых коэффициенты А, C и определялись методом наимень ших квадратов, принималась за общую аппроксимацию всего спектра:

J(Е) = A·E + C·E, где Е- кинетическая энергия протонов, а J, А и С выражены в потоках на см2·с·ср·МэВ.

По найденным таким образом коэффициентам А, C и вычислялись значения Emin и J(Emin), обозначаемое в дальнейшем как B, т.е. B=J(Emin). Отметим, что, так как в районе минимума спектра точность измерений невелика и наблюдается большой разброс данных, 4 ближайшие точки, прилегающие к минимуму (по две в ту и другую стороны) при ап проксимации во внимание не принимались.

Ошибки определения параметров спектров составляли обычно около 10% для А и C и около 0,1 для. Ошибка величин B и Emin, вычислявшихся по параметрам А, C и, не Рис. 6. Зависимость параметров аппроксимации спектров протонов от времени.

превышали 25% и 1 МэВ соответственно. Полученные таким способом параметры А, В, С, и Еmin для всех 119 исследуемых спектров, вместе с датами выбранных временных ин тервалов, сравнивались между собой для изучения динамики спектров при разных уров нях СА. Рис. 6 показывает как эти параметры менялись со временем, с 1974 года по год, здесь же приведен уровень солнечной активности ( значение чисел Вольфа - Rz). Из рисунков 6 видно, что от уровня солнечной активности параметры А, В и С зависят очень слабо, что, как уже говорилось выше, объясняется тем, что числа Вольфа характеризуют Солнце как звезду, в то время как исследуемые спектры принадлежат только ограничен ному интервалу долгот, относящемуся к данному периоду наблюдений.

Значения минимальной энергии (Emin), при которой возникает минимум потока час тиц в спектре, увеличивается с увеличением солнечной активности, что было отмечено и для периодов с самыми низкими потоками протонов в течение каждого года (см. рис. 5).

Это объясняется тем, что при возрастании солнечной активности увеличивается генерация частиц малых энергий и усиливаются модуляционные воздействия на частицы ГКЛ, что и приводит к сдвигу спектров в сторону больших энергий /28/. На рис. 7 дано распределение этих же параметров по их величине.

Особый интерес представляет распределение наклонов спектров (параметр ).

Здесь отчетливо просматриваются две группы спектров: с 2,8 и с 2,8. Можно ска зать, что спектры с малым значением чаще наблюдаются при высоком уровне солнечной активности, чем спектры с большими значениями. Как будет видно ниже, вариации спектров в этих двух группах в связи с изменением условий в межпланетном пространст ве, и солнечной активности, в частности, также сильно отличаются.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.