Солнечно-Земная Физика 40 ЛЕТ КОСМИЧЕСКОЙ ЭРЫ В НИИЯФ МГУ Ю.И.Логачев

НАША ИСТОРИЯ

VII. ИЗУЧЕНИЕ РАДИАЦИОНЫХ ПОЯСОВ ЗЕМЛИ НА СПУТНИКАХ "ЭЛЕКТРОН" И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

Первые полеты ИСЗ и лунных аппаратов позволили определить основные контуры радиационных поясов Земли и поставили задачу детального их исследования. По программе "Электрон" было запущено 4 спутника: "Электрон-1,-2,-3,-4". Особенности траекторий этих спутников и тот факт, что они запускались попарно ("Электрон-1" и "Электрон-2", а затем "Электрон-3" и "Электрон-4") на существенно различные орбиты позволили провести широкие исследования РПЗ. Спутники "Электрон-1,-3" имели меньшую высоту в апогее ( около 7000 км над поверхностью земли) и исследовали в основном внутренний пояс, а спутники "Электрон-2,-4" с более вытянутой орбитой (более 10 радиусов Земли) - внешний пояс и радиацию за поясами. Запуск каждой пары спутников осуществлялся одной трехступенчатой ракетой-носителем. Наклонение плоскости орбит спутников "Электрон" к плоскости экватора составляло 61^о. Апогей располагался в южном полушарии. Такие орбиты очень хорошо соответствуют задаче изучения радиационных поясов, они пересекают наиболее интересные области поясов как на высоких, так и на экваториальных широтах.
Для исследования РПЗ на спутниках "Электрон" было установлено до десяти различных приборов, в которых в качестве детекторов заряженных частиц использовались различные сцинтилляционные, полупроводниковые и газоразрядные счетчики, позволявшие раздельно регистрировать потоки электронов и протонов в широком диапазоне энергий: электроны регистрировались в интервале 30 кэВ - 15 МэВ, протоны - в интервале 0,5-200 МэВ.
На спутниках "Электрон", также как и на других, был большой дефицит телеметрической информации и было необходимо осуществлять ее сжатие, что в данном эксперименте достигалось применением логарифмических пересчетных схем. Они позволяли с помощью одного 8-ми разрядного двоичного канала телеметрии передавать скорости счета практически любого физического параметра, изменяющегося в широком диапазоне. Главная заслуга в разработке этих схем принадлежит Э.Н.Сосновцу, П.В.Вакулову и Ю.А.Розенталю. Такой способ передачи информации существовал в НИИЯФ МГУ очень долго и успешно, кроме спутников "Электрон" она использовалась на ИСЗ "Молния", "Прогноз" и др., а также на первых АМС и АЛС. Сейчас такой проблемы для экспериментаторов просто не существует, ибо теперь радиотелеметрические системы имеют не только аналоговые, но и цифровые каналы, которые автоматически воспринимают число поступивших на вход телеметрии импульсов за заданный промежуток времени. В последние годы космические аппараты стали укомплектовываться бортовыми компьютерами, способными выбирать оптимальные режимы регистрации потоков частиц в зависимости от их интенсивности, заданных приоритетов и т.д.
Спутники "Электрон" работали не очень долго, в сумме со всех спутников вместе информация поступала чуть меньше года. Тем не менее, из-за большого числа регистрируемых параметров обработка этой информации растянулась на пару лет. Обрабатывал информацию большой коллектив сотрудников, около 30 человек, возглавляемых квалифицированными инженерами-физиками.

Рис. 7.1 Показания протонного детектора и сцинтилляционного счетчика по каналу с энерговыделением 30 кэВ, регистрирующего тормозное излучение электронов большей энергии, на 22 витке полета спутника "Электрон-2".

Группа программистов рассчитывала траекторию спутников и L,B-координаты по начальным параметрам каждого витка, которые выдавались баллистиками из группы управления полетом спутников. Вся обработка информации велась в "две руки", т.е. двумя независимыми группами с последующим сравнением результатов. Теперь эти рутинные процедуры также ушли в прошлое. В жизнь вошла система "on line": космический борт - настольный компьютер - физик-исследователь. Чтобы не возвращаться к организации работ на спутниках "Электрон" сразу скажу, что главные действующие лица этого эксперимента, принесшего обширные сведения о радиационных поясах Земли, о чем речь пойдет чуть ниже, защитили кандидатские (Э.Н.Сосновец и В.Г.Столповский) и докторскую (Ю.И.Логачев) диссертации Исследования на спутниках "Электрон" показали, что пространственное расположение захваченной радиации очень сильно зависит от энергии и вида частиц. Пояс протонов располагается ближе к Земле, чем пояс электронов. Чем больше энергия частиц, тем ближе к Земле находится основная масса этих частиц и тем выше их интенсивность. На рис. 7.1 показаны профили поясов протонов и электронов, полученные при одном из пролетов спутника "Электрон-2" радиационных поясов Земли. В тех областях, где наблюдается минимум скорости счета электронов, поток протонов близок к максимуму. Такое распределение частиц является характерным для земной магнитосферы и объясняется существованием разных источников для электронов и протонов и различных механизмов их потерь.

Рис. 7.2 Потоки электронов и протонов различных энергий в плоскости геомагнитного экватора

На рис.7.2 показаны потоки электронов и протонов в экваториальной плоскости магнитосферы, а на рис. 7.3 дана зависимость положения магнитной оболочки, на которой достигается максимальная интенсивность протонов данной энергии, полученная в экспериментах на спутниках "Электрон". Эта зависимость может быть получена теоретически при рассмотрении перемещения частиц к центру Земли поперек магнитных оболочек /34/.
Как видно из рисунка, точки для всех энергий протонов вплоть до 30 МэВ укладываются на прямую, близкую к теоретической. Это говорит об общности происхождения протонов радиационных поясов от малых энергий до 30-50 МэВ за счет бетатронного ускорения при диффузии их с границы магнитосферы. Протоны более высокой энергии имеют другие источники, главным из которых является распад нейтронов альбедо, образованных в атмосфере Земли космическими лучами высокой энергии.
Полеты спутников "Электрон" дали ответ и на вопрос об устойчивости РПЗ и их вариациях в зависимости от уровня солнечной активности. Дело в том, что РПЗ были открыты в период максимума солнечной активности и возникла необходимость выяснить реакцию поясов при ее уменьшении. Время полета спутников "Электрон" пришлось на год минимума солнечной активности. Один из важных результатов полетов этих спутников состоял в том, что РПЗ являютя устойчивым образованием и их характеристики меняются не катастрофически при переходе солнечной активности от максимума к минимуму.
Спутники "Электрон" показали, что пространственное распределение электронной компоненты гораздо сложнее распределения протонов. Электроны разделены на две устойчивые области высокой интенсивности с минимумом между ними. Одна из областей расположена во внутренней части магнитосферы, другая - во внешней, в пределах магнитных оболочек с L > 3-3,5. Исторически эти области получили название внутреннего и внешнего радиационных поясов, хотя, как теперь ясно, это разделение имеет смысл только для электронов с энергией равной или большей примерно 100 кэВ, ибо пространственное расположение протонов и электронов совсем малых энергий перекрывает границы внешнего пояса с той и с другой сторон. А на больших расстояниях спутники "Электрон" позволили выделить еще одно образование - зону неустойчивой радиации, самую внешнюю область радиационных поясов Земли.
Наиболее четко внешний радиационный пояс определяется по электронам средних энергий (100-500 кэВ). Потоки электронов таких энергий на различных магнитных оболочках обнаруживают глубокий минимум на L = 3,0-3,2, разделяющий внутренний и внешний пояса. При увеличении L потоки электронов достигают максимума на L от 4 до 5, затем убывают и к магнитным оболочкам с L=6-7 (на ночной стороне) совершенно исчезают. Пространственное расположение внешнего пояса и другие его характеристики изменяются с течением времени. Внешний пояс как бы включен в динамическую систему: солнечный ветер-магнитосфера Земли, являясь ярким примером существования солнечно-земных связей.

Рис. 7.3 Значение магнитных оболочек L, на которых достигается максимальный поток протонов данной энергии по результатам спутников "Электрон". 1 - экспеиментальные данные; 2 - теоpия.

В то же время исследования на спутниках "Электрон" установили существования преобладающего состояния, в котором пояс находится большую часть времени. Оказалось, что потоки электронов с энергией Ее > 150 кэВ, на некоторых магнитных оболочках по данным спутников "Электрон-1 и -2" за февраль 1964 г. и спутников "Электрон-3 и -4" за июль 1964 г., хорошо совпадают между собой. Для такого сравнения использовались данные, относящиеся к периодам спокойного состояния магнитного поля. Хорошее совпадение февральских и июльских значений потоков электронов в разных районах внешнего пояса говорит о возвращении пояса к исходному состоянию после различных возмущений, т.е. о существовании некоторого устойчивого состояния, к которому внешний пояс стремится возвратиться после каждого возмущения.
При полете спутников "Электрон" также было обнаружено интересное образование - узкий пояс энергичных электронов (Ее > 6 МэВ). Этот пояс уже существовал к моменту запуска спутников "Электрон-1,-2" (30 января 1964 г.) и практически исчез ко времени запуска спутников "Электрон-3,-4" (11 июля 1964 г.). На рис. 7.4 приведены данные некоторых последовательных пролетов спутником "Электрон-1", приблизительно каждого десятого-пятнадцатого, области зазора между внутренним и внешним поясами по прибору, регистрировавшему энергичные электроны (Ее > 4 МэВ). Хорошо видно наличие пика таких электронов на L = 2,75. Сравнение показаний различных приборов позволило более точно определить энергию этих электронов, которая оказалась заключенной в интервале 6-8 МэВ /35/.

Рис. 7.4 Пояс энергичных электронов Ее > 6 МэВ по данным спутников "Электрон"

В 1964 году это экзотическое явление не было объяснено. C тех пор, однако, произошло еще несколько подобных и более мощных событий, объяснение которых было найдено в рамках быстрых забросов частиц во внутренние области магнитного поля под действием коротких интенсивных одиночных или более слабых групповых внезапных положительных импульсов магнитного поля /34/.
Перемещение электронов с энергией > 500 кэВ под действием слабых, но гораздо более частых внезапных импульсов также было замечено на спутниках "Электрон". Последовательные во времени профили электронов, ясно показывающие их перемещение в сторону малых L, и получившие название "диффузионной волны", были дважды зарегистрированы во время полетов спутников "Электрон" : 4-11 августа и 7-13 сентября 1964 г., несмотря на то, что полет этих спутников, как уже говорилось, пришелся на период минимума солнечной активности. Это означает, что в годы повышенной солнечной активности эти процессы будут происходить гораздо чаще и эффективнее, т.е. в годы высокой солнечной активности источник частиц становится более мощным, обеспечивая приток новых частиц в пояса. В то же время в максимуме солнечной активности увеличиваются и потери частиц из-за более частых магнитных возмущений.

Во время полетов спутников "Электрон" произошло также несколько слабых магнитных бурь, при которых наблюдались специфические вариации потоков электронов во внешнем поясе. Внутренний пояс при этом продолжал оставаться стабильным, что, по-видимому, объяснялось слабостью происшедших магнитных бурь. Более сильные бури сказываются и на структуре внутреннего пояса. Отметим, что спутники "Электрон-1,-2" были первыми спутниками, испытавшими на себе губительное воздействие интенсивных потоков энергичных заряженных частиц радиационных поясов Земли. Особенно пострадал спутник "Электрон-1", часто попадавший в потоки протонов внутреннего пояса, из-за чего его солнечные батареи быстро вышли из строя. Спутник "Электрон-1" активно существовал всего 40 дней, с течением времени его солнечные батареи из-за облучения теряли способность вырабатывать электроэнергию (при одном и том же световом потоке электрическая мощность падала), и в конце концов отказали полностью. Спутник "Электрон-2" большую часть времени находился за поясами или во внешнем поясе, где проникающая способность частиц (электронов) не так велика, и он работал около 5 месяцев. Для спутников "Электрон-3,-4" на солнечных батареях были сделаны защитные экраны и они работали уже существенно дольше.

Обширные исследования РПЗ на спутниках "Электрон", обнаружение ими квазистационарного состояния внешнего пояса, изучение редких и отчетливых вариаций потоков и структуры РПЗ в 1964 г., явились побудительным стимулом для Б.А.Тверского, чтобы разработать и проверить теорию формирования радиационных поясов Земли на основе дрейфа захваченных частиц под действием внезапных импульсов магнитного поля /34/. Напомним, что спутники "Электрон" дважды регистрировали постулированные Б.А.Тверским возникающие при этом диффузионные волны электронов.
Дальнейшее изучение РПЗ проводилось в НИИЯФ МГУ при полетах спутников "Молния", "Горизонт", "Галс" и других, как правило, предназначенных не для изучения РПЗ, но траектории которых пролегали в магнитосфере Земли и их было очень удобно использовать для этих целей.

Установка приборов для изучения РПЗ на этих аппаратах стала возможной из-за обнаруженной на спутниках "Электрон" большой радиационной опасности полетов в поясах радиации, а также при вспышках на Солнце, что диктовало необходимость постоянной регистрации потоков этих частиц при любых полетах космических аппаратов. В результате разъяснительной работы, проводившейся сотрудниками НИИЯФ МГУ, нам была разрешена установка нашей аппаратуры (попутного груза) на многих специализированных спутниках, что давало как важную информацию по радиационной обстановке на трассе полета спутников, необходимой для улучшения конструкций последних, так и для продолжения научных исследований радиационных поясов и магнитосферы Земли.
Полеты спутников "Молния" начались в 1966 году. Эти спутники предназначались для ретрансляции телевизионных программ и для телефонной, телеграфной и фототелеграфной связи. Спутники "Молния" имели сильно вытянутую орбиту с апогеем в северном полушарии на высоте около 40 тыс.км. Период обращения спутников "Молния" был около 12 часов, что диктовалось условиями наилучшей связи со спутником. Орбита спутников "Молния" оказалась очень удобной для изучения радиационных поясов Земли, на этой орбите спутник дважды в сутки пересекал радиационные пояса, что сильно упрощало разделение наблюдаемых пространственно-временных эффектов, ибо спутники ежедневно проходили одни и те же области пространства.

Другими спутниками связи , также использовавшимися для изучения радиационных поясов Земли, были геостационарные спутники "Горизонт", "Галс" и другие. Геостационарные спутники имеют экваториальную, близкую к круговой орбиту на высоте 35800 км над повеpхностью Земли, что соответствует параметру L = 6,6 -+ 0,15, причем изменение L на 0,15 происходит в течение суток из-за сдвинутости магнитного диполя относительно центра Земли. Tакие небольшие изменения L имеют место только в спокойных геомагнитных условиях, при возмущениях магнитного поля Земли реальные магнитные оболочки в точках нахождения геостационарных спутников могут изменяться значительно сильнее, доходя с дневной стороны до L = 8-10, а при особенно сильных поджатиях магнитосферы геостационары могут даже выйти за границу магнитосферы. Первый геостационарный спутник Syncom-3 весом 25 кг был выведен на орбиту США в 1964 году (Syncom - сокращение от Synchronous Communication), в СССР геостационарный спутник "Радуга" весом 2 тонны был запущен в 1975 году. В дальнейшем спутники "Молния", геостационары и другие ( Глонасс ) запускались регулярно и многие из них были укомплектованы радиометрической аппаратурой НИИЯФ МГУ. Эта аппаратура предназначалась для исследования уже более тонких эффектов в радиационных поясах и магнитосфере Земли, для изучения их состава, источников и потерь частиц из поясов, обусловленных различными динамическими процессами, протекающими в поясах под действием изменяющихся потоков солнечного ветра. Интенсивно проводились и теоретические исследования, дополняющие и подталкивающие экспериментальные работы. Большинство экспериментальных работ по исследованию магнитосферы проводилось в лаборатории Б.А.Тверского и под его руководством. Ниже приведены некоторые явления в радиационных поясах и магнитосфере Земли, в изучении которых НИИЯФ МГУ внес заметный вклад. Перечислить всех участников этих работ очень трудно, поэтому я назову только главных действующих лиц. Среди экспериментаторов и тесно к ним примыкающих интерпретаторов результатов экспериментов это- Е.В.Горчаков, М.И.Панасюк, Э.Н.Сосновец, Н.А.Власова, Т.А.Иванова, А.С.Ковтюх, Б.В.Марьин, С.Я.Рейзман, И.А.Рубинштейн, Б.А.Савин, Л.В.Тверская, М.В.Тельцов, О.В.Хорошева, В.И.Шумшуров и др.
Экспериментами в магнитосфере занимались также в ОКФИ (заведующий И.А.Савенко, затем М.И.Панасюк), где наиболее активными являлись С.Н.Кузнецов, Ю.В.Гоцелюк, О.Р.Григорян, А.В.Дмитриев, Г.Я.Колесов, Ю.В.Минеев, И.Н.Мягкова, А.Н.Подорольский, В.Г.Столповский, А.В.Суворова, Е.Д.Толстая, П.И.Шаврин, Б.Ю.Юшков и др.
Теоретическими разработками проблем радиационных поясов и магнитосферы Земли занимались И.И.Алексеев, А.П.Кропоткин, Б.А.Тверской, В.П.Шабанский, Л.М.Алексеева, А.Е.Антонова, Е.Е.Антонова, В.С.Бассоло, Е.С.Беленькая, Н.Ю.Ганюшкина, Ю.И.Губарь, В.Д.Ильин, С.А.Мартьянов, В.И. Северинов, В.В.Суворов и др.

Этот перечень только ведущих специалистов НИИЯФ МГУ, участвовавших в магнитосферных работах, говорит о мощной ударной силе, существовавшей в институте, и неудивительно что наши успехи в изучении радиационных поясов и магнитосферы Земли также достаточно впечатляющи. Не берусь перечислить все наши достижения из-за их многочисленности, остановлюсь лишь на главных из них. Прежде всего, это теория радиационных поясов Земли, постулирование и экспериментальное подтверждение основных механизмов пополнения поясов частицами. Среди них бетатронное ускорение частиц при их диффузии с периферии во внутренние области магнитосферы, затем эффект "рогатки" и заброс частиц на внутренние L-оболочки под действием интенсивных внезапных импульсов магнитного поля, вызываемых резкими порывами солнечного ветра. На рис. 7.5 приведена глубина заброса электронов с энергией 0,5-1,0 МэВ от мощности магнитной бури, характеризуемой величиной Dst-вариации.

Рис. 7.5 Зависимость глубины заброса электронов с энергией Ее > 1 МэВ на внутренние оболочки магнитосферы Земли в зависимости от мощности магнитной бури ( величины Dst-вариации геомагнитного поля ).

Этот рисунок получен по данным разных космических аппаратов для многих магнитных бурь /36/. Теория внесла важный вклад и в определение механизмов потерь частиц из поясов, главными из которых являются изменение критического импульса захваченных частиц, взаимодействие электромагнитных волн с заряженными частицами и различного рода неустойчивости: конусная, циклотронная и др. Все эти явления и процессы исследовались также и экспериментально и иногда эксперимент опережал теорию.
Очень важные эксперименты относятся к изучению структуры и состава частиц кольцевого тока, его возникновения и развития, предопределяющего начало магнитных бурь. Исследования (Панасюк М.И., Сосновец Э.Н., Власова Н.А.) показали, что cостав ионов кольцевого тока в спокойных условиях оказался таким же, как и состав солнечного ветра, а при возмущениях магнитосферы кольцевой ток обогащается однократно ионизованными ионами кислорода из ионосферы Земли. Это говорит как о непосредственном проникновении солнечного ветра во внутреннюю магнитосферу Земли, так и об ионосфере как источнике энергичных частиц магнитосферы. Энергичные ионы солнечного происхождения проникают и на геостационарную орбиту, переносясь затем в более глубокие слои магнитосферы и пополняя радиационные пояса Земли /37,38/.
В составе энергичных ионов магнитосферы кроме частиц ионосферы и даже атмосферы Земли были обнаружены и энергичные частицы солнечного происхождения (солнечные космические лучи), а также тяжелые ионы аномальной компоненты космических лучей. Заряженной частице трудно попасть во внутренние области магнитосферы, магнитное поле Земли является препятствием даже для энергичных частиц. Но если частица проникла в магнитосферу через ее "слабые" точки (магнитные полюса, нейтральный слой в хвосте магнитосферы или просто со стороны хвоста через разомкнутые силовые линии), то такие частицы могут оказаться захваченными магнитосферой. Это тоже один из путей пополнения радиационных поясов Земли. Условия захвата ионов магнитной ловушкой также определены в НИИЯФ МГУ.
К очень важным результатам в изучении магнитосферы Земли относится открытие Б.А.Тверским магнитосферно-ионосферного взаимодействия, объясняющего многие процессы, протекающие в полярных шапках Земли. Это взаимодействие выражается в возникновении сильных токов, текущих вдоль силовых линий магнитного поля и соединяющих горячую магнитосферную плазму с холодной ионосферой.
Неустойчивость продольного тока приводит к его распаду на более узкие полосы, что было впоследствии подтверждено экспериментально. В 1989 году явление магнитосферно-ионосферного взаимодействия было зарегистрировано в качестве открытия /39/.

Все динамические процессы, протекающие в магнитосфере Земли вызваны воздействием на магнитосферу солнечного ветра. Исследование этих процессов проводилось в НИИЯФ МГУ и теоретически и экспериментально. Было обнаружено много новых явлений: различные неоднородности, связанные с полярными сияниями, перестройка структуры магнитосферы во время магнитных бурь, связь потоков электронов с ОНЧ-излучением и др. Исследована зависимость границы и внешних областей магнитосферы от параметров солнечного ветра с учетом межпланетного магнитного поля. Отмечу еще одно необычное явление, о котором мне недавно рассказал Э.Н.Сосновец. Речь идет о ситуации, когда в магнитосферу Земли прекращается доступ частиц солнечного ветра и магнитосфера сразу съеживается, нейтральный плазменный слой уходит далеко в хвост магнитосферы и похоже, что магнитосфера из открытой становится закрытой, т.е. большинство силовых линий становятся замкнутыми. Потоки заряженных частиц сильно уменьшаются. Такая ситуация наблюдается при наличии большой положительной перпендикулярной эклиптике компоненты межпланетного магнитного поля /40/.
Этот перечень можно было бы и продолжить, он далеко не полный, но и уже сказанного достаточно, чтобы увидеть вклад НИИЯФ МГУ в исследования радиационных поясов и магнитосферы Земли.

Исследования РПЗ продолжаются. На очереди стоит решение еще многих проблем, среди которых можно выделить проблему, заключающуюся в определении воздействия солнечной активности на процессы, происходящие в плазменных оболочках магнитосферы и в радиационных поясах Земли, в верхней и средней атмосфере Земли, а также на ее поверхности. Кратко эту проблему можно обозначить как изучение "космической погоды" при различных проявлениях активных процессов на Солнце. Связь между плотностью атмосферы на высотах полета орбитальных космических станций при разных уровнях солнечной активности с интенсивностью захваченных частиц, а, следовательно, и с дозой радиации, полученной космонавтами, становится особенно актуальной в связи с планами создания постоянно действующей Международной космической станции, высота полета которой предполагается несколько большей, чем существующей станции "МИР".
Кроме общей проблемы изучения "космической погоды" требуют решения и ряд других задач. К ним относится вопрос об ускорении электронов до релятивистских энергий во внутренних областях магнитосферы (типа CRRES-эффект) и их появлении на границе магнитосферы, коррелярующие с вариациями скорости солнечного ветра. Важной задачей является изучение состава ионов в магнитосфере Земли, их источников и механизмов ускорения. Нужно выявить роль известных источников (альбедо космических лучей, солнечной плазмы, солнечных космических лучей, ионосферных и атмосферных частиц, аномальной компоненты космичеких лучей) в различных процессах, протекающих в магнитосфере, искать новые источники. Необходимо уточнить также действие различных механизмов потерь частиц разной природы и энергии в различных режимах существования магнитосферы. Особое внимание следует обратить на аномальную компоненту, которая аккумулирует вещество Галактики в магнитосферах планет и в земной магнитосфере, в частности. Сейчас эта проблема находится в самом начале разработки.

назад		вперед		оглавление		литература
		На первую страницу по истории солнечно-земной физики