|
|
Солнечно-земная |
В классификации потоков частиц, населяющих магнитосферу Земли авроральная радиация (АР) занимает промежуточное положение между потоками плазмы и захваченной радиацией. Энергетический диапазон АР - от единиц до сотен кэВ, иногда до единиц МэВ. В верхней части диапазона АР существенно перекрывается с захваченной радиацией радиационных поясов, четкого разграничения вообще нет, и главным критерием отождествления АР является ее изменчивость, ограниченное время существования.
Одно время в отечественной литературе использовался термин "зона неустойчивой радиации", отражающий изменчивость динамики частиц в области примыкающей к внешнему радиационному поясу.
Как видно из названия, к авроральной радиации относятся потоки частиц, связанные с полярными сияниями. Так как полярные сияния наблюдаются не только в зоне сияний, но и в полярной шапке и в субавроральной зоне, а иногда и в средних широтах, ясно, что такое широкое толкование не позволяет отвести для авроральной радиации какую-либо одну очерченную область в магнитосфере. И действительно, спорадические потоки энергичных электронов и ионов регистрируются практически в магнитосфере повсюду. Следует, однако, выделить две главные области обитания АР - магнитосферный хвост (МХ) (см.) и область между радиационным поясом и хвостом магнитосферы, которую мы будем называть авроральной магнитосферой (АМ) (см.) и которая проектируется на зону полярных сияний. Этим резервуарам АР мы уделим особое внимание, а о потоках частиц в остальных частях магнитосферы скажем в посвященных им разделах (см. геометрия магнитосферы).
Авроральная радиация появляется во время магнитосферных суббурь (см.), причем на разных стадиях, фазах, суббури действует несколько механизмов ускорения частиц (см), поэтому авроральную радиацию следует разделять на несколько типов по происхождению, характеру временных вариаций и энергетическому спектру (см). В 60-70 годы предлагалось много вариантов такого деления и различная терминология, в основном на базе измерения на низковысотных спутниках и ракетах. Чаще всего принято делить АР на два диапазона по энергии - мягкая или низкоэнергичная АР до 10 - 20 кэВ и жесткая или энергичная АР от 20 кэВ и выше. Этого деления мы и будем придерживаться при последующем изложении.
Быстрый одновременный рост потоков электронов и ионов, т.н. инжекция (см.) совпадает с началом активной фазы суббури и взрывной вспышкой полярных сияний (breakup, substorm onset) (см.) на остальных стадиях превалируют медленные вариации.
Переполнение магнитосферной ловушки приводит к высыпанию частиц в атмосферу, этот процесс заслуживает специального рассмотрения (см. высыпания),, т.к. с ним связаны и полярные сияния, и возмущения в ионосфере, и тормозное рентгеновское излучение (auroral X-rays) (см.)
Высыпание частиц, особенно электронов, не является монотонным, наблюдаются вариации с характерными временами от долей секунды до десятков минут и множество типов пульсаций, исследованию который посвящен специальный раздел данной работы (см. пульсации магнитного поля, авроральных Х-лучей, полярных сияний).
Схем магнитосферы много, и этому многообразию мы отвели специальный сайт,(см.). В схеме О'Брайена (рис 1),
повторяемой многократно до нашего времени, аворальной радиации отведено определенное место, включающее и замкнутые квазидипольные силовые линии и хвост магнитосферы.
На самом деле характер движения частиц, энергетические спектры и роль в развитии суббури в этих областях различаются, как различается и конфигурация магнитного поля. Поэтому авроральная зона O'Briana должна быть разделена на две - область квазизахвата и плазменный слой хвоста магнитосферы.
На рис 2 показана схема ночной части возмущенной магнитосферы, отражающая такое деление. Ночная область квазизахвата перекрывается с радиационным
 рис2 |
поясом (областью захвата), граница размыта, поскольку положение последней (внешней) замкнутой дрейфовой траектории зависит от энергии, типа и питч угла частиц. Именно область квазизахвата составляет главную часть авроральной магнитосферы (АМ) - проекции в магнитосферу аврорального кольца активных полярных сияний. Своей внутренней частью авроральная магнитосфера может во время сильных возмущений перекрываться с зоной захвата, а внешняя граница области квазизахвата (и авроральной магнитосферы) может быть очень резкой.
На рис 3 приведены радиальные профили энергичных ( > 20 кэВ) электронов (30-300 кэВ) измеренные спутником CRRES на периферии внешнего радиационного пояса.
Спутник летал в плоскости экватора по вытянутой квазигеостационарной орбите и по несколько часов в каждом обороте проводил в авроральной магнитосфере. Удаляясь от Земли, спутник проходит максимум внешнего радиационного пояса, положение которого зависит от энергии и типа частиц и выходит на внешний склон пояса. Спад интенсивности частиц определяется радиальной диффузией частиц к Земле, нарастающей потерей частиц на флангах магнитосферы из-за неполного дрейфа и питч-угловой диффузией.
Следует отметить, что за годы исследований появлялись и забывались разные деления и названия для этой области. Термин "геостационарная область" отражает тот факт, что большая часть измерений в авроральной магнитосфере сделана на геостационарных спутниках на 6.6 Re . Околоземная или внутренняя часть плазменного слоя - термин распространенный, но не очень верный, поскольку плазменный слой хвоста магнитосферы - это действительно тонкий слой, за пределами которого потоки частиц существенно меньше, тогда как в области квазазахвата несмотря на существование повышенной интенсивности в плоскости экватора, вся область заполнена энергичными частицами по всей толщине.
Часто применяется термин "внутренняя магнитосфера" для обозначения событий суббури, происходящих не в хвосте, а на замкнутых, квазидипольных силовых линиях. При таком определении "внутренняя" магнитосфера идентична авроральной.
Однако во многих публикациях прошлых лет термин "внутренняя магнитосфера" обозначал область контролируемую внутренними (дипольными) источниками магнитного поля, тогда как во внешней магнитосфере существенный вклад принадлежал внешним источникам. При таком подходе авроральная магнитосфера представляет промежуточной областью, в которой наблюдается динамическая конкуренция внутренних и внешних источников.
На фоне спада потока захваченных частиц наблюдаются резкие возрастания АР, так называемые инжекции энергичных частиц. Авроральную радиацию на приведенных примерах легко отделить от захваченной радиации по характеру временных вариаций. Вместе с тем, энергетический диапазон их существенно перекрывается.
По сути дела мы можем говорить о наличии АР только из-за заметного переполнения ловушки в данном месте. В движении частиц присутствуют все три компоненты - циклотронное вращение, скачки вдоль силовых линий и азимутальный дрейф. В некоторых случаях мы видим свидетельство полного дрейфа вокруг Земли, так называемое "дрейфовое эхо" - на место инжекции возвращаются сначала электроны самых больших энергий, затем с задержкой - все остальные.
Поток частиц за время дрейфа существенно снижается - часть высыпается в атмосферу, часть рассеивается - ловушка "освобождается" от переполнения (см. высыпание энергичных частиц) и стремится к спокойному уровню.
Моменты инжекции совпадают с активизацией суббури и эти процессы будут рассмотрены специально. Здесь же, завершая рассмотрение авроральной магнитосферы сверху, мы коснемся кратко вопроса о ее внешней границе..
При удалении дрейфовых орбит от Земли первыми теряют возможность замкнутого дрейфа частицы с питч-углом 900, наблюдается так называемый эффект расщепления дрейфовых оболочек
(см.) Поток захваченных частиц падает с расстоянием быстрее, чем частиц с меньшими питч-углами. В результате наблюдается показанный на рисунках 4 переход от захваченного питч-углового распределения (ПУР), которое часто называют распределением типа "пирожок", (pancake) через квазиизотропное к распределению типа "бабочка", (butterfly), которое свидетельствует о том, что дрейфовый характер движения все еще сохраняется. Вслед за этим переход к изотропному распределению говорит о том, что частицы больше не удерживаются в магнитной ловушке, спутник пересекает внешнюю границу авроральной магнитосферы. ( О питч-угловом распределении авроральных частиц см. подробнее на отдельном сайте. Там приведено несколько примеров последовательной трансформации ПУР ионов и электронов, измеренных на спутниках.
Как показывает статистический анализ, поток частиц у границы в 50-100 раз ниже, чем в максимуме внешнего радиационного пояса для частиц той же энергии.
Характеристики внешней границы АМ подробно рассмотрены отдельно (см. здесь).
Низковысотные спутники с полярной орбитой являются одним из основных, наиболее распространенных, источников информации о потоках энергичных частиц в магнитосфере. В отечественной науке значительную роль сыграли спутники серии "Космос", среди многочисленных зарубежных спутников выделим спутники DMSP, данные которых доступны для общего пользования и поэтому использовались для научного анализа очень часто.
Серия рисунков 5 приводит результаты измерений на ряде низковысотных спутников.
Информация о потоках частиц, измеренных на низковысотных спутниках, характеризует лишь ту часть популяции, которая находится вблизи конуса потерь или высыпается в атмосферу. По этой причине распространение результатов и выводов на все частицы, населяющие соответствующие экваториальные районы магнитосферы, следует делать с большой осторожностью. Наоборот, эти измерения потоков высыпающихся частиц должны быть тесно связаны с эффектами в ионосфере и полярными сияниями.
По материалам измерений низкоэнергичных электронов и ионов на спутнике DMSP Феирфилд и др. выделили несколько областей обитания частиц и границ между ними и сделали ряд предположений о их соответствии зоне полярных сияний и границам в возмущенной магнитосфере. Эта работа вызвала большие споры, появились альтернативные предложения, и результаты достаточно подробно изложены в работах Гальперина и Фельдштейна (см.) и Ньюмена.
На рис. 5 будут приведены графики и выводы, изложенные близко к обзору Старкова (см.).
Если сравнить приведенные выше схемы с измерениями АР в магнитосфере, получится достаточно непротиворечивая картина. Экваториальная граница центрального плазменного слоя, граница аврорального овала и граница "устойчивого захвата" соответствуют околоземной границе авроральной магнитосферы, которая может располагаться , как мы помним, на склоне или вблизи максимума внешнего радиационного пояса. Пограничный плазменный слой совпадает с приполюсной частью овала полярных сияний и проектируется на внешнюю границу авроральной магнитосферы (с плазменным слоем хвоста магнитосферы). Резкое различие энергетических спектров и других характеристик центрального и приграничного плазменного слоя свидетельствует о различии механизмов ускорения частиц и процессов суббури в целом в авроральной магнитосфере и в хвосте магнитосферы.
Адиабатичекий характер движения частиц, описанный в разделе, посвященном радиационным поясам (см), в АМ часто нарушается, хотя все три компоненты движения - ларморовское вращение, колебания вдоль силовой линии и магнитный дрейф продолжают быть определяющими.
В связи с существованием крупномасштабного электрического поля конвекции направленного с утра на вечер. добавляется еще одна важная компонента движения - ЕхВ дрейф в скрещенных электрическом и магнитном полях. Его скорость равна
V=Е/В, направлена к Земле (при указанном выше направлении электрического поля) и не зависит от энергии и заряда частицы. Так как ЕхВ дрейф направлен по нормали к электрическому полю, энергия частицы не должна меняться. Однако в комбинации с магнитным дрейфом ЕхВ дрейф приводит к изменению энергии.
Посчитать приращение энергии можно двумя способами - во-первых исходя из разницы потенциалов, проходимой частицей в процессе магнитного дрейфа, и во-вторых из условия сохранения магнитного момента частицы при переносе частицы ЕхВ дрейфом в область более сильного магнитного поля. Оба способа дают, естественно, одинаковый результат (см. ускорение частиц).
Ускорение при комбинированном магнитном и электрическом дрейфе становится особенно ощутимым на подготовительной фазе суббури, когда электрическое поле конвекции резко возрастает. На фазе экспансии суббури, после начальных инжекций частиц, этот механизм активно способствует быстрому радиальному переносу частиц и пополнению радиационного пояса.
Значительную роль в динамике частиц в авроральной магнитосфере играет взаимодействие с волнами. Колебательный характер движения несет возможность возбуждения волн и резонансного взаимодействия. Результатом является питч-угловая диффузия, радиальная диффузия, нарушение равномерного пространственного распределения частиц, группировка в дрейфовые пучки и бунчировка в сгустки при продольных колебаниях частиц. Эти процессы приводят к пульсациям потока высыпающихся частиц, полярных сияний и геомагнитного поля, изучение которых составляет обширный раздел физики магнитосферы и ионосферы (см).
Нарушение первого адиабатического инварианта - магнитного момента прежде всего наблюдается у частиц с малыми питч-углами. В результате в конусе и вблизи конуса потерь характер питч-угловой диффузии может приближаться к сильной, тогда как вблизи экватора нарушения адиабатичности остаются незначительными. При интерпретации измерений частиц на низковысотных спутниках незнание этого эффекта может приводить к серьезным ошибкам в интерпретации.
 |  |
 |
 |