Солнечно-земная Физика справочник - учебник

ИНЖЕКЦИЯ, - ипульсные возрастания потоков электронов и протонов (ионов) с энергией от единиц до сотен кэВ во время внезапного начала активной фазы суббури, брейкапа (см) и последующих активизиций, регистрируемые на спутниках в геосинхронной области. Инжекции являются главной составляющей авроральной радиации и основным источником частиц радиационных поясов Земли.

По точному совпадению момента начала и деталей тонкой структуры временного хода с активными сияниями, рентгеновского излучения другими родственными процессами, инжекции являются одним из проявлений взрывной суббуревой неустойчивости (см.)
Термин "инжекция" (injection) возник из первой попытки объяснить происхождение этих возрастаний. Так как длительное время существовало мнение, что взрывная неустойчивость суббури развивается в хвосте магнитосферы, далеко от геосинхронной области, предполагалось, что частицы впрыскиваются, инжектируются из хвоста к Земле с одновременным ускорением.

Рис.1 Пример пролета спутника СRRES в авроральной магнитосфере. На склоне радиационного пояса видны две инжекции в 2140 и 0140UT. После первой инжекции с дисперсией по энергиям приходят электроны, совершившие полный дрейф вокруг Земли.

На рис. 1 показан пример инжекции, измеренный на спутнике CRRES. Ниже мы остановимся подробнее на следующих характеристиках инжекций: пространственное распределение, энергетический спектр, питч-угловое распределение, временной ход, связь с другими проявлениями суббуревой активности и модели ускорения частиц во время инжекций.

Совместные измерения на нескольких спутниках показали, что инжекции наблюдаются почти одновременно на протяженной по параллели области наподобие дуги полярных сияний. Чем выше магнитная активность, тем ближе к Земле сдвигается область инжекций. Положение околоземной границы инжекций, называемой иногда границей МакИлвайна (McIlwain) по имени американского ученого, автора первых исследований инжекций, описывается эмпирической формулой:

Рис.1- положение статистической границы МакИлвайна

В каждом конкретном случае область ускорения частиц ограничена и вытянутость границы инжекции по долготе создается за счет магнитного дрейфа частиц. Зависимость скорости дрейфа от энергии частицы приводит к дисперсии, задержки во временных профилях возрастания частиц меньших энергий. Тем самым создается деление инжекций на дисперсионные и бездисперсионные - в эпицентре ускорения. Так как электроны и протоны дрейфуют в разные стороны, в стороне от области ускорения наблюдается возрастание частиц одного знака.
В некоторых случаях удается наблюдать приход частиц, совершивших полный дрейфовый оборот вокруг Земли, т.н. дрейфовое эхо. Пример этого явления виден на рис.1 .
В зоне ускорения протоны и злектроны возрастают одновременно, но лишь при усреднении данных порядка минуты, при более подробном рассмотрении картина более сложная (см. ниже).

Следует отметить, что очень похожее на инжекцию резкое возрастание энергичных частиц наблюдается также во время брейкапа при выходе из дропаута (см.), однако их не следует смешивать. Природа этого возрастания связана с быстрыми движениями границы квазизахвата мимо спутника.

Граница МакИлвайна дает положение инжекций в абсолютных единицах, в расстоянии от центра Земли.

Рис.3 - Пространственное распределение инжекций, измеренных на спутнике относительно склона радиационного пояса (справа). Рисунок слева объясняет принцип определения относительной позиции.

На рис. 3 приведен результат анализа положения возрастаний на внешнем склоне радиационного пояса, причем удаленность от положения максимума пояса задается не в единицах длины, а в относительной интенсивности фонового потока частиц радиационного пояса. Склон радиационного пояса соответствует области, в которой часть энергичных частиц квазизахвачено - т.е. не совершает полного дрейфового оборота вокруг Земли. Так как граница квазизахвата с хвостом магнитосферы наблюдается при понижении потока частиц на два порядка от потока в максимуме пояса, можно утверждать, что все случай инжекции, показанные на рис. 3, происходили в области квазизахвата, а часть и в районе максимума радиационного пояса.

Временная структура. Типичная длительность крупномасштабного возрастания авроральных частиц - 20 - 60 минут - соответствует длительности суббуревой интенсификации. Отчетливо видна зависимость от энергии частиц - чем выше энергия, тем быстрее выносятся они из области ускорения магнитным дрейфом.
Каждая инжекция складывается из нескольких локальных всплесков ускорения, соответствующих суббуревым активизациям длительностью переднего фронта 10-100с. Так же как активные вспышки полярного сияния распространяются от небольшой области начального взрыва, так и локальные инжекции складываются из ступенчатых активизаций.

Рис.4- Tонкая временная структура инжекции. Сверху вниз: наклонение силовой линии, Bz - компонента магнитного поля, вариации потока электронов и протонов. Пунктирной линией обозначены моменты начала локальных активизаций.

На рис. 4 приведен пример тонкой структуры импульса инжекции, зарегистрированный на спутнике CRRES.
Следует подчеркнуть различие между временным ходом электронов и ионов. Первые возрастают согласовано в широком диапазоне энергий, тогда как вариации ионов отличаются в разных энергетических каналах иногда очень существенно. Отмечается феномен спада интенсивности потока ионов с энергией в первые десятки кэВ при одновременном росте потока ионов более высоких энергий.

Связь с локальными изменениями магнитного поля.
Начало активизации и рост интенсивности электронов совпадают с диполизацией магнитного поля - ростом вертикальной (Вz) составляющей и /или уменьшением горизонтальной (преимущественно Вх) составляющей. (см. рис.4).
Силовые линии магнитного поля вытягиваются в хвост перед началом фазы экспансии на подготовительной фазе суббури, локальное вытягивание перед инжекцией электронов и диполизацией совпадает с локальным ростом потока протонов и вызывается усилением дрейфового тока и диамагнитным эффектом. Таким образом локальный рост потока энергичных протонов (ионов) дополнительно усиливает неравновесное состояние и является триггирующим фактором в развитии и пространственном распространении суббуревой активности.

Рис.5 - трансформация энергетического спектра электронов (слева) и протонов (справа) во время инжекции. На вставке в левом рисунке приведен временной ход потока электронов и обозначены моменты измерения спектра. Передний фронт инжекции в данном случае - менее секунды.

На рис 5. приведены примеры трансформации энергетического спектра частиц во время инжекции.

Рис.5- положение статистической границы МакИлвайна

Электроны возрастают синхронно в широком энергетическом диапазоне и результирующий спектр намного мягче спектра электронов в радиационном поясе. Ионы первоначально ускоряются в узком энергетическом интервале, затем растут потоки более высоких и более низких энергий. Результирующий спектр может иметь тот же наклон, что и у спектра до возрастания. Указанные различия говорят о том, что мы имеем дело с разными механизмами ускорения частиц и разными источниками.

Питч-угловое распределение.

Рис.6- Питч-угловое распределение электронов. Слева - до инжекции, электроны радиационного пояса с распределением типа butterfly. Справа - после инжекции, распределение типа pancake, преимущественное ускорение захваченных частиц.

На рис. 6 показаны картинки трансформации питч-углового распределения частиц во время инжекции. Очевидно, что ускоряются преимущественно частицы захваченные, с питч-углом 90°, что может свидетельствовать в пользу определенного механизма ускорения (например, бетатронный механизм обладает такой избирательностью), либо указывать на преимущественное положение области ускорения вблизи геомагнитного экватора. Довольно быстро подрастает поток частиц и с меньшими питч-углами, что может говорить о эффективной диффузии по питч-углам. Если поток электронов достигает так называемого предела Кеннела-Петчека, начинается циклотронная неустойчивость, генерируются ОНЧ-излучение и автоматически устанавливается режим сильной п/у диффузии (см. пульсации высыпающихся частиц)
Механизмы ускорения. . Единого общепринятого мнения о механизме ускорения частиц во время инжекции нет. Долгое время преимущество отдавалось механизму инжекции -ускорения в процессе пересоединения. Однако перенос частиц вглубь магнитосферы должен сопровождаться магнитным дрейфом с неизбежной дисперсией по энергиям. Когда стало трудно оспаривать тот факт, что инжекции происходят в области квазизахвата, а не в хвосте магнитосферы, предположение об ускорении частиц индукционным электрическим полем, возникающим во время диполизации магнитного поля. Хорошее совпадение возрастания потока электронов говорит в пользу этой модели, хотя имеется много неясностей. Для начального ускорения ионов необходим какой-то другой механизм, о котором можно лишь сказать, что он должен обладать избирательностью по энергиям, т.е. носить резонансный характер.

Также смотри родственные разделы справочника: