СОЗДАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОННЫХ ПОЯСОВ В МАГНИТОСФЕРЕ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ

(Абстракт, выводы и несколько рисунков)


Л.Л. Лазутин, С.Н. Кузнецов, А.Н. Подорольский.

Московский Государственный университет, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Скобельцына, 119992, Россия

Полный текст в формате Word     в формате PDF    Эта страница на английском


TIME HISTORY:
30.10. 2005 Доложено на Симпозиуме SEE-2 в Ереване. Rhfnrfz dthcbz gринята к публикации в трудах SEE-2.
26.01. 2006 Отказ в публикации "Annales Geophysique"
28.02. 2006 Доложен на Апатитском семинаре
01.05. 2006 Принят к печати, ж-л "Геомагнетизм и аэрономия"
02.05. 2006 Размещение на сайте kosmofizika.ru/open

Аннотация
Представлены экспериментальные свидетельства существования механизма создания и разрушения солнечных протонных поясов во внутренней магнитосфере при быстром изменении протонной границы проникновения. Проведен анализ измерений солнечных протонов и альфа-частиц низковысотным полярным спутником Коронас-Ф во время магнитных бурь в октябре - ноябре 2003.
Создание и разрушение поясов солнечных космических лучей наблюдались несколько раз во время этого интервала.
Сжатие магнитосферы во время бури делает возможным прямое проникновение солнечных протонов глубоко во внутреннюю магнитосферу. Протонные траектории за границей проникновения открыты и предварительно захваченные частицы могут свободно покидать магнитосферу. Во время восстановления конфигурации магнитосферы, когда граница проникновения уходит от Земли, солнечные протоны и алфа-частицы с относительно низкой скоростью магнитного дрейфа остаются устойчиво захвачеными, тогда как частицы больших энергий отслеживают движение границы проникновения.
Поэтому диапазон энергии захваченных протонов ограничен сверху в отличии от эффекта инжекции во время SC, неэффективного в области низких энергий.


Рис. 1 Измерения двойной ГП спектрометром МКЛ на спунике Коронас-Ф, 30 октября 2003 года, два последовательных пересечения в вечернем секторе южного полушария. Интенсивности в каналах 50-90 МэВ и 1-5 МэВ. были нормирована по потоку в полярной шапке.

Рис. 2. Движение границ проникновения в период существования двойных границ. Ромбы и крестики обозначают внешние границы протонов 1-5 и 50-90 МэВ измеренная на уровне 0.5 от интенсивности в полярных шапках. Косые крестики - положение внутренней границы.

Рис. 3 Структура границы проникновения энергичных протонов СКЛ 29.10.03 и потоки протонов во временном поясе СКЛ

Рис. 4-6. Примеры радиальных профилей темпа счета протонов в канале 1-5 МэВ во время трех пролетов Коронаса-Ф над Североатлантической магнитной аномалией с 26.10.03 до 21.11.03.
Два пояса СКЛ 1-5 МэВ, созданные после главной фазы октябрьской магнитной бури, измеренные утром 31 октября, три пояса после бури 4 ноября и один пояс СКЛ, оставшийся после бури 21 ноября 2003г. Черные крестики -внутренний пояс протонов 50-90 МэВ.

Рис. 7 Зависимость интенсивности протонов 1-5 МэВ в максимуме поясов СКЛ от времени, вертикальные пунктирные линии указывают начало супербури 29.10, конец главной фазы в 31.10, конец магнитной бури 04.11.03 и начало супербури 20.11.03. Различные значки группмруют измерения в выделенных временных интервалах.

Рис. 8 Зависимость интенсивности протонов в максимуме поясов СКЛ от положения по L, обозначения те же что и на рис. 7

рис. 9. Реконструкция главного внутреннего протонного пояса и трех солнечных протонных поясов по измерению на спутнике Коронас-Ф 17.11.03. Внешний переход интенсивности соответствует текущей границе проникновения СКЛ. Рис 10 Зависимость интенсивности протонов 1-5 МэВ в максимуме пояса СКЛ на L=1.9-2.05 от времени после бурь 29-31 октября и 20 ноября 2003г.


4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Захват солнечных космических лучей во внутренней магнитосфере на L=2-3 наблюдался ранее во время нескольких магнитных бурь. Обсуждались два механизма формирования временного пояса солнечных космических лучей.
Первый, основанный на резонансной инжекции частиц во время SC, был достаточно подробно разработан теоретически, был экспериментально зафиксирован во время магнитгой бури 24 марта 1991 года и полагался основным и единственным для объяснения измерений во время других магнитных бурь. Этот механизм эффективно действует для солнечных протонов с энергией > 15 МэВ, и требует большой амплитуды SC для достаточно глубокого заброса во внутреннюю магнитосферу.
Дополнительное ограничение вклада этого механизма в формирование долговременной структуры внутреннего пояса накладывает рассмотренный в настоящей работе эффект разрушения пояса после SC во время главной фазы, в случае если граница проникновения солнечных протонов будет двигаться ближе в Землю чем этот пояс.
Второй механизм образования дополнительного пояса - заброс при изменении конфигурации магнитосферы на фазе восстановления, предполагался (см. например, [Павлов и др., 1993]) но лишь в общем виде без детальной проработки, количественных оценок и сравнения с экспериментом.

В настоящей работе рассмотрен и подробно проиллюстрирован по экспериментальным данным механизм захвата в ловушку солнечных протонов, которые проникают во внутреннюю магнитосферу свободно во время главной фазы магнитных бурь. Захват происходит в результате перехода от разомкнутых к замкнутым дрейфовым траекториям протонов. Собственно заброс, т.е. радиальная инжекция воздействием индукционного электрического поля происходит, замечен в анализируемых событиях, но не играет главной роли.
Рассмотренный механизм эффективен только, если импульсное восстановление магнитосферы после сжатия - достаточно короткое по сравнению с периодом магнитного дрейфа частиц. Это накладывает сильное ограничение на энергию протонов и альфа-частиц. Протоны с энергией больше чем 5-15 МэВ могут быть захвачены только в редких случаях.
Основные выводы данной работы можно сформулировать следующим образом:
1. Солнечные протоны с энергией 1 МэВ и выше после сдвига к Земле границы проникновения СКЛ могут быть захвачены во время отступления ГП, создавая пояс солнечных космических лучей на L = 2 - 4. 2. В некоторых случаях 2 или даже 3 пояса может быть создано.
3. В новом поясе СКЛ поток высыпающихся протонов быстро падает со временем по экспоненте как N=No exp (-kt), где к = 1.15 и t(час), остаются лишь устойчиво захваченные в ловушку.
4. После октябрьских бурь положение и интенсивность поясов СКЛ оставались постоянными в течение 20 дней, после бури 20 ноября пояс СКЛ на L=1.9 распался за месяц.
5. Пояс СКЛ может быть разрушен во время новой достаточно сильной магнитной бури.
6. В во время магнитной бури пояс СКЛ может сдвигаться к Земле на L= 0.1 - 0.2
7. Энергетический спектр протонов в поясе СКЛ уменьшается круто в районе 4-15 МэВ. Протоны и алфа-частицы с E> 4 МэВ были зарегистрированы только иногда и с небольшой интенсивностью. Эффективность захвата в ловушку уменьшается с энергией как ~ E-2