Солнечные протоны в магнитосфере Земли  по риометрическим и спутниковым 
данным во время магнитных бурь октября 2003 года

Кузнецов С.Н.1, Лазутин Л.Л.1, Самсонов С.Н.2, Подорольский А.А.1, 
Широчков А.В.3,  Юшков Б.Ю.1, Jyrki Manninen,4

1-НИИЯФ МГУ, 2-ИКФИА, 3- ААНИИ  4 - Sodankyla Geophysical Observatory  
Tahtelantie 62                                  email:  Jyrki.Manninen@sgo.fi
 FIN-99600 SODANKYLA                      
 FINLAND

Абстракт

Потоки и границы проникновения солнечных космических лучей измеренные 
на спутнике Коронас-Ф во время октябрьских  супербурь 2003г. сравниваются с 
измерениями риометрического поглощения на мировой сети риометров. 
Исследуется динамика границ полярной шапки на разных стадиях магнитных 
бурь. Проведен пересчет зависимости величины поглощения на разных стадиях 
вспышки СКЛ  от времени суток и спектра солнечных протонов.  

1. Введение.

Солнечные космические лучи, генерированные во время хромосферных 
вспышек на Солнце, достигают околоземного пространства и проникают в 
магнитосферу Земли, глубина проникновения зависит т энергии частиц. 
Протоны с энергией больше ГэВ достигают  поверхности Земли, причем 
области их проникновения определяются конфигурацией магнитного поля 
Земли, жесткостью и направлением прихода частиц и поддаются точному 
расчету. Частицы с энергией от единиц до сотен МэВ проникают относительно 
свободно в хвост магнитосферы проектирующуюся на полярную шапку. Здесь 
точный расчет проникновения невозможен, конфигурация переферийных 
областей магнитного поля неизвестна,  возрастает влияние на траекторию 
частиц изменчивых внешних источников магнитного поля. Экспериментально 
установлено, что солнечные протоны проникают не только в хвост, но и в 
область квазизахвата, и что границы проникновения движутся, смещаясь к 
Земле и от Земли в зависимости от уровня магнитной активности, особенно 
близко приближаясь к Земле на главной фазе магнитных бурь (Кузнецов и 
др.1999, Тверская и др. 1000). Хотя общие эмпирические закономерности 
движения границ известны, физика проникновения изучена недостаточно, 
неяснен вклад прямого проникновения протонов в область квазизахвата через 
низкоширотные границы (LLDL),  какую  роль   играют электрические поля 
солнечного ветра и магнитосферы, что создает ассиметрию проникновения в 
северную и южную полярные шапки и пр.

Экспериментальные исследования по данному вопросу опираются на прямые и 
косвенные методы, прямые - на измерения потоков частиц преимущественно на 
низковысотных спутниках с полярной орбитой, а косвенные - на измерения 
поглощения космического радиошума в полярной шапке с помощью риометров. 
Каждый из этих методов имеет свои недостатки, в частности спутники дают 
дискретные данные с разрывом в 90 минут, а риометрическое поглощение не 
несет сведений о вариациях спектра протонов и к тому же часто «замусорено» 
поглощением, создаваемым высыпанием авроральных электронов и вплесками 
разиоизлучения как естественного (Солнце) так и антропогенного 
происхожднения. 

Настоящая работа есть попытка скомпенсировать эти недостатки путем 
комплексного анализа прямых и косвенных измерений во время серии вспышек 
СКЛ и сопровождающей экстремальной магнитной активности в октябре-
ноябре 2003 года.

     

2. Результаты измерений


Период повышенной интенсивности СКЛ начался 26 октября и окончился 6 
ноября 2003г. Серия октябрьских бурь и вызвавших их процессов на Солнце и в 
межпланетном пространстве были подробно описаны в коллективных обзорах 
кооперации российских ученых (Веселовский и др., 2004,  Панасюк и др., 2004 ) 
и отдельных статьях  опубликованных в двух специальных номерах журнала 
Космические исследования. Это позволяет нам пропустить описание детекторов 
частиц на спутнике Коронас-Ф и перейти прямо к рассмотрению результатов 
измерений. На рис 1 представлен временной ход потока протонов в трех 
энергетических каналах бортового спектрометра. 
Приход СКЛ отмечается резким ростом темпа счета во всех каналах детекторов 
26Х 20-22UT, 28Х 12-14UT, 29.X 20UT и 2.XI 22UT.
Обращает на себя внимание отличие временного хода электронов и 
низкоэнергичных 1-5 МэВ протонов от такового у более энергичных протонов, 
связанное во первых, с различием выхода частиц из области генерации на 
Солнце и, во вторых, с дополнительным ускорением в межпланетном 
пространстве ударными волнами возмущенного солнечного ветра.  

В работе использовались риометрические данные двух меридиональных 
цепочек Якутского меридиана и Скандинавии. Таблица 1 дает координаты 
станций и рабочую частоту риометров.
На рис. 2  приведен суммарный график поглощения на Якутской и 
Скандинавской цепочках риометров. 
Поскольку в рассматриваемый период суббуревая активность была велика,  для 
анализа вариаций ППШ необходимо отделить вклад в поглощение создаваемый 
высыпанием авроральных электронов. Для этого не существует какой-либо 
стандартной процедуры, использовались морфологические отличия ППШ и АП 
– последние кратковременны, совпадают на ночной стороне с бухтообразными 
возмущениями магнитного поля. На утренней и дневной стороне выделить АП 
трудней, т.к. бухты поглощения более плавные, длятся до нескольких часов и 
задержаны по времени относительно суббуревых активаций в ночном секторе. 
И хотя помогает дополнительный критерий отбора, а именно, временной ход 
интенсивности солнечных протонов измеренный на спутнике Коронас-Ф, тем не 
менее в отдельных моментах остается неопределенность в определении 
источника кратковременных вариаций, например, во время главной фазы бури 
29 октября. 


3. Связь ППШ с потоками солнечных протонов

По риометрическим данным мы не можем восстановить полную картину 
временного хода потока протонов из-за того, что уровень поглощения 
радиоволн в ночное время значительно меньше, чем днем, временной ход 
поглощения  переменный и  для сопоставления с прямыми измерениями мы 
можем отобрать лишь небольшое число участков  дневного  и ночного времени. 

Существует несколько работ, в которых устанавливается эмпирическая  
зависимость величины риометрического поглощения от потока солнечных 
протонов. В частности,  Croom [1973]  дает следующее выражение 

Jm = К*А2
 
где А - дневное поглощение в дБ на частоте 30 МГц. и К=50 а  - поток протонов 
с энергией выше 10 МэВ. 
Предполагалось, что основной вклад в поглощение вносят протоны с энергией 
выше 10-15 МэВ. 
На рис 3 приведены результаты сравнения риометрического поглощения и 
потока протонов в полярной шапке для дневного и ночного поглощения по 
нашим данным. . Крестики относятся к измерениям в Скандинавском секторе, 
кружочки – в Якутском. Точность определения величины ППШ в диапазоне до 
1дб определяется точностью определения суточного хода невозмущенного 
уровня радиошума и составляет 0.1-0.2 дб. При большом  поглощении >10 дб 
точность падает из-за логарифмического характера величины поглощения и 
оценивается порядка 1-2 дб., т.е не лучше 10-20%.
С учетом точности и возможных ошибок при расчете поглощения отметим 
хорошее совпадение измерений двух цепочек между собой и с измерениями 
потока протонов на спутнике. 
Пунктирные линии, проведенные на графиках описываются формулой (1), где 
коэфициенты  К для дневного и ночного поглощения и энергии 1-5 МэВ равны  
400  и 2000, а для энергетического диапазона 14-26 МэВ  10 и 100 
соответственно. Пунктирная линия б в блоке ночного поглощения отражает 
корректированную неквадратичную зависимость поглощения от потока 
протонов, о чем будет сказано позднее.
Хорошая связь величины ППШ с потоком протонов 1-5 МэВ не является 
простым следствием синхронных вариаций потока протонов в целом, у нас есть 
возможность убедиться в том, что протоны этих энергий действительно вносят 
вклад в поглощение. На временных отрезках 02-07 UT 29Х характер вариаций 
протонов расходится – поток энергичных протонов – падает, а  
низкоэнергичных растет. По данным риометров поглощение на этих отрезках 
тоже возрастает, что доказывает вклад  1–5 МэВных протонов в поглощение.   
  Кроме того, рост поглощения на отрезке 08-12 UT 30.Х также связан с ростом 
потока протонов 1-5 МэВ ( в остальных каналах роста нет).
( см рис 4а.в)
Отметим, что для ночного ППШ численная зависимость от потока солнечных 
протонов получена впервые благодаря экстремально высокой интенсивности 
анализируемой вспышки  СКЛ. В более ранних работах мы находим лишь 
сообщение о примерно пятикратном снижении поглощения в ночном секторе по 
сравнению с дневным. Приведенные выше зависимости показывают, что это 
соотношение в среднем равно 3.7 при равных потоках протонов 14-26 МэВ и 2.3 
при равных потоках 1-5 Мэвных протонов.


Пример соответствия временного хода потока протонов и риометрического 
поглощения приведен на  рис 5 . Отдельными значками приведен временной 
ход потока протонов в шапке во время прихода СКЛ 28 октября для нескольких 
энергетических каналов. Сплошные кривые представляют расчетные изменения 
потока протонов 1-5 МэВ вычисленные по формуле 1 по данным трех 
риометров скандинавской цепочки.  Для высокоширотного риометра 
наблюдается хорошее соответствие расчетного потока протонов с прямыми 
измерениями.Уменшенное расчетное значение потока для двух других 
риометров говорит о том, что эти два риометра находятся на границе 
проникновения протонов, там, где поток существенно ослаблен.   

  
4. Движение границ полярной шапки.

Рис 6 представляет динамику границ проникновения солнечных протонов в 
интервале 26.10 – 6.11 2003г. по данным прибора СКИ. Как уже обсуждалось в 
((), быстрый сдвиг границы к Земле происходит на главной фазе бури (таких 
интервалов было 3 в обсуждаемый период), на фазе восстановления граница 
проникновения медленно и синхронно с  Dst отходит от Земли (  ). В целом 
положение границ примерно совпадает для северной и южной зон квазизахвата, 
для утренних и вечерних пролетов. 
Представляет интерес сравнить характер спада потока протонов на границе 
проникновения по прямым измерениям и риометрическим данным.

На рис 7 мы приводим зависимость потока протонов в детекторе 14-26 МэВ от 
магнитной широты для двух пролетов спутника Коронас-Ф 28 октября в 
интервале 1320-1340UT через северную шапку (сплошная линия) и 1406-141430 
UT через южную (отдельные значки)  шапку. Синим цветом обозначены 
вечерне-ночные пролеты, красным- утренне-дневные. Видно, что дневная 
граница сдвинута к полюсу по сравнению с ночной, что аналогично сдвигу 
овала полярных сияний. Кроме того, наблюдается асимметрия положения 
границ южной и северной полярных шапок, на северной протоны проникают 
глубже, чем на южной.
      
Скандинавская цепочка риометров находится в это время на освещенной 
стороне Земли, поглощение большое, что позволяет провести сравнение с 
прямыми измерениями. На рис 6 буквы, соответствующие названию станции 
расположены по оси Х на магнитной широте станции, а по оси Y – в 
соответствии с  расчетной величной потока протонов 14-26 МэВ, вычисленной 
по формуле 1. 
Видно хорошее согласие с широтным профилем границы проникновения 
дневного сектора. 
Якутская цепочка находилась в это время на ночной стороне, станция Тикси, 
как видно из графика, уверенно находится в зоне свободного проникновения 
протонов. Однако максимальная величина поглощения в Тикси составляла не 
больше 0.5 Дб, что дает расчетную величину потока 250 см2сст, почти на 
порядок меньше измеренной спутником как в южном, так и в северном 
полушариях (красная буква Т). Очевидно, что это расхождение требует 
объяснения, скорее всего для пересчета кривая 1 на Рис 3 не годится.

Аналогичный график для пролетов  30.10 в районе 12UT показан на рис 7. Здесь 
магнитная активность была умеренной, перерыв между двумя бурями. Разница 
в положении дневных границ южного и северного полушария отсутствует, а 
сдвиг ночных границ сохранился с тем же знаком, хотя и уменьшился примерно 
до 2 градусов. Риометрические измерения хорошо соответствуют прямым 
измерениям протонов.
Следует отметить, что в данной работе мы не ставим задачи исследования 
положения границ проникновения в разных долготных секторах; для 
корректного сравнения надлежит использовать L -B координаты МакИлвайна 
или соответствующую инвариантную широту. Использование геомагнитных 
координат диктовалось задачей сравнения прямых измерений с риометрическим 
поглощением.


6. Обсуждение и выводы.

Интервал интенсивных вспышек солнечных космических лучей во время 
сильных магнитных бурь конца октября 2003 года дает хорошую возможность 
для исследования связи риометрического поглощения типа полярной шапки с 
прямыми измерениями солнечных протонов. Проведенный анализ позволил 
подтвердить обнаруженные ранее и выявить новые закономерности.

1. ППШ в дневное время (освещенная Солнцем ионосфера) связана с потоком 
протонов по квадратичному закону. Получены коэфициенты зависимости 
поглощения с потоком протонов измеренным в конкретных каналах детектора 
спутника Коронас-Ф.

2. Показано, что существенный вклад в поглощения вносят не только протоны с 
энергией больше 10-15 МэВ, но и протоны с энергией 1-5 МэВ. В двух случаях, 
когда временной ход в этом канале расходился с более энергичными каналами, 
риометрическое поглощение отслеживало изменение в низкоэнергичном канале.  

3.  Обнаружено, что поток протонов рассчитанный по поглощению на ночной 
стороне не всегда соответствует измеренному потоку спутниковым детектором.
Причина обнаруженного расхождения может заключаться в том, что в темное 
время квадратичный закон зависимости поглощения от потока протонов может 
нарушаться. Процесс образование нейтральных молекул (эффект прилипания 
электронов), уменьшающий электронную концентрацию в ночной ионосфере 
очевидно зависит от потока солнечных протонов. Большой поток СКЛ и 
связанной с ними вторичной компоненты будет усиливать отлипание 
электронов (аналогично процессу фотоотлипания в освещенной ионосфере) и, 
соответственно, увеличивать поглощение космического радиошума. Если 
результирующая зависимость будет таковой, как показано пунктиром б на рис. 
3 б, расхождение пропадает. 

Подтверждение тому, что отклонение от квадратичной зависимости 
действительно имеет место,  дает сравнение уровней поглощения в освещенной 
и ночной ионосфере на переходах день-ночь. 28 октября поток протонов был 
максимальным. Спад в поглощении после 14.00 связан с переходом на вечер. 
Поскольку поток протонов в шапке не меняется, можно определить 
соотношение ППШ день-ночь: здесь оно получается небольшое, 1.75-2.0.
29 октября с 1000 до 1600 наблюдается спад интенсивности протонов (в 20 раз 
по сравнению с максимумом 28 октября), который  перекрывается со спадом 
поглощения в связи с переходом день-ночь.  Сравним поглощение в 1300 (когда 
поток протонов уже в минимуме) и в 1800 UT. Эффект день-ночь равняется 5.  
Зависимость эффекта прилипания от потока протонов очевидна.
Отметим, что обнаруженные закономерности для ночного поглощения ранее не 
были известны. Как правило, поток солнечных протонов недостаточно велик и 
ночной уровень поглощения космического радиошума мал, сравним с 
величиной ошибки. 

 


Литература
 
Croom D.L. Solar microwave bursts and polar cap absorption, Planet. and space sci., 
21, #4, 707-709, 1973
Веселовский и др., 2004,  
Панасюк и др., 2004
Дриацкий 




Подписи к рисункам
Рис 1 Поток протонов во время октябрьских 2003 года событий, Коронас-Ф
Рис 2 Риметрическое поглощение, Финская и Якутская цепочки
Рис 3а, б.  Зависимость риометрического поглащения типа полярной шапки от 
потока протонов, измеренных в двух каналах детектора спутника Коронас-Ф

Рис 4а.б,  Синхронный рот поглощения и потока протонов 1-5 МэВ на двух 
отрезках времени 29 и 30 октября
Рис 5 Структура появления  солнечных протонов в полярной шапке и зоне 
квазизахвата 28 октября 2003г.

Рис 6 Динамика границ проникновения солнечных протонов в интервале 26.10 – 
6.11 2003г. по данным прибора СКИ, Коронас -Ф

Рис 7 Широтный ход границы проникновения солнечных протонов и 
поглощение космического радиошума 28.10.03

Рис 8 То же, что и на Рис 7 , 30.10.03

28 октября. 
1. Рост поглощения на риометре и рост потока протонов в шапке. 
Прикидываем соотношение для дневного ППШ. 

1а. Рост протонов разных энергий не синхронный. 
И рост поглощения тоже. Разбираться. 
На рис. рр28 - потоки протонов в указанных участках энергий,
 потоки посчитанные по величине поглощения N=50A^2 для трех риометров.

2. Спад в поглощении после 14.00 связан с переходом на вечер. 
Поскольку поток протонов в шапке не меняется, можно прикинуть соотношение ППШ день-ночь. 
Здесь оно получается небольшое, 1.75-2.0. ( у Митры порядка 5). 
Зависит от величины поглощения (потока протоов) ? Смотреть другие дни и другие цепочки.

3. Пролет 13.18-13.30 - сильные синхронные колебания потока 
протонов в шапке. Амплитуда 2-3.5. В риометрах должны быть 
пульсации с периодом 80-100 с, либо это структура маг. поля полярной шапки, 
т.е. эффект не временной, а пространственный. 
4. смотреть положение границ проникновения.

29 октября.
1. Поток протонов постоянен проимерно до 1000, рост поглощения с 04 до 06 
связан с восходом Солнца. Соотношение день ночь 2.5 - 3. 
2. Провал в поглощении во время SC (0615) проследить по геостационарам, 
измерений Коронаса в этот промежуток нет. 
3. Смотреть соотношение поглощения и потоков протонов в каналах. 
(для дневного и ночного поглощения. Участок роста 2200-2400.
4. Спад интенсивности протонов с 1000 до 1600 перекрывается со спадом поглощения 
в связи с переходом день-ночь.  Но сравним поглощение в 1300 (когда поток 
протонов уже в минимкме) и в 1800. Эффект день-ночь получается порядка 5. 
5.  смотреть положение границ проникновения

30 октября
1.Поток протонов в шапке меняется медленно, этот день можно использовать 
для изучения эффекта день-ночь ( посчитать высоту Солнца ) 
 2. В этот день сильно смещаются границы проникновения протонов, 
смотреть по цепочкам риометров.

31. октября

Медленный спад протонов, смотреть и соотношение ППШ-протоны.

 
1. Введение

2. Результаты измерений

2.1. Бури и суббури октября 2003г.

2.2 Коронас-Ф

Солнечные протоны, электроны, альфа-частицы и ядра измерялись на 
спутнике Коронас-Ф 
двумя блоками детекторов ... ( Таблица 1) ...
Период повышенной интенсивности СКЛ начался 26 октября и 
окончился 6 ноября 2003г. 
На рис 21 представлен временной ход 

2.3. Риометры

В работе использовались риометрические данные меридиональных 
цепочек 
Якутского меридиана, Скандинавии, Канады, ААНИИ и 
Университета Мериленда. 
Таблица 2 дает координаты станций, частоту и направленность 
антенн риометров.
На рис. 22  приведен 


3. Связь ППШ с потоками солнечных протонов

Существует несколько работ, в которых устанавливается эмпирическая 
 зависимость 
величины риометрического поглощения от потока солнечных 
протонов. В частности,  
Croom [1973]  дает следующее выражение 

                     Jm (E > 10 МэВ) = 50 А2
 
где А - дневное поглощение в дБ на частоте 30 МГц.

3.1 Сравнение данных по частицам и поглощению с использованием 
эмпирических зависимостей.

3.2 Расчет величины дневного и ночного поглощения по спектру 
протонов, измеренных на спутнике.

3.3 Оценка вклада релятивистских и авроральных электронов

4. Ассиметрия проникновения СКЛ в южную и северную 
полярные шапки.

5. Движение границ полярной шапки.

6. Обсуждение и выводы.


Литература
 
Croom D.L. Solar microwave bursts and polar cap absorption, 
Planet. and space sci., 21, #4, 707-709, 1973

 
последнее обновление - 15.01.05


mailto:lazutin@srd.sinp.msu.ru