1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 5, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 638-640

Высокоэнергичные магнитосферные электроны и различные типы возмущения межпланетной среды

А. А. Абунин 1, 2, *, М. А. Абунина 1, А. В. Белов 1, С. П. Гайдаш 1, О. Н. Крякунова 3, 4, Н. Ф. Николаевский 3, И. И. Прямушкина 1, Л. А. Трефилова 1

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова РАН
Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова
Элиста, Россия

3 Дочернее товарищество с ограниченной ответственностью “Институт ионосферы”
Алматы, Казахстан

4 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: abunin@izmiran.ru

Поступила в редакцию 15.09.2018
После доработки 06.11.2018
Принята к публикации 28.01.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследуются особенности поведения высокоэнергичных магнитосферных электронов (с энергиями более 2 МэВ) во время межпланетных возмущений, вызванных корональными выбросами плазмы и высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр. Анализируется более чем тридцатилетний период наблюдений таких электронов (1986–2017 гг.). Показано, что корональные выбросы плазмы и высокоскоростные потоки из корональных дыр по-разному влияют на поведение высокоэнергичных электронов. В создании электронных возрастаний высокоскоростные потоки из дыр эффективнее корональных выбросов.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее актуальных задач солнечно-земной физики является заблаговременное прогнозирование поведения потока высокоэнергичных электронов с энергиями более 2 МэВ в околоземном пространстве [1, 2]. Прежде всего это связано с тем, что эти релятивистские частицы могут вызывать сбои в работе космических аппаратов вплоть до их полной потери [3–5, 9]. Особенно это касается аппаратов, которые расположены на геостационарных орбитах. Тем не менее, несмотря на множество проведенных исследований в этой области, на данный момент нет четкого понимания, каким образом происходит генерация этих частиц в околоземном пространстве во время межпланетных возмущений (см., напр., [10]), но на практике определены условные пороги, при превышении которых начинают наблюдаться неполадки в работе космических аппаратов. Большинство таких неполадок наблюдается, когда суточный флюенс релятивистских электронов с энергиями более 2 МэВ превышает значение 109 частиц · см–2 · сут–1 · ср–1. Но не все межпланетные возмущения сопровождаются сильным возрастанием потока этих высокоэнергичных частиц. В данной работе представлен сравнительный анализ того, как различные типы возмущений влияют на поведение потока электронов с энергиями более 2 МэВ на геостационарных орбитах.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Существует два основных типа возмущений межпланетной среды: спорадические и рекуррентные. К первому относятся корональные выбросы солнечной плазмы, которые при распространении от Солнца трансформируются в межпланетные возмущения ICMEs; ко второму – вращающиеся вместе с Солнцем высокоскоростные потоки плазмы из корональных дыр [6, 7]. В данном исследовании информация о межпланетных возмущениях бралась из сетевой открытой базы данных форбуш-эффектов и межпланетных возмущений http://spaceweather.izmiran.ru/rus/ dbs.html [8]. Представленная база данных охватывает более полувековой период (1957–2017 гг.) и содержит около 7500 событий. Следует подчеркнуть, что отбирались только изолированные и однозначно отождествленные со своим солнечным источником события. Одним из условий отбора являлось то, что за 72 ч до и после события не должно было быть зарегистрировано других значительных возмущений. Таким образом, было выделено 247 событий, которые были поделены на три группы: АО – возмущения от выбросов из активных областей (24 события); КД – возмущения, связанные с корональными дырами (174 события); ВВ – возмущения от волоконных выбросов вне активных областей (49 событий). Информация о потоке релятивистских электронов с энергиями более 2 МэВ на геостационарных орбитах была взята со спутников серии GOES (ftp://ftp.swpc.noaa.gov/pub/ lists/xray/), а о солнечном ветре – из базы данных OMNI (ftp://spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/).

На рис. 1 представлены усредненные значения суточного флюенса электронов для выделенных групп. Нулевым днем обозначается день прихода возмущения к Земле (момент прихода ударной волны, момент внезапного начала геомагнитной бури и т.д.). Из рисунка видно, что возмущения, вызванные высокоскоростными потоками из корональных дыр (○), сопровождаются более высокими значениями потока электронов (группа КД). В момент прихода возмущения (нулевой и первый день) наблюдается резкий спад, затем резкое возрастание и далее, в течение нескольких дней, медленная релаксация к нормальным значениям потока электронов. В случае событий группы АО наблюдается также резкий спад в момент прихода возмущения, но далее наблюдается плавное возрастание потока частиц. Волоконные же события (группа ВВ) слабо влияют на поток электронов. Из рисунка также видно, что максимальные значения суточного флюенса электронов в возмущении во всех трех группах существенно различаются. Высокие значения флюенса рассматриваемых высокоэнергичных частиц типичны для возмущений, вызванных влиянием от корональных дыр и не типичны для возмущений от волоконных выбросов. Более того, если выделить только те возмущения, в которых суточный флюенс электронов превышал значение 109 частиц · см–2 · сут–1 · ср–1, то окажется, что из 18 событий по одному событию будут принадлежать группам АО и ВВ, а остальные группе КД (см. таблицу).

Рис. 1.

Усредненные значения суточного флюенса электронов для событий из группы АО (◻), ВВ (△) и КД (⚪). Нулевой день соответствует приходу возмущения к Земле.

Таблица.  

Количество событий в выделенных группах с максимальным значение суточного флюенса электронов в событии более >107, >108, >109 частиц · см–2 · сут–1 · ср–1

  Максимальное значение суточного флюенса электронов в событии (частиц · см–2 · сут–1 · ср–1)
  >107 >108 >109
Группа АО 22 9 1
Группа КД 151 110 16
Группа ВВ 35 17 1

Рисунок 2 более наглядно демонстрирует разницу поведения потока высокоэнергичных электронов с энергиями более 2 МэВ на геостационарных орбитах при различных типах возмущений межпланетной среды. На левой панели (а) показано событие, в котором возмущение было вызвано корональным выбросом плазмы. В данном случае наблюдается уменьшение потока релятивистских частиц и затем восстановление до нормального уровня. На правой панели рисунка (б) показано возмущение, вызванное высокоскоростным потоком из корональной дыры. Видно, что в момент прихода возмущения наблюдается резкий спад потока электронов, а далее резкое возрастание потока электронов (F) до уровня более 104 частиц · см–2 · c–1 · ср–1. Далее наблюдается медленный спад потока.

Рис. 2.

Поведение потока высокоэнергичных электронов с энергиями более 2 МэВ на геостационарных орбитах во время межпланетных возмущений, вызванных корональным выбросом солнечной плазмы из активной области (а) и высокоскоростным потоком из корональной дыры (б).

Из данного рисунка хорошо видно, что при практически одинаковых параметрах возмущений (скорости солнечного ветра (V) и уровня геомагнитной активности (индекса Kp)) поведение потока релятивистских электронов существенно различается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе представленного выше анализа можно сделать вывод, что возмущения межпланетной среды, вызванные высокоскоростными потоками из корональных дыр, более эффективны в создании больших значений потока высокоэнергичных электронов с энергиями более 2 МэВ на геостационарных орбитах, чем возмущения от выбросов из активных областей и вне их. Это позволяет строить достаточно надежные модели для краткосрочного и среднесрочного прогнозирования поведения электронов, используя в ее основе информацию о рекуррентных источниках возмущения межпланетной среды. Подобная методика была разработана сотрудниками ИЗМИРАН, успешно апробирована и внедрена в работу Центра прогнозов космической погоды ИЗМИРАН.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена с использованием оборудования УНУ “Сеть СКЛ”. Работа частично поддержана грантами РФФИ № 17-02-00508 и РНФ № 15-12-20001. Мы также признательны всему коллективу, обеспечивающему работоспособность космических аппаратов серии GOES и всем сотрудникам сети станций космических лучей [11].

Список литературы

  1. Белов А.В., Крякунова О.Н., Абунин А.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 2. С. 231; Belov A.V., Kryakunova O.N., Abunin A.A. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2017. V. 81. № 2. P. 211.

  2. Gaidash S.P., Belov A.V., Abunina M.A., Abunin A.A. // Geomagn. Aeron. 2017. V. 57. № 7. P. 869.

  3. Wrenn G.L., Rodgers D.J., Ryden K.A. // Ann. Geophys. 2002. V. 20. I. 7. P. 953.

  4. Wrenn G.L. // J. Atm. Sol.-Ter. Phys. 2009. V. 71. № 10–11. P. 1210.

  5. Белов А.В., Вилорези Дж., Дорман Л.И. и др. // Геомагн. и аэрон. 2004. Т. 44. № 4. С. 502; Belov A.V., Dorman L.I., Eroshenko E.A. et al. // Geomagn. Aeron. 2004. V. 44. № 4. P. 461.

  6. Абунин А.А., Абунина М.А., Белов А.В. и др. // Геомагн. и аэрон. 2012. Т. 52. № 3. С. 313; Abunin A.A., Abunina M.A., Belov A.V. et al. // Geomagn. Aeron. 2012. V. 52. № 3. P. 292.

  7. Белов А.В., Ерошенко Е.А., Оленева В.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2001. Т. 65. № 3. С. 373; Belov A.V., Eroshenko E.A., Oleneva V.A. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2001. V. 65. № 3. P. 411.

  8. Belov A., Abunin A., Eroshenko E. et al. // VarSITI Newsletter. 2017. V. 14. P. 8.

  9. Webb D.F., Allen J.H. // Space Weather. 2004. V. 2. № 3. P. S03008.

  10. Thorne R.M. // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. L. 22107.

  11. http://cr0.izmiran.ru/ThankYou.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал