Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 643-646

ВВЕДЕНИЕ

Высыпания магнитосферных электронов в атмосферу Земли являются одним из механизмов опустошения внешнего радиационного пояса Земли. Процессы ускорения и потерь электронов в поясе управляются солнечной активностью. Энергия солнечного ветра усиленно поступает в магнитосферу на фоне отрицательного значения B_z-компоненты межпланетного магнитного поля (ММП), что приводит к изменению конфигурации магнитосферы и ее токовых систем, а также к усилению волновой активности и взаимодействий волна–частица. В результате создаются благоприятные условия для конкурирующих процессов ускорения и потерь электронов. Несмотря на усилия, направленные на понимание этих процессов, для чего выполняется ряд специализированных миссий в околоземном пространстве, например, Van Allen probes [1], MMS [2] и на баллонах в атмосфере [3, 4], относительная роль различных физических механизмов до сих пор не выяснена. Не до конца ясной остается роль, которую играют высыпающиеся магнитосферные электроны в химических реакциях в атмосфере, приводящих к динамике содержания озона и изменениям температуры в стратосфере и мезосфере (например, [5]).

Регистрация высыпаний высокоэнергичных электронов (ВВЭ) из магнитосферы в Мурманской области (параметр Мак-Илвайна L ≈ 5.5) производится Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН с 1961 г. Измерения проводятся в атмосфере с помощью радиозонда, поднимаемого метеорологической оболочкой. Методика эксперимента неоднократно описывалась [6, 7] и позволяет регистрировать высыпающиеся электроны с энергией выше 100 кэВ. Наши данные являются самым длинным однородным рядом данных и позволяют исследовать долговременные вариации в частоте ВВЭ.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСЫПАНИЙ МАГНИТОСФЕРНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

В данной статье мы суммируем свойства ВВЭ, установленные в результате анализа данных каталога [7], включающего более 500 событий ВЭ, зарегистрированных с 1961 г. Высыпания связаны с высокоскоростными потоками солнечного ветра и происходят преимущественно на спадающей ветви 11-летнего солнечного цикла. Максимальная частота ВВЭ наблюдалась в 1968, 1974, 1984, 1994, 2003 и 2015 гг. Анализ, выполненный методом наложения эпох, показал устойчивую связь появления ВВЭ с характеристиками межпланетной плазмы – индукцией межпланетного магнитного поля (ММП) B и его компонентой B_z, скоростью солнечного ветра V, плотностью и температурой плазмы, динамическим давлением и другими характеристиками, а также с геомагнитными индексами [8] и потоками релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе [9]. В качестве 0-дня использовались даты наблюдения ВВЭ. Во всех перечисленных случаях параметры демонстрировали явный эффект (минимум или максимум) с некоторым сдвигом [10]. Результаты этого анализа отражены в табл. 1. Поведение параметров межпланетной плазмы характерно для геомагнитных возмущений, связанных с высокоскоростными потоками солнечного ветра и коротирующими областями взаимодействия [11, 12]; более того, аналогичные связи обнаружены при исследовании динамики внешнего радиационного пояса по результатам наблюдений Van Allen Probe [13].

Изучение последовательности событий, связанных с ВВЭ, привело к наиболее вероятному сценарию их появления [14, 15]. Прибытие на орбиту Земли высокоскоростного потока солнечного ветра на фоне отрицательного B_z означает усиленное поступление в магнитосферу энергии солнечного ветра. Начинается геомагнитная буря. Высокоскоростной поток всегда несет с собой возмущения, которые поступают в магнитосферу, пока сохраняется высокая скорость солнечного ветра, что затягивает фазу восстановления бури. Поступление новой энергии, нарушение конфигурации магнитного поля, изменение токов, усиление конвекции магнитосферной плазмы и неустойчивостей приводят к активизации волновой активности в магнитосфере и усилению процессов взаимодействия волна–частица, а значит, к ускорению и рассеянию электронов в поясе. Высыпания начинаются с началом магнитной бури и продолжаются во время фазы восстановления. Около 40% наблюдаемых нами ВВЭ происходят сериями длительностью меньше 10 дней. Хотя описанная последовательность событий довольно типична и совпадает с общепринятыми представлениями, поступление энергии в магнитосферу происходит постоянно, что ведет к суббуревой активности и, в конечном итоге, тоже к ускорению и потерям электронов [16].

ДОЛГОВРЕМЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЧАСТОТЫ ВВЭ

Во время проведения эксперимента частота запусков радиозонда не оставалась постоянной. Для изучения временного хода частоты ВВЭ была проведена нормировка годовых значений числа случаев ВВЭ: N_in = N_ioN_94f/N_if, где N_in и N_io – нормированное и реально зарегистрированное число случаев ВВЭ в i-ом году, N_94f и N_if – полное число полетов радиозондов, достигших высоты 26.5 км (20 г ⋅ см^–2), в 1994 и в i-ом году соответственно. Высота 26.5 км была выбрана, потому что ниже нее наблюдалось лишь 5% случаев ВВЭ. Нормировка производилась к 1994 г., потому что в этом году наблюдалось наибольшее число ВВЭ. Дни, когда в стратосферу вторгались солнечные протоны, были исключены из рассмотрения.

Нормированный ряд частоты ВВЭ сохранил зависимость от фазы солнечного цикла (максимумы на ветви спада), но неожиданно выявил возрастающий тренд в частоте ВВЭ (рис. 1а). Начиная с 1960-х годов число ВВЭ в каждом последующем максимуме возрастало. Поведение годовых значений различных параметров, которые, как было показано методом наложения эпох, сопутствуют ВВЭ, представлено на рис. 1б–1е кривыми с различными символами; линии без символов – сглаживание по 11 точкам. До 1990 г. возрастание частоты ВВЭ можно объяснить ростом солнечной активности, но начиная с 22-го цикла активность Солнца падает (рис. 1б), и этот тренд отразился в ходе магнитосферных индексов Dst и AE (рис. 1г, 1д). Наилучшая корреляция частоты ВВЭ наблюдается со скоростью солнечного ветра. Хотя локальные максимумы числа ВВЭ совпадают с максимумами скорости солнечного ветра, сглаженные значения V почти не имеют тренда, по крайней мере, до середины 2000-х, после чего намечается спад (рис. 1в).

Рис. 1.

Временной ход: а – числа случаев ВВЭ, б – числа солнечных пятен, в – скорости солнечного ветра, г – Dst-индекса, д – AE-индекса, e – флюенса электронов с энергией больше 2 МэВ на геостационарной орбите. Кривые с символами – годовые значения параметров, серые кривые без символов – значения, сглаженные по 11 точкам.

Расхождение в знаках трендов большинства параметров и тренда ВВЭ особенно ясно видно в начале 1990-х годов. Поэтому мы проанализировали свойства наблюдаемых ВВЭ отдельно в 1961–1991 гг. и в 1992–2017 гг. Повторно был проведен анализ методом наложения эпох, проверено распределение случаев ВВЭ относительно начала геомагнитной бури (минимума Dst), проверена 27-дневная и сезонная повторяемости. Все свойства ВВЭ до и после 1991 г. были одинаковыми. Также не было найдено изменений в условиях проведения эксперимента, которые могли бы отразиться на отношении числа полетов радиозонда с наблюдаемыми ВВЭ к общему числу полетов радиозонда.

Мы наблюдаем ВВЭ, которые по своим характеристикам не отличаются от ВВЭ, измеряемых в других экспериментах (например, [2, 13]). Неизменные характеристики событий позволяют считать временной ряд ВВЭ однородным. При этом мы наблюдаем возрастающий тренд в частоте ВВЭ с 1961 г., по крайней мере, до середины 2000‑х годов. После этого рост, по-видимому, прекратился, но трудно сделать определенные выводы, т.к. сокращение числа полетов привело к очень большим ошибкам измерения (рис. 1а). Ни один из параметров солнечной и геомагнитной активности не демонстрирует тренд, найденный нами в частоте ВВЭ. Предположение, которое можно сделать, – это влияние наземных радиопередатчиков на ВВЭ. Имеется сеть наземных радиопередатчиков, работающих в ОНЧ-диапазоне. К этому диапазону относятся естественные волны в магнитосфере, которые интенсивно взаимодействуют с частицами, нарушая адиабатические инварианты [17]. Излучение наземных передатчиков может проникать в магнитосферу и влиять на ВВЭ в районах вблизи передатчиков [18‒20]. В Мурманской области такие передатчики имеются [21]. Число таких передатчиков, обслуживающих военно-морские коммуникации, может расти. Кроме того, излучение мощных ВЧ‑стендов, разработанных для воздействия на ионосферу [17], проникает в магнитосферу и служит триггером (источником) других волн, в том числе ОНЧ.

Нужно отметить, что имеющаяся информация о ВВЭ, инициированных передатчиками, относится к сравнительно низким широтам и ночному времени. Однако динамические волновые процессы в магнитосфере настолько сложны, что нельзя исключить воздействия антропогенного излучения на ВВЭ, наблюдаемые нашей группой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Однородный ряд случаев высыпаний магнитосферных электронов с энергией >100 кэВ, зарегистрированных в полярной атмосфере, демонстрирует возрастающий тренд с 1960-х годов до середины 2000-х годов. Аналогичный тренд в сопутствующих межпланетных и магнитосферных процессах не наблюдается. Сделано предположение, что увеличение количества высыпаний связано с растущей активностью наземных радиопередатчиков.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (гранты 16-02-00100_a, 17-02-00584_а, 18‑02-00582_а).

Авторы выражают благодарность организациям и научным группам, предоставляющим свои данные через интернет: WDC-SILSO (Royal Observatory of Belgium, Brussels); GSFC/SPDF (OMNIWeb); NOAA NCEI (данные по электронам радиационного пояса).