Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 9, стр. 1340-1343

ВВЕДЕНИЕ

Проблема происхождения заряженных частиц в межпланетном пространстве не сходит с повестки дня в течение многих лет. Если источником высоко энергичных (>10 МэВ) частиц, по всеобщему мнению, являются солнечные вспышки и инициированные ими корональные выбросы вещества, сопровождаемые ударными волнами, то проблема ускорения частиц меньших энергий (десятки-сотни кэВ – единицы МэВ) вызывает гораздо большее количество вопросов. В целом ряде случаев речь идет о “чисто” межпланетном процессе ускорения, который не инициируется солнечной активностью и, по-видимому, не включает дополнительного ускорения частиц, первоначально ускоренных в результате солнечных событий. Скорее их источником могут являться сверхтепловые частицы солнечного ветра. Такому ускорению подвержены не только протоны и ионы, но и электроны низких энергий, исследуемые в данной статье.

Электроны МэВ-ных энергий во внутренней гелиосфере в cпокойные периоды солнечной активности в основном имеют юпитерианское происхождение. Пролеты космических зондов Pioneer-10 и Pioneer-11 вблизи Юпитера показали, что Юпитер является их постоянным источником. юпитерианские электроны (ю-электроны) регистрировались и другими космическими аппаратами: IMP-8, Ulysses, SOHO, [3–5]. Дифференциальный спектр ю-электронов в степенном представлении характеризуется показателем спектра γ ≈ 1.5–1.6. [1, 2]. На рис. 1а представлены 27-дневные вариации ю-электронов по данным SOHO, наблюдавшиеся в минимуме СА 2007–2009 гг. В это же время аппарат АСЕ регистрировал частицы с энергией меньшей сотни кэВ (рис. 2в). Мягкий спектр и отсутствие активных процессов на Солнце исключают их юпитерианский и солнечный источники. Исследование спектров электронов в 27-дневных вариациях, показало, что ю-электронами являются только электроны с энергией >0.7 МэВ (γ ≈ 1.5–1.6), а электроны меньших энергий (γ > 3) в этих же вариациях имеют другой источник. Определение возможных источников второй группы частиц является целью статьи.

Рис. 1.

Временные профили потоков электронов по данным SOHO/EPHIN в энергетических каналах (а): 0.25–0.7  (1), 0.67–3 (2), 2.64–10.4 МэВ (3). Показатели энергетического спектра γ (б): 1 – низкоэнергичная часть спектра – 0.25–3 МэВ, 2 – высокоэнергичная часть спектра – 0.67–10.4 МэВ. Стрелка на оси абсцисс – граница между 2007 и 2008 гг.

Рис. 2.

Радиоизлучение – 10.7 см (а). Рентгеновское излучение – 1–8 Ǻ (б). Временные профили потоков частиц (в): 1 – протоны 300–750 кэВ по данным SOHO/LION, 2 – электроны 103–175 кэВ по данным ACE/EPAM, 3 – юпитерианские электроны 0.67–3 МэВ по данным SOHO/EPHIN. Стрелка на оси абсцисс обозначает границу между 2007 и 2008 гг.

СУБРЕЛЯТИВИСТСКИЕ И РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭЛЕКТРОНЫ В МИНИМУМАХ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Определяющим моментом при идентификации происхождения электронов МэВ-ных энергий является их энергетический спектр. Отличительной особенностью ю-электронов, по сравнению с электронами солнечного и магнитосферного происхождения, является их более жесткий энергетический спектр, который начиная с их первых наблюдений на Pioneer 10, характеризуется показателем спектра γ ≈ 1.5–1.6. Такой спектр электронов на 1 а. е. на трех последовательных солнечных оборотах был зарегистрирован во время минимума 22–23 цикла солнечной активности в 1996 г. [6]. Были получены указания на то, что спектр электронов несколько смягчается в максимальной фазе 27-дневной вариации.

Гораздо больший интерес представляет следующий глубокий минимум 23–24 цикла солнечной активности, охватывавший целый синодический цикл Земля–Юпитер (сентябрь 2007 г.–октябрь 2008 г.), в течение которого были зарегистрированы 14 последовательных 27-дневных возрастаний потоков ю-электронов. Анализ спектров электронов для этого периода проводился по данным SOHO/EPHIN) [7], по потокам электронов в энергетических интервалах: е₁(0.25–0.7), е₂(0.67–3) и е₃(2.64–10.4 МэВ). В предположении степенной зависимости Je = aE^–γ во всем рассматриваемом энергетическом интервале можно оценить значения показателей γ в интервалах энергий 0.25–3 и 0.67–10.4 МэВ, которые определялись по максимальным значениям потоков электронов в соответствующих интервалах е_i. Для интервалов энергий 0.25–3 (γ₁) и 0.67–10.4 МэВ (γ₂) значения величин γ определялись из соотношений γ₁ = = lg(J₁/J₂)/lg(E₁/E₂) и γ₂ = lg(J₂/J₃)/lg(E₂/E₃), для значений Е_i принимались энергии начала рассматриваемого энергетического интервала; J₁, J₂ и J₃ – значения потоков соответственно для E₁, E₂ и E₃.

Потоки ю-электронов на орбите Земли очень малы Je (1 МэВ) ≈ 10^–2 см^–2 · с^–1 · ср^–1 · МэВ^–1, и для их выделения актуален вопрос об учете фоновых значений потоков (электроны ГКЛ, приборный фон). Фоновыми значениями считались минимальные потоки непосредственно перед началом очередного 27-дневного возрастания. На рис. 1б приведен временной профиль показателя степени γ для всех 14 оборотов Солнца. Для интервала энергий 0.67–10.4 МэВ спектры в максимумах потоков в 27-дневных вариациях имеют показатели γ₂ = 1.6 ± 0.2, что свидетельствует об их юпитерианском происхождении.

Для электронов с энергией 0.25–3 МэВ спектр гораздо мягче, значения γ₁ ≥ 3.5, что говорит о другой, не-юпитерианской природе этих электронов. Поскольку временной профиль потоков электронов в канале 0.25–0.7 МэВ повторяет временные профили высоко-энергичных ю-электронов (рис. 1а), очевидно, что и те и другие “привязаны” к одним и тем же структурам магнитного поля, т.е. электроны малых энергий ускоряются и продолжают свою жизнь, в основном, там же, где и ю-электроны. Отметим ужестчение спектра между максимумами потока, аналогичное наблюдавшемуся в [6], что наводит на мысль о дополнительном ускорении электронов до МэВ-ных энергий в соответствующие моменты времени.

Качественно аналогичный эффект двух степенных законов, мягкого ниже (γ ≈ 3.6–4.2) и более жесткого выше 0.5 МэВ (γ ≈ 0.9–1.1), в предположении о разных условиях распространения ю-электронов от Юпитера до Земли отмечался в [8]. На наш взгляд, это обстоятельство свидетельствует об ускорении электронов в межпланетном пространстве до энергий порядка сотен кэВ. Турбулентность магнитного поля в замкнутых структурах и областях взаимодействия разноскоростных потоков солнечного ветра может рассматриваться как механизм такого ускорения.

ОБСУЖДЕНИЕ

Двухстепенной спектр электронов в 27-дневных вариациях их потоков в минимуме СА говорит о разных источниках этих компонент. Электроны с γ ≈ 1.5–1.6 генерированы магнитосферой Юпитера, а электроны малых энергий (<1 МэВ) с γ ≥ 3.5, которые наблюдаются вместе с ю-электронами, дополнительно ускоряются в процессе распространения, что и приводит к смягчению их спектра.

Это предположение подтверждается тем, что в это же время отмечены кратковременные (2–3 дня) возрастания потоков протонов с энергией 0.1–1 МэВ аппаратами АСЕ/EPAM [9] и SOHO/LION [10] на многих оборотах Солнца. Эти низко энергичные электроны и протоны были не вспышечного характера: Солнце было очень спокойным в течение всего периода измерений и не было всплесков ни в радиоизлучении 10.7 см, ни в мягком рентгеновском излучении (рис. 2). Несолнечное происхождение частиц низкой энергии и их связь со структурами магнитного поля Солнца, подтверждались также измерениями на аппаратах STEREO-А и В [11]. Всплески наблюдались в порядке, соответствующем гелиодолготам местоположений STEREO-B, АСЕ и SOHO, STEREO-А. Мы объясняем эти наблюдения существованием замкнутых структур магнитного поля Солнца, образующих магнитные ловушки заряженных частиц [12, 13], в которых при определенных условиях возмущенности магнитного поля происходит ускорение частиц до небольших (<1 МэВ) энергий. Замкнутые структуры магнитного поля постоянно возникают при взаимодействии разноскоростных потоков солнечного ветра и, при спокойном Солнце, существуют длительное время, иногда до десятка оборотов Солнца и более.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электроны, зарегистрированные во время минимума солнечной активности 2007–2008 гг., имеют две составляющие: 1) периодические 27‑дневные возрастания юпитерианского происхождения с показателем спектра γ ≈ 1.5–1.6 и 2) электроны с Е < 1 МэВ с более мягким спектром (γ ≥ 3.5), обусловленные ускорением частиц в межпланетном пространстве, аналогичном ускорению частиц в рекуррентных потоках. Наблюдавшиеся потоки протонов с энергиями <1 МэВ несолнечной природы, генерируются, по-видимому, тем же механизмом, что и электроны с мягким спектром в 27-дневных вариациях.