Космические исследования, 2021, T. 59, № 1, стр. 28-34

ВВЕДЕНИЕ

Баллонные измерения ионизирующей радиации в атмосфере, проводимые Физическим институтом им. П.Н. Лебедева в течение более 60 лет [1], позволяют наблюдать высыпания высокоэнергичных электронов (ВВЭ) из внешнего радиационного пояса Земли. Эти электроны поглощаются на высотах более 50 км, но они генерируют тормозное рентгеновское излучение, которое проникает в атмосферу до высот 20 км и ниже и может регистрироваться гейгеровским счетчиком, хотя и с малой эффективностью.

Изучение ВВЭ имеет фундаментальное значение, т.к. высыпания в атмосферу является одним из механизмов опустошения радиационного пояса [2]. Другим важным механизмом потерь электронов является уход электронов в межпланетное пространство, когда под давлением солнечного ветра магнитопауза сдвигается внутрь, и электроны с прежде замкнутой магнитной оболочки дрейфуют в область открытого магнитного поля [3, 4]. Относительный вклад этих механизмов в опустошение радиационного пояса не изучен.

Не менее важным является прикладное значение ВВЭ. Высокоэнергичные электроны (killers) повреждают аппаратуру, находящуюся на околоземной орбите. Заряженные частицы накапливаются на поверхности спутника, образуя высокие напряжения, электростатические разряды и электромагнитные помехи. Проникая через защиту, они создают заряд на внутренних компонентах приборов. Прохождение энергичной заряженной частицы через узел микроэлектронного устройства может вызвать мгновенный катастрофический отказ устройства или неконтролируемые изменения режима его работы. Потеря энергии при прохождении электрона через активную область микроэлектронного устройства накапливается в течение миссии, приводя к деградации устройства и сокращению времени службы [5]. Высказывались идеи искусственного стимулирования ВВЭ, с целью обезопасить аппаратуру космических кораблей [6, 7]. Эта идея приблизилась к своему воплощению с запуском спутника DSX в 2019 г. [8], который несет на борту источник волн ОНЧ диапазона, эффективно влияющих как на ускорение, так и на потери электронов пояса, например, [9]. Искусственная стимуляция, а значит и увеличение ВВЭ, выдвигает на первый план оценку воздействия ВВЭ на атмосферу Земли, связанное с дополнительной ионизацией атмосферы [10]. Ион-молекулярные реакции в атмосфере приводят к образованию нечетного азота (NOx) и нечетного водорода (HOx), которые способствуют потере озона в стратосфере и мезосфере. Кратковременное, но очень сильное разрушение озона до 90% на высотах 60–80 км может происходить при участии нечетного водорода НОх, что подтверждено наблюдениями на спутниках [11]. Изменения содержания NOx, связанные с ВВЭ, могут транспортироваться в нижнюю мезосферу и в стратосферу, где они являются одним из главных факторов каталитического разрушения озона. Истощение озона нарушает радиационный баланс и активизирует динамические процессы в атмосфере. Процесс распространяется вниз путем изменения полярных ветров и атмосферных волн. Таким образом, прослеживается влияние дополнительных потоков NOx, связанных с ВВЭ, на погоду и климат [12–15]. Моделирование [16] показало, что на 10-летней шкале с ВВЭ связны вариации содержания озона порядка 12–24% в мезосфере и 5–7% в верхней стратосфере.

ВВЭ как фактор ионизации атмосферы рекомендованы для включения в климатические модели, входящие в Coupled Model Intercomparison Project CMIP6 [17]. Существующие климатические модели используют среднесуточные скорости ионизации атмосферы, основанные на эмпирической модели реконструкции спектров ВВЭ из ежедневных индексов Ap или Dst [18, 19]. Модель включает ионизацию от электронов с энергией ниже 1 МэВ, что ограничивает ее применимость на высотах ниже 50 км. В работе [20], основанной на результатах прямых измерений ВВЭ на баллонах, показано, что CMIP6 может недооценивать увеличение NOx более чем на 100% и соответствующую потерю озона на 25%.

В настоящее время ВВЭ на баллонах могут наблюдаться только в промежутки времени, когда баллон находится на достаточной высоте. В эксперименте ФИАН это время составляет около получаса, причем измерения в настоящее время производятся не каждый день. С другой стороны, функционируют спутники (POES, van Allen probe, Электро Л1, Л2 и Метеор М1, М2 и др.), которые наблюдают ВВЭ в магнитосфере круглосуточно. Однако пространственно-временное распределение ВВЭ из наблюдательных данных пока не получено. В связи с этим в данной работе была поставлена задача: найти соответствие между случаями ВВЭ, измеренными на баллонах, и ВВЭ, наблюдаемыми спутниками POES. На основании найденного соответствия было оценено количество дней в году, когда можно было бы наблюдать ВВЭ в пункте запуска баллонов, если бы баллон круглосуточно находился в стратосфере.

НАБЛЮДЕНИЯ

Измерения ВВЭ в стратосфере являются частью многолетнего эксперимента ФИАН по мониторингу с помощью радиозондов ионизирующей радиации в атмосфере Земли от уровня моря до высот ~30 км на разных географических широтах, включая Арктику и Антарктику. Наблюдения проводятся с конца 1950-х и неоднократно описаны [1, 21]. Как уже упоминалось, тормозное излучение высыпающихся электронов измеряется гейгеровским счетчиком. Более 90% случаев ВВЭ, наблюдаемых в атмосфере, вызывается электронами с энергией Е > 200 кэВ. С 1961 по 2019 г. зарегистрировано более 550 случаев ВВЭ в Мурманской области [22]. В Антарктиде за это время было зарегистрировано всего 14 событий, т.к. пункт наблюдений (66°34′ S, 92°55′ E) находится в зоне открытых силовых линий. Свойства наблюдаемых ВВЭ [23, 24] согласуются с характеристиками, полученными из измерений на спутниках, например [25] и во время кампаний по исследованию ВВЭ на баллонах [26]. В данной работе сопоставление с результатами спутников серии POES производится для 2003 г., когда в стратосфере было зарегистрировано 26 случаев ВВЭ. Измерения проводились в Апатитах (67°33′ N, 33°20′ E, параметр Мак Илвайна L ~ 5.2, время измерений – 3 раза в неделю ~09–11 UT, ~12–14 MLT). В 2003 г. 125 радиозондов достигли высоты более 26 км (остаточное атмосферное давление Х = 20 г/см²), ниже которой наблюдаются лишь 5% случаев ВВЭ. Радиозонд находится на этих высотах обычно в течение 10–40 мин. Из рассмотрения было исключено 27 дней, когда в стратосфере присутствовали солнечные протоны.

В 2003 г. на орбите в околоземном пространстве находились 3 аппарата серии POES (NOAA-15, NOAA-16, NOAA-17) [27], разнесенные по долготе на ~100°. Угол наклонения солнечно-синхронной орбиты 98.7°, высота 822 км, период обращения 101.5 мин (средние значения). Мы использовали показания прибора MEPED, который имеет 2 детектора электронов, расположенных под углом 90° друг к другу. На достаточно высоких широтах телескоп, направленный в зенит, позволяет регистрировать электроны, в основном попадающие в конус потерь [28]. Прибор дает информацию об электронах с энергией выше 30, 100, 300 кэВ (каналы E1, Е2, Е3). Дополнительная информация может быть получена с протонного канала Р6, регистрирующего протоны с энергией выше 6.9 МэВ и имеющего присчет от электронов с энергией выше ~800 кэВ. В случае нулевого счета протонного канала меньших энергий (Р5), не имеющего присчета от электронов, канал Р6 используется для регистрации релятивистских электронов. Геометрический фактор этого канала для электронов растет от 10^–3 см² ср при Е = 460 кэВ до 10^–2 см² ср при Е = 1460 кэВ [29]. Мы обозначаем интенсивность электронов по данным этого канала как J800.

СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ ВВЭ НА БАЛЛОНАХ И СПУТНИКАХ

Трудность в сопоставлении результатов двух типов измерений обусловлена тем, что запуски баллонов производятся в одном географическом пункте 3 раза в неделю в течение 10–40 мин, а спутник пролетает над этим местом за 1 минуту более 3° по широте и долготе, т.е. ~341 и ~155 км соответственно.

Тем не менее, сопоставление всех зарегистрированных на баллонах случаев ВВЭ со среднесуточными значениями потоков электронов на спутниках POES показало неплохое согласие, как видно из рис. 1, где представлены данные за вторую половину 2003 г. ВВЭ в стратосфере группируются в серии, коррелирующие с высокоскоростными потоками солнечного ветра и геомагнитными бурями с длительной фазой восстановления [23, 24]. Эти серии проявляются на спутниках POES повышенными потоками высыпающихся электронов.

Рис. 1.

Дни во второй половине 2003 г., когда в баллонных измерениях наблюдались ВВЭ – вертикальные линии. Среднесуточные значения потоков высыпающихся электронов с Е > 800 кэВ по наблюдениям на POES 15 (пунктир), POES 16 (серая кривая), POES 17 (черная кривая).

Нам не удалось найти случаев точного совпадения измерений ВВЭ по месту и времени на баллоне и спутниках, хотя спутник иногда пролетал в нужное время вблизи Апатит. В качестве примера близкого соответствия рассмотрим событие 28.IV.2003 г., показанное на рис. 2. Повышение темпа счета гейгеровского счетчика при остаточном давлении ниже 20.5 г/см² (высота больше 26 км) наблюдалось в 11:20–11:37 UT. Оно было вызвано ВВЭ, о чем свидетельствует отсутствие повышения темпа счета телескопа из 2-х счетчиков, не чувствительного к рентгеновскому излучению, например, [22]. Это ВВЭ было зарегистрировано на POES 17, как видно на рис. 3. Показано изменение широты и долготы проекции силовой линии, на которой находится спутник (FLAT и FLON), и потоки электронов в зависимости от времени. Во время наблюдения ВВЭ на баллоне спутник измерял потоки электронов на силовых линиях, проектировавшихся на Апатиты (изменение положения баллона во время полета не принимаем во внимание, хотя он может составлять несколько градусов). Однако точного совпадения места и времени нет: спутник проходит долготу Апатит на 4.5 мин раньше, чем широту Апатит. Таким образом, для дальнейшего сопоставления необходимо расширять область, где ожидается ВВЭ.

Рис. 2.

Показания радиозонда в зависимости от остаточного давления 28.IV.2003 г. в Апатитах. Черные кружки – темп счета гейгеровского счетчика, светлые кружки – темп счета телескопа, умноженный на 3.

Рис. 3.

Измерения на спутнике POES 17 во время полета баллона 28.IV.2003 г. в 11.20–11.37 UT. Верхняя панель: сплошная линия – FLAT, большой белый квадрат – широта баллона, треугольники, ромбы и кружки – интенсивность ВВЭ с Е > 100, >300, >800 кэВ соответственно. Нижняя панель: сплошная линия – FLON, большой белый квадрат – долгота баллона.

В настоящее время сведения о пространственных размерах области ВВЭ очень скудны [30], поэтому критерии для сопоставления результатов баллонных и спутниковых измерений ВВЭ вырабатывались методом постепенных ограничений. Параметр L был выбран между 5 и 6. Расширение FLAT до 66°–69° и FLON до 31°–36° дало совпадение измерений по времени на спутниках и баллоне в 4 случаях из 26. Расширение FLAT до 66°–69° и FLON до 10°–50° дало совпадение по времени в 14 случаях из 26. Во всех этих случаях, кроме одного, POES регистрировал электроны с Е > 800 кэВ, но в этом одном событии нельзя было пользоваться данными канала P6 из-за присутствия протонов в канале P5. Следующим шагом была выборка всех результатов POES при ограничениях 5° ≤ L ≤ 6°, 66° ≤ FLAT ≤ 69°, 10° ≤ FLON ≤ 50°, наличии релятивистских электронов J800 и точного времени, когда радиозонд. находился на высоте более 26 км, но не регистрировал высыпания. Таких полетов зонда в 2003 г. было 125. Оказалось, что при таких ограничениях POES 15 не зарегистрировал ни одного случая, POES 16 зарегистрировал 36 случаев, POES 17 – 53 случая, когда радиозонд находился на нужной высоте и не регистрировал ВВЭ, а на спутниках в это время ВВЭ наблюдалось. Во всех этих случаях, кроме трех, поток электронов с Е > > 800 кэВ на POES был J800 < 100 см^–2 с^–1 ср^–1. Исключения скорее всего объясняются сильной вариабельностью потока J800. Из нашего анализа следует, что баллоном регистрируются практически все случаи ВВЭ, отвечающие следующим условиям на POES: 5° ≤ L ≤ 6°, 66° ≤ FLAT ≤ 69°, 10° ≤ FLON ≤ 50°, J800 > 100 см^–2 с^–1 ср^–1. К сожалению, баллон находится на нужной высоте очень ограниченное время. Воспользовавшись найденными критериями для оценки наличия ВВЭ в стратосфере на высотах выше 26 км, мы можем с помощью данных POES оценить наличие ВВЭ в любое время суток в районе Апатит. Полученные оценки потоков высыпающихся электронов (рис. 4), соответствуют случаям, когда тормозное рентгеновское излучение могло бы быть зарегистрировано в стратосфере на высотах более 26 км.

Рис. 4.

Оценка потоков высыпающихся электронов с J800 > 100 см^–2 с^–1 ср^–1 на L = 5–6, широте 66°–69°, долготе 10°–50° при круглосуточных наблюдениях согласно данным POES 15 (кружки), POES 16 (ромбы), POES 17 (квадраты).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В работе получены первые оценки числа случаев ВВЭ в стратосфере в районе Апатит в 2003 г. при условии непрерывных наблюдений. Как и следовало ожидать, на баллонах экспериментально наблюдается лишь небольшая часть ВВЭ, присутствующих в стратосфере. Наши оценки являются сильно заниженными по следующим причинам. (1) В реальных случаях совпадений ВВЭ на баллоне и на спутнике J800 часто было значительно ниже 100 см^–2 с^–1 ср^–1, т.е. ограничение на J800 является достаточным, а не необходимым условием. (2) В действительности спутники POES не все время находятся в районе Апатит, значения потоков электронов получены только во время кратковременных пролетов спутников над Апатитами. Таким образом, ВВЭ в районе Апатит наблюдаются еще чаще, чем показано на рис. 4. В работе [20] ионизация в атмосфере, полученная на основании наших измерений ВВЭ в атмосфере, сравнивалась с ионизацией, рассчитанной по методике [18], рекомендованной для включения в CMIP6 [17]. Было показано, что поскольку CMIP6 не учитывает ионизацию ниже 50 км, это приводит к недооценке образования NOx и влияния ВВЭ на содержание озона. В то же время отмечалось, что ВВЭ, проникающие в стратосферу – довольно редкое явление, которое, в первом приближении, можно не учитывать. Результаты данной работы показывают, что ВВЭ в стратосфере могут наблюдаться практически каждый день, т.е. примерно в 10 раз чаще, чем реально наблюдалось в нашем эксперименте. Это означает, что принятые оценки влияния ВВЭ на процессы в полярной атмосфере могут быть сильно занижены. Необходима дальнейшая работа для определения реальной частоты ВВЭ в атмосфере в другие годы и с привлечением для сравнения с баллонными наблюдениями других околоземных космических аппаратов.

Мы благодарим коллег из NOAA, предоставляющих данные спутников POES через интернет. Работа частично поддерживается грантом РФФИ 20-55-12020_ННИО_а. ГАБ и ВСМ признательны за стимулирующие обсуждения в рамках проекта ISSI & ISSI-BJ International Team “Relativistic electron precipitation and its atmospheric effect” под руководством И.А. Мироновой.