Приэкваториальные протоны

Выскажите свое мнение тут

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И ФИЗИКИ КОСМОСА

РЕФЕРАТ

Приэкваториальные протоны по данным различных экспериментов

Студента 514 группы

Петрова Алексея Николаевича

Руководитель – к. ф.-м. н. Григорян Олег Рубенович

Москва

2002 год

Введение

Одним из важнейших направлений в физике космического околоземного пространства является изучение потоков заряженных частиц.

Картина распределения потоков заряженных частиц вблизи Земли сложна и до сих пор, несмотря на множество исследований, как экспериментальных, так и теоретических не является полной. Магнитосфера Земли - система открытая и описывается множеством параметров. Приведем основные из них, влияющие на потоки частиц.

Некоторые явления в системе Солнце-Земля, например, такие как магнитные бури, способны на длительное время изменять пространственное распределение потоков заряженных частиц: вызывать перемещения частиц между дрейфовыми оболочками и их ускорение. Из этого следует, что изучение зависимости потоков частиц от условий геомагнитной возмущенности дает описание системы в динамике и предоставляет возможность предсказывать потоки после построения численной модели.

Сама магнитосфера в силу существования солнечного ветра неоднородна в пространстве и сильно различается по структуре на дневной и ночной стороне. На обращенной к Солнцу стороне, силовые линии преимущественно поджаты, а на ночной стороне вытянуты в противосолнечном направлении и даже размыкаются. Поэтому исследования зависимости потоков частиц от местного времени необходимы и дают важную информацию о свойствах, как всей магнитосферы, так и области захваченной радиации.

Исследуя потоки заряженных и нейтральных частиц вблизи Земли необходимо, по возможности, учитывать наличие сложной по составу и неоднородной по высоте атмосферы Земли, которая способна как захватывать частицы, замедляя их в процессе ионизации, так и являться их источником. Поэтому вблизи Земли возможна зависимость потоков частиц от высоты.

Питч-угловое распределение частиц позволяет судить о том, являются ли они захваченными (в случае резкого максимума около 90° ) или высыпающимися. Кроме того, особенности питч-углового распределения позволяют судить о возможных механизмах потерь частиц.

Распределение потоков частиц существенно зависит от их энергии, например, чем больше энергия частиц, тем ближе область максимальных потоков к Земле.

Постановка проблемы

Целью данной работы является изложение основных экспериментальных фактов и теоретических построений, описывающих потоки протонов вблизи Земли на L<1.15, начиная от неожиданного открытия повышенного счета низкоэнергичных (энергии от десятков кэВ до нескольких МэВ) протонов в указанной области в 1969 г. и до последних исследований. Регистрация протонов в течение 30 лет, свидетельствует об устойчивости этого образования. По ряду статей [1-7] можно проследить развитие знаний об этой области. Основные особенности распределения приэкваториальных протонов уже изучены – в том числе высотная зависимость потоков, долготная и широтная. Большое внимание уделялось механизму проникновения частиц в область малых L и предсказанию спектра протонов, хотя нужно отметить, что показатели расчетных и экспериментальных степенных спектров разнятся от одной работы к другой, хотя и лежат примерно в одной области a ~3-5. Однако, данные приводятся для разных диапазонов энергий, поэтому существуют некоторые противоречия между результатами, представленными в разных работах. Существующая на сегодняшний день модель AP8 с хорошей точностью предсказывает потоки протонов (E>100 кэВ)в радиационных поясах, а в приэкваториальных областях (L<1.15) предсказывает значения потоков значительно меньшие наблюдаемых. Таким образом, исследование вышеуказанной области необходимо для уточнения модели.

Обзор

Радиационные пояса представляют собой область околоземного пространства, где сосредоточены значительные потоки энергичных заряженных частиц. Большинство частиц радиационного пояса являются устойчиво захваченными магнитным полем Земли. Устойчивый захват проявляется, если частицы могут продрейфовать как минимум один оборот вокруг Земли. На низких высотах пояса ограничены теми L-оболочками, на которых частицы (в зависимости от их энергии и типа) могут проделать дрейфовое движение без потерь на столкновение с атмосферой. Энергичные протоны радиационного пояса на L=1.15 испытывают большие потери в районе Южной Атлантической Аномалии во время своего дрейфа. В этой области оболочка с номером L=1.15 спускается вниз до высоты 400 км. Поскольку потери в атмосфере на ионизацию и перезарядку зависят от энергии протонов и состава атмосферы, четкой нижней границы протонов радиационного пояса нет. Низкоэнергичные протоны исчезают на больших высотах. Граница L=1.15 относится к высокоэнергичным захваченным протонам (E~100-500 МэВ). Ниже этой границы энергичные протоны должны регистрироваться только как фон галактических космических лучей.

Впервые указание на то, что в околоземном пространстве на небольших высотах порядка 300-1000 км существует зона где преобладают потоки низкоэнергичных протонов (с энергиями от 0.25 до 1.65 МэВ), было сделано в работе [1]. По данным спутника Azur было сделано несколько важных выводов о распределении повышенных потоков протонов по отношению к области минимального магнитного поля.

German Research Satellite Azur был запущен 8 ноября1969 г. на приполярную орбиту с наклонением 103° . Апогей – 3145 км, перигей – 384 км, период обращения - 122 минуты. Плоскость орбиты была синхронизирована по отношению к Солнцу и лежала в ночной области. Спутник был стабилизирован по отношению к силовым линиям магнитного поля Земли. Информация поступала с 8 ноября 1969 г. по 29 июня 1970 г.

В состав аппаратуры на борту исследовательского спутника входил твердотельный детектор-телескоп E1-92, который состоял из двух одинаковых полупроводниковых детекторов толщиной 37 микрон и диаметром 7 мм. Первый детектор имел четыре энергетических канала, а второй только один, настроенный на тот же уровень, что и самый низкоэнергичный канал первого детектора. Детекторы были объединены по схеме антисовпадений, что давало 6 энергетических каналов, приведенных в таблице.

№ канала	Тип частицы	Энергия, МэВ
1	P	1.65 - 13.5
2	P	0.25 - 12.5
3	P	0.25 - 1.65
4	P	0.5 - 1.65
5	P	1.0 - 1.65
6	a	2.0 - 6.4

Угол приема частиц определялся механическим коллиматором с углом раствора 20.4° . Этот коллиматор содержал постоянный магнит, отклонявший электроны с энергией до 500 кэВ от детектора. Геометрический фактор телескопа был равен 0.0137 см^2×ср. Ось коллиматора была перпендикулярна (± 5° ) вектору местного магнитного поля, поэтому детектор регистрировал частицы с питч-углами 90° ± 15° . Счет частиц в каждом канале накапливался с периодом 9.875 секунд на спутнике и передавался на Землю каждые 10 секунд.

Показания детекторов протонов показали, что при пролетах на малых высотах под радиационными поясами наблюдалась повышенная скорость счета протонов с энергиями от 0.25 до 1.65 МэВ в узкой области широт, где B было близко к экваториальному значению B₀10 частиц/10 сек.

Проведенный автором [1] анализ экспериментальных данных показал, что зарегистрированный поток протонов проявляет в пределах статистических ошибок независимость от долготы, высоты (в пределах от 400 до 1000 км), номера L-оболочки (в пределах от 0.99 до 1.14).

В работе [1] указывалось, что потоки приэкваториальных протонов, скорее всего, не зависят от местного времени. В течение первого периода работы спутника эти протоны наблюдались только в вечернее время вследствие особенностей орбиты спутника. В январе 1970 г. перигей сместился в область местного утра и поэтому этот эффект можно было регистрировать и там. Вследствие неисправности записывающего устройства имелось очень мало данных для пролетов вблизи экватора на малых высотах, но все пролеты показали присутствие протонов в области B=B₀

Рис.1. Усредненный спектр приэкваториальных протонов по [1]. L<1.15, показанный на Рис.1. Необычной особенностью этого спектра является доминирование (большое количество) низкоэнергичных протонов, что противоречит известным представлениям о распределении протонов у внутренней границы радиационного пояса.

Автором [1] было показано, что наблюдаемые протоны не принадлежат области устойчивого захвата, поскольку они не могут проделать весь оборот вокруг Земли при дрейфе. Ниже приведен результат расчета времени жизни протонов относительно ионизационных потерь при дрейфе вокруг Земли. Например, если взять протоны с энергией 350 кэВ, то время их жизни даже на высоте около 1000 км меньше, чем период азимутального дрейфа, который составляет 7000 секунд. Тем не менее, они захвачены относительно их колебательного движения как обычные частицы радиационного пояса.

То, что потоки частиц не зависят от высоты, привело к выводу о независимости потоков приэкваториальных протонов от плотности атмосферы, которая влияет на время их жизни. А из этого положения сделан вывод о том, что эффективность источника протонов также зависит от плотности атмосферы. Геометрия источника должна быть такой, чтобы объяснять присутствие протонов на высоте 400 км вблизи экватора и их отсутствие на 1000 км далеко от экватора, где время жизни, определяемое атмосферой, отличается в 10000 раз от времени жизни на высоте 400 км.

Была предложена модель источника приэкваториальных протонов, при этом основным предположением являлось то, что низкоэнергичные протоны могут проникать на малые высоты в процессе перезарядки. Описание процесса и основные выводы, сделанные в [1], приведены ниже.

Процесс перезарядки представляет собой двухступенчатый процесс, в котором в начале энергичные протоны внешнего радиационного пояса сталкиваются с нейтральными атомами водорода экзосферы в реакции:

p^*+ H ® H^* + p (1),

где звездочкой отмечены энергичные частицы. При таком процессе образуется поток энергичных атомов нейтрального водорода, который свободно распространяется в магнитном поле Земли. В плотных слоях атмосферы, атом нейтрального водорода может провзаимодействовать с атомами кислорода - одной из основных составляющих атмосферы:

H^* + O ® p^* + O^- (2).

Образовавшийся энергичный протон захватывается магнитным полем Земли.

Эта модель приводит к двум следующим выводам. Во-первых, к независимости потока от высоты, поскольку поток H^* не испытывает значительного ослабления, вероятности процессов потерь и генерации пропорциональны только плотности атмосферы. Во-вторых, это приводит к особой геометрии источника, которая определяется распределением протонов во внешнем радиационном поясе. Это приводит к сильной анизотропии питч-углового распределения с максимумом вблизи 90° у экватора.

Поскольку процесс перезарядки не изменяет других характеристик частицы кроме зарядового состояния, то распределение источника нейтрального водорода в точке образования можно считать таким же, как и наблюдаемое распределение протонов, при этом абсолютная величина потока определяется сечением соответствующего процесса перезарядки.

В первом приближении не учитывался процесс ионизации, поскольку время жизни относительно этого процесса в точке регистрации значительно больше, чем время жизни, определяемое процессом перезарядки.

Далее приводится оценка потока приэкваториальных протонов, который может образоваться в описанном процессе. Экваториальное кольцо, отвечающее определенному значению L внешнего радиационного пояса, в грубом приближении вносит вклад в поток H^* на низких высотах вблизи экватора, пропорциональный той части этого кольца, которая видна из этой низковысотной точки. Если принять этот вклад равным 30% и если средний поток протонов, отражающихся вблизи экватора с энергией 250 кэВ, равен 10⁷ (см^2×с× ср)^-1 на L от 2.5 до 3.5, тогда каждая L-оболочка сечением 1 см² вносит вклад в поток H^* равный 0.3× 10^7×10^-18×500 (см^2×с× ср)^-1, где 10^-18 см² - сечение процесса перезарядки протонов внешнего радиационного пояса, а 500 см^-3 - средняя плотность экзосферного водорода. Поскольку между L=2.5 – 3.5 находится 6.37× 10⁸ таких колец, расчетный поток H^* на низких высотах будет

6.37× 10^8×0.3× 10^7×10^-18×500 » 1 (см^2×с× ср)^-1 при энергии 250 кэВ (3).

Этот поток H^* преобразуется в поток протонов, пропорциональный отношению поперечного сечения процесса перезарядки и потерям протонов при перезарядке на кислороде; это отношение равно примерно 40 при энергии 250 кэВ. Таким образом, эта оценка приводит к потоку захваченных протонов вблизи экватора на низких высотах порядка 40 (см^2×с× ср)^-1, что является хорошим совпадением с измеренным значением. Далее сделаны некоторые более точные количественные оценки.

Максимальное сечение перезарядки на газах, составляющих атмосферу для атомов водорода энергией 350 кэВ, равно на один атом или молекулу. То есть, поток H^* уменьшается незначительно при плотности атмосферы 10¹⁵ нуклонов/см², которая соответствует высоте 400 км над Землей. Эта оценка довольно грубая, но она показывает, что мощность источника (водорода) не зависит от высоты в пределах точности измерений прибора на борту Azur.

Чтобы количественно проверить предполагаемый поток H^* от источника, поток и его распределение были рассчитаны при использовании простой модели распределения потоков протонов во внешнем радиационном поясе. Для неэкваториальных точек зависимость потока от B/B₀ была выбрана в виде

(4),

что хорошо согласуется с данными эксперимента Azur для неэкваториальных точек во внешнем поясе и приближением модели AP-5.

Радиационный пояс считался симметричным относительно оси диполя. Плотность экзосферного нейтрального водорода была принята в виде

(5),

что является аппроксимацией модели KN-M (Meier, 1970). Поток быстрого водорода на малых L был рассчитан путем численного интегрирования в пределах 1.5<L<4.5. Если считать поток протонов пояса максимальным при L=3, тогда на L=1.1 вблизи экватора получится поток водорода, равный

(6),

где - поперечное сечение процесса перезарядки (1).

При энергии от 0.25 до 1.65 МэВ это сечение может быть аппроксимировано формулой

(7).

Также рассмотрены сечение процесса (2) генерации протонов на низких высотах и сечение процесса

(8)

потерь протонов.

Уравнение, описывающее процесс на низких высотах:

(9),

где - число атомов атмосферного кислорода на , - дифференциальный поток протонов, - дифференциальный поток водорода, а - скорость протона или атома водорода. Если рассматривать , как константу, уравнение для потока протонов имеет решение:

(10).

Поток протонов после перезарядки определяется только отношением сечений и потоком атомарного водорода. Это отношение в интервале энергий 0.25-1.0 МэВ может быть аппроксимировано как

(11),

где E - [МэВ].

Дифференциальный поток протонов на низких высотах принимается равным

(12),

что является хорошей аппроксимацией наблюдаемого потока протонов на экваторе для низких энергий, а дифференциальный поток водорода будет равен

(13).

Этот результат приводит к тому, что потоки протонов в максимуме радиационного пояса на L=3 вызывают наблюдаемый поток протонов на низких L-оболочках:

(14).

В работе [1] с целью упрощения расчетов было сделано предположение, что энергетическая зависимость потоков протонов внешнего пояса в интервале энергий от 0.25 до 1.0 МэВ несущественна. Аппроксимация спектра протонов степенным законом N_p~E^-3, примененная в [1] неточна и хорошо работает только при низких энергиях. Спектр протонов радиационного пояса становится круче при росте энергии, поэтому спектр приэкваториальных протонов тоже должен стать круче. Кроме того, нужно учитывать тот факт, что спектр протонов внешнего пояса имеет пик в интервале энергий 0.25-0.5 МэВ, причем точное положение пика (который и будет в основном определять поток H^*) зависит от L.

Основной вывод работы [1] таков, что наблюдаемый поток приэкваториальных протонов на низких высотах обеспечивается протонами внешнего радиационного пояса посредством описанного механизма. Отмечено, что зона повышенных потоков низкоэнергичных протонов не обязательно расположена только на малых высотах, но измерения на больших высотах будут искажены и связаны со значительными трудностями, поскольку на результаты измерений будут оказывать значительное воздействие потоки высокоэнергичных захваченных протонов вблизи нижней границы радиационного пояса протонов.

Питч-угловое распределение приэкваториальных протонов на низких высотах было вычислено при применении двух методов. Во-первых, угол между скоростью атомов приходящего на низкие высоты потока H^* и вектором магнитного поля может быть вычислен такой же процедурой численного интегрирования по внешнему поясу, как при вычислении потока H^*, который является источником протонов, чьи точки отражения расположены вблизи экватора. Во-вторых, в точке отражения вычисляется поток H^*, который соответствует экваториальному питч-углу. Этот приходящий поток должен дать возрастание потока протонов с точками отражения вблизи экватора.

Оба вышеупомянутых приближения дают очень слабо различающиеся значения потока протонов в точке отражения, причем, как обычно, поток вблизи точки отражения, соответствующей экваториальному питч-углу, немного меньше, чем у экватора. Ожидается, что питч-угловое распределение будет промежуточным, поскольку протоны, рожденные вблизи экватора с питч-углами менее 90° , на своем пути будут проходить слои атмосферы с немного большей плотностью, чем протоны рожденные не на экваторе, которые проходят слои атмосферы с немного меньшей плотностью. Расчетное питч-угловое распределение в точке L=1.1, B=B₀ показано на Рис.2. Был сделан вывод, что такой механизм генерации приэкваториальных протонов даст очень сильную анизотропию питч-углового распределения. Причем, порядок этой анизотропии практически не зависит от высоты, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Рис.2. Расчетное питч-угловое распределение приэкваториальных протонов на экваторе и вблизи точки отражения по [1].

Однако, для построения более точной количественной модели было предложено еще несколько уточнений, заключающиеся в необходимости:

включения потерь числа протонов на ионизацию и учета изменения спектра при ионизации;

рассмотрения процесса генерации протонов на иных, чем кислород, составляющих атмосферы, которые могут иметь другие сечения взаимодействия и концентрацию в атмосфере. Это приведет к вариациям потоков протонов, зависящих от относительного состава атмосферы. Кроме того, при включении других составляющих атмосферы в процесс перезарядки поток частиц в радиационном поясе, необходимый для генерации наблюдаемых потоков приэкваториальных протонов, должен быть значительно меньше, чем реально существующий;

использования более точной модели пояса протонов.

Ниже приведены некоторые предсказания, которые следуют из вышеизложенной модели генерации и проникновения протонов внешнего радиационного пояса на низкие высоты в приэкваториальную область согласно [1].

Потоки протонов должны присутствовать во всех зонах местного времени и, следовательно, образуют пояс низкоэнергичных протонов, аналогичных радиационному поясу.

Должна существовать корреляция между концентрацией экзосферного водорода и потоками приэкваториальных протонов.

Должна быть не очень сильная долготная зависимость потоков протонов на определенной L-оболочке. В работе [1] не учитывались эффекты, возникающие при долготном дрейфе протонов. Возможность долготного дрейфа сильно зависит от времени жизни протонов относительно ионизационных потерь, и, следовательно, от плотности атмосферы. Учет дрейфа приводит к следующему результату - поскольку поток H^* не изменяется, поток протонов на определенной L-оболочке должен зависеть от того, расширяется или сужается эта оболочка при движении в сторону дрейфа протонов. Таким образом, максимальные потоки приэкваториальных протонов на выделенной L-оболочке должны наблюдаться немного к западу от Южно-Атлантической Аномалии. Этому также способствует тот факт, что там нейтральные атомы водорода встречаются с более плотной атмосферой, чем на всем остальном участке из долготного дрейфа. Результаты измерений, приведенные в [1], не достаточны по объему статистики для того чтобы сделать такое утверждение.

Низковысотный пояс протонов должен следовать за вариациями потоков протонов в радиационном поясе вследствие сильной их связанности.

Последний факт действительно был обнаружен в эксперименте.

Рис.3. Сравнение долговременных вариаций скоростей счета протонов энергии 0.25-1.65 МэВ в радиационном поясе на L=3.04 и на низких высотах в области экватора по [1].

Во время и после сильной магнитной бури, произошедшей 8 марта 1970 года, в радиационном поясе было отмечено сильное увеличение потоков низкоэнергичных протонов. Степень этого возрастания (при больших B/B₀, где оно могло быть зарегистрировано в эксперименте) зависела от номера L-оболочки и энергии протонов. Максимальное увеличение потоков протонов было зарегистрировано на L=3 для протонов самых низких энергий. Следует отметить, что оболочка L=3 дает основной вклад в потоки протонов приэкваториального пояса. Поскольку поток приэкваториальных протонов интегрально зависит от потоков протонов в поясе, сложно дать простые количественные оценки увеличения потока приэкваториальных протонов при увеличении потоков протонов в поясе, но ясно, что существует четкая связь между ними. Это хорошо видно при рассмотрении вариаций потока со временем в этих двух областях, показанных на Рис.3. Здесь зависимость скорости счета от времени в приэкваториальном поясе протонов сравнивается со скоростью счета в поясе. Без привлечения гипотезы о сильной взаимосвязанности этих двух явлений сложно объяснить возрастание потоков в приэкваториальной области спустя очень короткое время.

Рис.4. Сравнение дифференциальных спектров протонов, зарегистрированных на низких высотах до и после магнитной бури, произошедшей 8 марта 1970 г. по [1].

Были построены спектры для двух пролетов через приэкваториальную область. Один из них относится к пролету во время магнитной бури 11 марта 1970 г., а другой – последний пролет до магнитной бури 5 марта. Их сравнение показало, что скорость счета во время бури возросла в 4.5 раза для протонов с энергией 0.25-1.65 МэВ.

На Рис.4 изображены спектры протонов при этих двух пролетах, при этом видно, что низкоэнергичных протонов становится больше во время возмущений, что согласуется с измерениями в радиационном поясе.

Детальное изучение долготного распределения протоков низкоэнергичных приэкваториальных протонов было сделано в работе [2] по данным другого прибора на том же спутнике Azur.

В работе [2] сообщается о наблюдении низкоэнергичных протонов и ионов (0.50<E<1.5 МэВ), зарегистрированных с помощью телескопа EI 88 в период с 10 ноября по 10 декабря 1969 г.

В прибор EI 88 входили два телескопа-детектора частиц. Один из детекторов был ориентирован перпендикулярно локальному магнитному полю, а другой по углом 45° Постоянный магнит силой 1.2 кГс отклонял электроны с энергией менее 700 кэВ от попадания в детектор. Частицы на малых высотах под внутренним радиационным поясом были зарегистрированы только каналом K1 (E_p=1.5-2.7 МэВ) телескопа EI 88/1, который был ориентирован под углом в 90° к силовой линии только в узком регионе по L и магнитной широте. Было показано, что это не могут быть высокоэнергичные частицы, поскольку при соединении всех каналов детектора по схеме совпадений (E_p=1.5-104 МэВ) в приэкваториальной области протоны не регистрировались ни под углом в 90° к силовой линии, ни под углом 45°. Четкий сигнал в канале K1 (E_p=1.5-2.7 МэВ) в детекторе ориентированном под углом в 90° к силовой линии показал сильную анизотропию потоков протонов с максимумом питч-углового распределения около 90°.

Энергетический диапазон частиц, если это протоны составлял E_p=0.5-1.5 МэВ. Если считать спектр протонов степенным j(>E)~E^-α, то зарегистрированная скорость счета в каналах с энергиями E_p=0.5-1.5 МэВ и E_p=1.5-2.7 МэВ приводит к показателю степенного спектра α~5. Потоки частиц наблюдались на тех L, B для которых точки отражения находятся на высотах менее 100 км. Область максимальных потоков протонов сосредоточена вблизи экватора, практически независимо от минимальной высоты точки отражения. Это образование занимает область геомагнитной широты ±15° по отношению к геомагнитному экватору. Долготное распределение потоков протонов, несмотря на недостаточность статистики, обнаруживает возрастание потоков на долготах от 280° до 360°. На всех остальных долготах поток примерно постоянен и равен 7±1 частиц/(см² ср), при усреднении по интервалу в 10°. Наблюдения частиц с питч-углами 90° и 65° четко показало, что частицы являются захваченными.

При сохранении первых двух инвариантов движения дрейфующие частицы успевают за один период дрейфа несколько раз достичь точек отражения. Там они могут поглотиться, потерять энергию и перезарядиться в атмосфере.

Рис.5. Внизу - гистограмма скорости счета в зависимости от географической долготы на L от 1.10 до 1.12. Вверху - высота (шкала слева) в зависимости от географической долготы для L=1.10 и B=Bmin; Кривые, помеченные знаком D l - расстояние в градусах долготы (шкала справа), которое должен пройти протон c энергией 0.8 МэВ при дрейфе, чтобы потерять 0.1 МэВ энергии на L=1.10 по [2].

На Рис.5 продемонстрировано, что долготное распределение протонов на малых высотах должно быть неравномерным. Кривые, помеченные символом D l , изображают путь в градусах долготы, который должен пройти протон энергией 800 кэВ при дрейфе, чтобы потерять в энергии 100 кэВ. В каждой точке плотность атмосферы на отрезке D l считалась постоянной. Ясно, что более или менее постоянная инжекция частиц на дрейфовом пути будет способствовать увеличению потока до тех пор, пока частицы не войдут в область низких высот с малым значением долготы D l . Действительно, возрастание потока не наблюдается на всех L. Таким образом, мы должны пренебречь распределением потоков в источнике. Другим, лучшим объяснением может быть предположение, что инжекция протонов происходит в ограниченной области высот до 600 км. Это предположение приводит к выводу, что должно быть увеличение потока в области за 30° долготы до Южно-Атлантической Аномалии. При дрейфе инжектированный поток должен сохраняться в интервале высот между 300 и 600 км. Дополнительная инжекция протонов приводит к увеличению значения потока примерно вдвое по сравнению с обычным значением, в то время как. высокая плотность атмосферы ограничивает дальнейший дрейф, и частицы перестают участвовать в дрейфовом движении. Пунктирная линия демонстрирует это поведение. По мнению авторов [2] диффузия протонов из внешнего радиационного пояса вряд ли может объяснить почти постоянный поток протонов в области L от 1.01 до 1.15 и очень мягкий энергетический спектр, который не похож на спектр протонов радиационного пояса.

В работе [4] было высказано предположение, что частицы с энергиями менее 1 МэВ вблизи Земли образуются от двух источников. Один из них (более энергичные частицы) – солнечные космические лучи, другой (с энергиями менее 400 кэВ) в основном определяется процессом перезарядки протонов радиационного пояса на нейтральных атомах экзосферы. Измерения низкоэнергичных протонов [3] вплоть до энергий кольцевого тока (~10 кэВ) показали, что низкоэнергичные протоны образуются в том числе при перезарядке протонов кольцевого тока. В [4] вычислен энергетический спектр нейтрального водорода на малых высотах в приэкваториальной области:

(15),

где спектр протонов при малых энергиях аппроксимирован степенной зависимостью

(см² с ср МэВ)^-1 (16).

Этот расчет привел к следующему значению потока нейтрального водорода в межпланетном пространстве:

(см² с МэВ)^-1 (17),

где E – [МэВ].

В работе [5] впервые проанализирована высотная зависимость пиковых значений потоков приэкваториальных протонов по данным прибора Phoenix 1 на борту миссии S1-81 в период с мая по ноябрь 1982 года. Спутник S1-81 был стабилизирован по трем осям, апогей спутника составлял 290 км, перигей 170 км. Наклонение орбиты спутника было равным 85.5°, а плоскость орбиты была синхронизирована с Солнцем, так, что спутник наблюдал области местного времени от 1030 до 2230.

Эксперимент Phoenix 1 включал в себя два детектора-телескопа: телескоп-монитор и главный телескоп. Главный телескоп давал информацию об изотопном составе частиц солнечных космических лучей и не использовался для анализа, приведенного ниже.

В телескоп-монитор входил 40-микронный полупроводниковый кремниевый детектор, снабженный пассивной защитой. Угол раствора детектора был равен 75°, а геометрический фактор 0.5 см² ср. Прибор был установлен на спутнике так, что угол между осью телескопа и перпендикуляром к плоскости орбиты составлял угол 2.35°. На геомагнитном экваторе детектор регистрировал частицы с питч-углами в интервале от 55° до 129°. Доступный для наблюдений высотный диапазон от 170 до 290 км был разбит на 15-километровые участки и проведено усреднение по пиковым значениям потока при пролете через приэкваториальную область. В результате получена зависимость пикового потока от высоты в виде степенной функции , изображенная на Рис.6.

Рис.6. Зависимость потока протонов от высоты по данным прибора Phoenix 1, линия - степенная аппроксимация (h⁵) потока, нормированного на поток на высоте 185 км по [5].

Несмотря на установившееся мнение, что основным механизмом генерации и распространения низкоэнергичных приэкваториальных протонов на низких высотах является перезарядка протонов кольцевого тока и/или радиационного пояса протонов на нейтральных атомах экзосферы, в работе [6] делается предположение, что нельзя пренебрегать и радиальной диффузией протонов радиационного пояса на низкие высоты. Такой механизм дает также возможность изменения спектра протонов вследствие бетатронного ускорения. Например, делается указание, что теоретически рассчитанные спектры предсказывают потоки приэкваториальных протонов на низких высотах значительно меньшие, чем наблюдаемые в области энергий более 250 кэВ. Авторами [6] было сделано предположение, что такое несогласие может быть связано с захватом и накоплением перезаряженных ионов. Временные возрастания потоков квазизахваченных протонов с энергиями менее 300 кэВ согласно работам [1] и [3] связаны с геомагнитными возмущениями. С другой стороны, моделирование потока в области высокоэнергичного “хвоста” спектра (E>100 кэВ), показало, что потоки протонов, приходящих из области радиационного пояса скорее снижаются, чем увеличиваются во время периодов повышенной геомагнитной активности. В работе [6] приводятся результаты наблюдений за долговременными вариациями потоков протонов с энергиями 0.64-35 МэВ в течение 3 лет на 1.05<L<1.15 в эксперименте HEP (High-Energy Particle) на борту спутника OHZORA.

Прибор HEP включал в себя два полупроводниковых телескопа с геометрическим фактором 0.84 см² ср, которые регистрировали протоны с энергиями 0.64-35 МэВ. Сигнал с детекторов анализировался 16-канальным амплитудным анализатором. Спутник OHZORA летал на высотах от 320 км до 850 км, наклонение орбиты составляло 73° . Время активного существования спутника – с февраля 1984 по март 1987. Первый из двух детекторов был направлен в антисолнечном направлении, а другой перпендикулярно к первому. При сравнении скорости счета в детекторе, направленном в надир и зенит были получены следующие результаты.

Местное Время	Направле-ние	Скорость счета, с^-1	Высота, км	L	Питч-угол	Широта
2300-0100	Вверх	0.65± 0.03	772.8± 41.1	1.108± 0.017	72.7± 12.9	0± 15
1100-1300	Вниз	0.60± 0.03	743.8± 16.5	1.085± 0.021	72.7± 88	0± 15

Авторы [6] делают вывод о том, что практически, разницы в скорости счета между двумя ориентациями телескопа нет. Кроме этого, в [6] приводится степенная аппроксимация спектра приэкваториальных протонов по данным OHZORA в виде (см² с ср МэВ)^-1 для протонов энергии больше 200 кэВ. Проведено сравнение полученного экспериментально спектра с предсказаниями модели AP8 MIN в этом же приэкваториальном (L=1.13) регионе, которая дает поток протонов практически не зависящий (показатель дифференциального спектра g = -0.6) от энергии. Из этого можно сделать указание, что в области малых L модель нуждается в доработке.

Детальное исследование зависимости протоков протонов в приэкваториальной области от геомагнитной активности приведено в работе [7] по данным спутника SAMPEX. Кроме того, приводятся данные о долговременных вариациях потоков протонов в указанной области.

Спутник SAMPEX функционировал с 3 июля 1992 года. Перигей орбиты спутника составлял 520 км, апогей 670 км, наклонение орбиты было равно 82°. Спутник был стабилизирован по трем осям, причем ориентация осей менялась от одной орбиты к другой так, чтобы оптимизировать регистрацию частиц. Вблизи экватора SAMPEX регистрировал частицы приблизительно под углом 90° с небольшими вариациями, зависящими от местного времени. Протоны регистрировались в приборе Low energy Ion Composition Analyzer (LICA), если их энергия превышала 700 кэВ.

Потоки приэкваториальных протонов, связанные с магнитными бурями регистрировались в течение всего времени функционирования прибора SAMPEX, за исключением одного-двух лет вблизи минимума солнечной активности.

При исследовании зависимости потоков от уровня геомагнитной активности авторы спорят с утверждением в [6] о том, что в некоторых случаях во время магнитных бурь потоки протонов на малых L снижаются. Представленные в [7] долговременные зависимости (за несколько лет) показывают неизменное увеличение потоков с увеличением геомагнитной активности. Для отдельных пролетов через приэкваториальную область отмечается такая же зависимость.

Рис 7. Распределение максимумов потоков протонов, связанных с магнитными бурями в зависимости от местного времени по [7].

Совершенно неожиданно была обнаружена зависимость потоков приэкваториальных протонов от местного времени, показанная на Рис.7. Было установлено, что максимальные потоки регистрируются, в основном в вечерние и ночные часы, хотя из известного долготного распределения можно было бы ожидать обратного.

Заключение.

Различные эксперименты, проведенные в течение 30 лет, показали, что:

В приэкваториальной области (L<1.15) существует зона повышенных потоков протонов c энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ в широком диапазоне высот.

Питч-угловое распределение приэкваториальных протонов имеет резкий максимум вблизи 90° .

Существует сильная долготная зависимость потоков приэкваториальных протонов.

Приэкваториальные протоны захвачены относительно колебательного движения между точками отражения.

Показатель спектра приэкваториальных протонов составляет a ~3-5.

Отмечаются некоторые противоречия в различных работах, которые относятся к зависимости потоков приэкваториальных протонов от геомагнитной активности. Возможно, что поведение протонов существенно зависит от их энергии.

Существует зависимость потоков протонов от местного времени.

На основании анализа экспериментальных данных сформулируем задачи:

Нужно объяснить недавно обнаруженную зависимость потоков протонов от местного времени.

Необходимо исследовать возможность радиальной диффузии протонов радиационного пояса непосредственно на малые L, минуя стадию перезарядки.

Нужна более точная модель потоков протонов в радиационном поясе и в кольцевом токе, которая должна работать в области малых энергий (E<100 кэВ).

Необходимо подробнее исследовать высотную зависимость потоков приэкваториальных протонов. Возможно, что их потоки сильно связаны с относительным составом атмосферы.

Более точное знание спектра приэкваториальных протонов в широком диапазоне энергий позволит точнее предсказывать потоки протонов на L<1.15.

Литература.

Moritz, J., Energetic protons at low equatorial altitudes: A newly discovered radiation belt phenomenon and it’s explanation, Z. Geophys., 38, 701, 1972.

Hovestadt, D., B. Hausler, and M. Sholer, Observation of energetic particles at very low altitudes near the geomagnetic equator, Phys. Rev. Lett., 28, 1340, 1972.

Mizera, P. F., and J. B. Blake, Observations of ring current protons at low altitudes, J. Geophys. Res., 78, 1058, 1973.

Hovestadt, D., and M. Sholer, Radiation belt-produced energetic hydrogen in interplanetary space., J. Geophys. Res., 81, 5039, 1976.

Guzik, T. G., M. A. Miah, J. W. Mitchell, and J. P. Wefel, Low-altitude trapped protons at the geomagnetic equator, J. Geophys. Res., 94, 145, 1989.

Gusev, A. A., T. Kohno, W. N. Spjedlvik, I. M. Martin, G. I. Pugacheva, and A. Turtelli Jr., Dynamics of the low-altitude energetic proton fluxes beneath the main terrestrial radiation belts, J. Geophys. Res., 101, 19,659, 1996.

Greenspan, M. E., G. M. Mason, and J. E. Mazur, Low-altitude equatorial ions: A new look with SAMPEX, J. Geophys. Res., 104, 19,911, 1999.

Выскажите свое мнение тут