CC BY
10
УДК 533.951.2
ГОРЯЧАЯ ПЛАЗМА НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ: НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ УГЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ПОТОКОВ ЭЛЕКТРОНОВ
Н. А. Власова, Б. В. Марьин, С. Я. Рейзман, И. А. Рубинштейн,
Э. Н. Сосновец , М. В. Тельцов
Сниияф)
Е-таН: [email protected]
Исследованы некоторые особенности угловой анизотропии потоков электронов с энергией ~ 0.1-14 кэВ как инструмента изучения динамики горячей плазмы в районе геостационарной орбиты. Экспериментальные данные, используемые в работе, были получены с 11 по 23 марта 1992 г. с ИСЗ Г0РИ30НТ-35. Показано, что в условиях низкой геомагнитной активности потоки электронов в области геостационарной орбиты в ночном секторе магнитосферы анизотропны, а во время геомагнитных возмущений близки к изотропным.
Введение
Динамика потоков частиц в области ближнего плазменного слоя - одна из важных проблем физики магнитосферы. Экспериментальные данные, полученные на спутнике АТ5-5. позволили в 1972 г. построить модель конвекции частиц в плазменном слое магнитосферы Земли [1]. Обычно рассматривается симметричная относительно меридиана утро-вечер модель движения заряженных частиц под действием магнитного поля Земли, электрического поля «утро-вечер» и поля коротации. При этом электрическое поле «утро-вечер» считается стационарным и одинаковым в исследуемой части магнитосферы. Попытки объяснить динамическое поведение плазмопаузы, основываясь на конвекционной модели, привели к необходимости введения частичной экранировки внешнего электрического поля альвеновским слоем [2]. Подбор коэффициента экранировки продолжается до настоящего времени [3].
Исследование конвекции заряженных частиц в магнитосфере Земли обычно разбивается на два этапа [3]:
— спокойная постоянная магнитосферная конвекция частиц плазменного слоя к Земле из ближней части магнитосферного хвоста. При этом частицы двигаются по траекториям, которые определяются зарядом частицы, энергией, питч-углом и, конечно, состоянием магнитосферного электрического поля;
— частицы инжектируются эпизодически на ночную сторону магнитосферы и затем двигаются по траекториям, согласно законам спокойной конвекции.
Однако до сих пор нет ясного понимания механизма процессов, приводящих к инжекции частиц во внутреннюю магнитосферу. Неизвестно, как проходит процесс инжекции частиц в спокойное время и является ли поток частиц из источника в хвосте стационарным или даже в спокойное время действует вепышечный механизм инжекции.
Исследование потоков большой плотности холодной плазмы в области геостационарной орбиты показало [4], что новый материал плазменного слоя поступает только в двух случаях: после продолжительного периода северной ориентации межпланетного магнитного поля и при сильном поджатии магнитосферы.
Цель настоящей работы — исследование некоторых особенностей угловой анизотропии потоков электронов с энергией ~ 0.1-14 кэВ как инструмента изучения динамики потоков горячей плазмы в районе геостационарной орбиты.
Методика измерений
Анализируемые в работе экспериментальные данные были получены на геостационарном спутнике Г0РИ30НТ-35, который находился на 80° в. д., что соответствовало широте ~9° и местному времени ЬТ и ИТ + 5Ь. Спутник имел фиксированную ориентацию по трем осям с осью X, направленной к центру Земли, и осью Я — на северный полюс эклиптики. Измерения спектров потоков электронов в диапазоне энергий Ее ~ 0.1 -г-14 кэВ проводились аппаратурой АДИПЭ [5], в состав которой входили два идентичных электростатических анализатора с канальными электронными умножителями в качестве детекторов частиц [6]. Анализаторы были ориентированы в двух взаимно перпендикулярных направлениях: один анализатор был направлен по радиус-вектору от Земли (JX) я регистрировал потоки в 16 энергетических интервалах, а второй был направлен на юг и регистрировал потоки в
32 энергетических интервалах. Время измерения в одном энергетическом интервале составляло 4 с, а время измерения полного энергетического спектра — 128 с. Энергетическая ширина каналов обоих анализаторов была одинакова, но в первом анализаторе запись информации производилась через один канал по сравнению со вторым анализатором.
Обсуждение экспериментальных результатов
Для анализа некоторых особенностей углового распределения потоков электронов на геостационарной орбите был выбран период с 11 по 25 марта 1992 г. Особенностью этого небольшого интервала времени было наличие нескольких дней с Вх > О (северная ориентация межпланетного магнитного поля) — геомагнитно спокойных, а также слабых и умеренных геомагнитных возмущений. Подробный анализ геомагнитной обстановки и динамики частиц в этот период приведен в работе [7].
Временной ход потоков электронов, зарегистрированных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, представлен на рисунке (две верхние панели). Представлены данные, полученные в трех каналах (средние энергии ~ 0.15, ~ 1.2 и ~ 13.6 кэВ) каждого из детекторов. В качестве характеристики геомагнитной активности выбрана ^¿-вариация (нижняя панель рисунка). Для анализа угловых особенностей распределений потоков электронов было посчитано отношение потока электронов, зарегистрированного в направлении на юг (JZ), к потоку электронов, зарегистрированному в направлении по радиус-вектору от Земли (Зх), в соответствующих энергетических каналах. Величины отношений Зх/Зх для одного энергетического канала ~ 1.2 кэВ представлены на рисунке (третья панель). При движении ИСЗ вдоль орбиты вокруг Земли происходит изменение питч-углов частиц, регистрируемых детекторами. По модели магнитного поля Цыганенко-89 [8] были рассчитаны питч-углы частиц, регистрируемых детектором, направленным по радиус-вектору от Земли (Зх) (рисунок, четвертая панель, штрихами обозначен местный полдень — 12ЬТ).
Наблюдается ярко выраженная суточная вариация величины отношения Зг)Зх. Величина отношения Зх/Зх варьируется в основном в пределах от ~ 0.1 до ~ 1 с максимумом в ночные часы и минимумом в дневные. В местный полдень двумя детекторами регистрируются частицы с питч-углами ~ 75° (Зх) и ~ 25° (Л), слабо зависящими от геомагнитной активности. В ночные часы в зависимости от геомагнитной активности питч-углы регистрируемых частиц варьируют от ~ 55 до ~ 35° детектором — Зх и от ~ 35 до ~ 55° — Зх соответственно. Точно оценить величины питч-углов регистрируемых в ночном секторе частиц, не представляется возможным. Расчет был сделан по модели Цыганенко-89 [8], в которой в качестве показателя геомагнитной активности вводится трехчасовой Кр-индекс. Несмотря на изменение регистрируемых питч-углов, можно говорить об анизотропном угловом распределении потоков электронов на большей части геостационарной орбиты.
В рамках конвективной модели движения частиц горячей плазмы резкое возрастание частиц в вечер-
не-ночной части магнитосферы связано с пересечением сепаратрисы, разделяющей область замкнутых и разомкнутых дрейфовых оболочек [9]. Удаление от Земли сепаратрисы определяется величиной электрического поля «утро-вечер»: чем выше величина потенциала, тем ближе к Земле расположена сепаратриса. Величина электрического поля «утро-вечер» зависит от геомагнитной возмущенности: чем выше геомагнитная активность, тем больше величина электрического поля [10]. В очень спокойных геомагнитных условиях геостационарная орбита может располагаться внутри сепаратрисы, в области замкнутых дрейфовых оболочек (напр., 18-21 марта 1992 г., рисунок). В этом случае на суточной вариации интенсивности потоков электронов не наблюдается резкого возрастания в вечерне-ночном секторе. Суточный ход отношений потоков Зх/Зх также имеет плавный характер. Согласно результатам статистического анализа, представленного в [11], только в -5% случаев геостационарная орбита находится внутри сепаратрисы.
12-15 марта 1992 г. (рисунок) геомагнитная активность была слабой, но характерное возрастание интенсивности потоков в ночном секторе наблюдалось практически во всем диапазоне измеряемых энергий электронов. В рамках конвективной модели положение сепаратрисы зависит от энергии частиц: чем больше энергия, тем дальше от Земли сепаратриса. Несмотря на резкое возрастание интенсивности потоков электронов в вечерне-ночном секторе, плавный характер суточной вариации отношений потоков Зх/Зх мало отличался от спокойной вариации на замкнутых дрейфовых оболочках, наблюдаемой 18-22 марта 1992 г. Величина Зх/Зх не достигала 1, что свидетельствует об анизотропии потоков электронов в ночном секторе на геостационарной орбите в условиях слабой геомагнитной активности.
16-18 марта 1992 г. наблюдалось небольшое геомагнитное возмущение (рисунок), 21-22 марта 1992 г. — слабая геомагнитная буря. Профиль изменения величины отношений потоков Зх/Зх практически повторяет профиль изменения интенсивности потоков электронов: резкое возрастание, величина отношений потоков Зх/Зх стремится к 1, платооб-разный (длительность плато ~ 8 часов) максимум, несмотря на изменения регистрируемых питч-углов. Следовательно, можно предположить, что в условиях геомагнитного возмущения угловое распределение потоков электронов в ночном секторе магнитосферы в области геостационарной орбиты близко к изотропному.
На основании результатов наблюдений электрических полей на авроральных силовых линиях и в хвосте магнитосферы (см., напр., [12]), которые показали, что амплитуды регистрируемых электрических полей в авроральной плазме значительно превышают регулярное поле «утро-вечер», было сделано предположение [13] о неадиабатической диффузии
Г0РИ30НТ-35
92/05/13 00:00:00-92/05/25 вв:вв:вв
-1ВВ 85/12
05/14
05/16
05/18
05/20
85/22
11Т, (месяц, день)
Временной ход интенсивности потоков электронов с энергией ~ 0.15, ~ 1.2 и — 13.6 кэВ, зарегистрированных детекторами в направлении от Земли (,]х) (верхняя панель) и в направлении на юг (,]г) (вторая сверху панель), величины отношения потоков электронов с энергией ~ 1.2 кэВ, величины питч-угла частиц, регистрируемых
детектором, направленным от Земли (,]х), величины -вариации в период с 12 по 23 марта 1992 г.
и выравнивании гидродинамических параметров в плазменном слое. Предполагалось [14], что флуктуации поля при неэквипотенциальности магнитных силовых линий должны приводить к разрыву магнитных силовых трубок и интенсивному перемешиванию плазмы. Результаты наблюдений распределения скорости плазмы в хвосте магнитосферы на спутниках 1SEE-2 и AMPTE/JRM (см., напр., [15, 16]) показали, что регулярная скорость движения плазмы плазменного слоя на порядок меньше стохастической. В работе [14] делается вывод, что крайне популярная картина регулярной конвекции в плазменном слое, в которой имеет место регулярное течение, должна быть заменена на картину, в которой доминирует нерегулярное стохастическое движение. Согласно полученным в данной работе экспериментальным результатам, стохастическое движение может иметь место в спокойных условиях и в условиях слабой геомагнитной активности в более удаленных от Земли частях плазменного слоя, чем область геостационарной орбиты. В условиях геомагнитных возмущений область стохастического движения может достигать геостационарной орбиты.
Заключение
Некоторые особенности угловой анизотропии (рассчитанной по двум точкам) потоков электронов в диапазоне энергий ~ 0.1-14 кэВ с 11 по 23 марта 1992 г. в области геостационарной орбиты:
— наблюдается ярко выраженная суточная вариация отношения потоков электронов, измеренных в двух взаимно перпендикулярных направлениях, — анизотропия потоков;
— в условиях низкой геомагнитной активности потоки электронов в ночном секторе анизотропны;
— во время геомагнитных возмущений потоки электронов в ночном секторе близки к изотропным.
Авторы выражают благодарность H.H. Павлову за помощь в обработке экспериментальных данных.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №НШ-2046.2003.2) и программы «Университеты России» (грант УР.02.03.011).
Литература
1. Mcllwain С.Е. // Plasma convection in the vicinity of geosynchronous orbit, in Earth's Magnetospheric Processes / Ed. by B.M. McCormac. Norwell, Mass., 1972. P. 268.
2. Volland H. 11 J.Geophys. Res. 1973. 78, N 1. P. 171.
3. Elphic R.C., Thomsen M.F., Borovsky J.E., McComas DJ. // J. Geophys. Res. 1999. 104. P. 22679.
4. Thomsen M.F., Borovsky IE., Skoug Ü.M., Smith C. W. 11 J. Geophys. Res. 2003. 108, N A4, P. 1151, doi:10.1029/ 2002JA0009544.
5. Vlasoisa N.A., Goryainov M.F., Kutuzov Yu. V. et al. // Proc. Intern. Conf. «Problems of spacecraft/environment interactions». Novosibirsk, 1992. P. 45.
6. Бабаев А.П., Липовецкий В.А., Марьин Б.В. и др. // Тр. ГосНИЦИПР. 1980. СПб., Гидрометеоиздат. Вып. 11. С. 11.
7. Власова H.A., Ковтюх A.C., Кутузов Ю.В. и др. // Космические иссл. 2001. 39, №3. С. 1.
8. Tsyganenko N.A., Usmanov A.V., Malkois M.V. // J. Geophys. Res. 1994. 99. P. 11319.
9. Korth H., Thomsen M.F. 11 J. Geophys. Res. 2001. 106, N A12. P. 29655.
10. Rowland D.E., Wygant J.R. 11 J. Geophys. Res. 1998. 103, N A7. P. 14959.
11. Sosnovets E.N., Kovtyukh AS., Laschuk E.A. et al. // Proc. 4 Intern. Conf. «Problems of Geocosmos». St. Petersburg, 2002. P. 213.
12. Mozer F.S., Cattell C.A., Hudson M.K. et al. // Space Science Reviews. 1980. 27, N 1. P. 153.
13. Антонова E.E. // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. 25, №4. С. 623.
14. Antonova Е.Е., Stepanova M.V., Vikhreisa E.A. et al. // J. Geophys. Res. 1999. 104. P. 19941.
15. Angelopoulos V., Kennel C.F., Coroniti F.V. et al. // Geophys. Res. Letters. 1993. 20, N 16. P. 1711.
16. Borovsky, J.E., Thomsen M.F., Elphic R.C. // J. Geophys. Res. 1998. 103. P. 17617.
Поступила в редакцию 03.07.03
