Вопрос о механизме ускорения релятивистских электронов во время магнитных бурь остается открытым. Электроны с энергиями в десятки – первые сотни кэВ (так называемые “seed” электроны) легко могут быть ускорены нестационарными электрическими полями суббурь (Бондарева и Тверская, 1973; Li et al., 1998). Электроны больших энергий могут ускоряться в процессе диполизации магнитного поля при втягивании силовых линий геомагнитного хвоста в область захваченной радиации во время суббурь (Tverskoy, 1969). Поскольку электроны инжектируются в поле, ослабленное кольцевым током, на фазе восстановления бури они испытывают дополнительное ускорение (Вакулов и др., 1975).
В последние годы предложено несколько механизмов ускорения электронов до релятивистских энергий на основе взаимодействия волна-частица (Summers and Ma, 2000; Бахарева, 2003 и соответствующие ссылки). Однако большинство этих механизмов ускоряют электроны до релятивистских энергий за время порядка нескольких часов и даже дней. В то же время эксперимент показывает, что ускорение электронов до релятивистских энергий может происходить даже в сердцевине внешнего радиационного пояса на временной шкале ~1 ч (Тверская, 1998; Li et al., 1999).
Достаточно подробный обзор разрабатываемых в последние годы механизмов ускорения электронов радиационных поясов можно найти в (Friedel et al., 2002).
4 потоки энергичных частиц под радиационными поясами земли
На рис. .3 (из раздела 1.3) приведены карты распределения различных частиц в поясах на высоте около 500 км. Для электронов с Ее=0.3-0.6 МэВ выбрана минимальная интенсивность 10 частиц/см2сср. Хорошо видны области внутреннего пояса, внешнего пояса и область высыпания из внешнего пояса на северных и южных широтах вокруг всей Земли. Характерной особенностью распределения энергичных электронов на малых высотах является наличие долготной зависимости их интенсивности вдоль траектории дрейфа. При одних и тех же параметрах L и В интенсивность электронов на долготах к западу от аномалии больше, чем к востоку (Вернов и др., 1963).
На более низких широтах, чем область высыпания из внешнего пояса, также существуют потоки квазизахваченных частиц, генетически связанных с радиационными поясами. На рис.20 приведены данные пролета ИСЗ КОРОНАС-И с севера на юг на L<8. В северном полушарии видно два пика потоков электронов, соответствующие внешнему поясу (L~4-5) и внешней кромке внутреннего пояса (L~2.1-2.3). В южном полушарии наблюдаются дополнительные пики на L~1.3 и L~1.6. Также заметно некоторое возрастание потоков протонов на экваторе, на промежуточных L и вблизи внешней границы внешнего пояса. Анализ данных, полученных на других орбитах, показывает, что возрастания потоков протонов на экваторе и на L~3.5 и 4.5 повторяются.
На рис. 21 (Bashkirov et al., 1999) приведено географическое распределение потоков электронов. Все области квазизахваченных электронов хорошо разделяются. В северном полушарии в области долгот от -70° до +50° потоки электронов на L~2.1 и 1.6 практически отсутствуют. Это – область, сопряженная Бразильской аномалии.
Исходя из разницы магнитного поля в Бразильской аномалии и сопряженной точке на высоте полета спутника, можно определить, что рассеяние электронов на полукачке на L~2.1 и 1.6 меньше 4- 6°. Интересно, что если на L~2.1 и 1.3 пики электронов регистрируются в любое мировое время, то на L~1.6 они регистрируются только с 10 до 24 ч UT (см. рис. 22).
Иногда во внешнем поясе в районах северного полушария, сопряженных с Южно-Aтлантической аномалией, где зеркальные точки опускаются ниже 50 км или уходят под Землю, регистрируются заметные потоки энергичных электронов. Это, скорее всего, связано с рассеянием частиц за один качек при движении между точками отражения (Вернов и др., 1965).
На L<2 квазизахваченные электроны регистрировались в ряде экспериментов. На существование потоков электронов на L~1.6 было указано в работе (Nagata et al., 1988). В работах (Imhof et al., 1984, Imhof et al., 1995) исследовалось высыпание электронов, вызванное взаимодействием с излучением низкочастотных радиостанций.
Зарегистрированы случаи появления в районе экватора протонов с Ер~70 кэВ (Бутенко, 1975) и 1-4.5 МэВ (Bashkirov, 1999). Исследования этого эффекта проводились и ранее (Hovestadt et al., 1972; Гоцелюк и др., 1974; Greenspan et al, 1999; Grachev et al., 2002). В работе (Гоцелюк и др., 2005) более детально изучалось распределение протонов под поясами. На рис. 23 приведено распределение протонов вблизи экватора. Видно, что они регистрируются на L<1.1, то есть существуют менее одного периода дрейфа вокруг Земли. Их источником считаются протоны радиационного пояса на L~2.5–4. Эти протоны захватывают электроны экзосферы и уже не удерживаются магнитным полем. Часть их, достигая атмосферы Земли на высоте ~ 200 км в экваторе, обдираются и, если они имеют питч-угол ~ 90°, захватываются магнитным полем. В работе выделены еще две области регистрации квазизахваченных протонов. Это – 3<L<4 и L>4. Область квазизахваченных протонов на 3<L<4 существует из-за паразитного рассеяния протонов на циклотронном излучении электронов (Гоцелюк и др., 1985). Неясно, чем объяснить высыпание протонов на L>4.
Список литературы
Альвен Г., Фельтхаммер К., Космическая электродинамика, основные принципы, М.: Мир, 1967.
Андронов А.А., Трахтенгерц В.Ю., Кинетическая неустойчивость радиационных поясов Земли, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 4, с. 181-185, 1964.
Бахарева М.Ф., Нестационарное статистическое ускорение релятивистских частиц и его роль во время геомагнитных бурь, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 43, № 6, с. 737–744, 2003.
Безродных И.П., Бережко Е.Г., Морозова Е.И. и др., Всплески энергичных электронов на магнитопаузе и во внешнем радиационном поясе, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 24, с. 818- 830, 1984.
Бондарева Т.Б., Тверская Л.В., О дрейфе частиц радиационных поясов во время суббурь, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 13, № 4, с. 723-729, 1973.
Бутенко В.Д., Григорян О.Р., Малкиэль Г.С., Столповский В.Г., Потоки протонов с Ер>70 кэВ в приэкваториальной области на малых высотах, Космические исследования, Т. 13, № 4, с. 508- 512, 1975.
Вакулов П.В., Коврыгина Л.М., Минеев Ю.В., Тверская Л.В., Динамика внешнего пояса энергичных электронов во время умеренной магнитной бури, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 15, № 6, с.1028-1032, 1975.
Вандас М., Дворжакова М., Кузнецов С.Н., Фишер С., Регистрация энергичных ионов на высоте 500 км во внутреннем радиационном поясе Земли, Изв. АН СССР, сер. физ., Т. 52, № 12, с. 821- 823, 1988.
Вернов С.Н., Савенко И.А., Шаврин П.И., Тверская Л.В., О структуре радиационных поясов Земли на высоте 320 км. Cenl`cmerhgl и аэрономия, Т. 3, № 5, с. 812-815, 1963.
Вернов С.Н., Савенко И.А., Тверская Л.В., Тверской Б.А., Шаврин П.И., Об интенсивности электронов радиационных поясов на высотах 180-330 км в районах, сопряженных с отрицательными геомагнитными аномалиями, Космические исследования, Т. 3, вып. 1, с. 128-134, 1965.
Гинзбург Е.А., Малышев А.В., Пустоветов В.П., О новом радиационном поясе релятивистских электронов на L=1.9 по данным измерений на ИСЗ Метеор, Изв. РАН, сер. физ., Т. 57, с. 89-92, 1993.
Гоцелюк Ю.В., Кузнецов С.Н., Кузнецова В.А., Рассеяние протонов радиационного пояса на свистовой моде ОНЧ-излучения, Космические исследования, Т. 23, №5, c. 729-735, 1985.
Гоцелюк Ю.В., Логачев Ю.И., Столповский В.Г., Пространственное распределение и временные вариации протонов с энергией более 1 МэВ на ионосферных высотах, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 14, №6, с. 944- 954, 1974.
Захаров А.В., Кузнецов С.Н., Высыпание электронов и ОНЧ- излучение, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 18, №2, с. 352-353, 1978.
Иванова Т.А., Павлов Н.Н., Рейзман С.Я., Рубинштейн И.А., Сосновец Э.Н., Тверская Л.В., Динамика внешнего радиационного пояса релятивистских электронов в минимуме солнечной активностиб Геомагнетизм и аэрономия, Т. 40, № 1, с. 13-18, 2000.
Ильин В.Д., Кузнецов С.Н., Неадиабатические эффекты движения частиц в статическом дипольном поле и в переменных во времени полях, VII Ленинградский Международный семинар, Ленинград, с. 269-278, 1975.
Кузнецов С.Н., Суворова А.В., Дмитриев А.В., Форма и размеры магнитопаузы. Связь с параметрами межпланетной среды, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 68, № 6, с. 7-16, 1998.
Кузнецов С.Н., Юшков Б.Ю., О границе неадиабатического движения заряженных частиц в поле магнитного диполя, Физика плазмы, Т. 28, № 4, с. 375-383, 2002.
Кузнецов С.Н., Мягкова И.Н., Юшков Б.Ю., Муравьева Е.А., Кудела К., Динамика внешнего радиационного пояса во время сильных магнитных бурь по данным КОРОНАС-Ф, Доклад на Международной конференции «КОРОНАС-Ф: «Три года наблюдений активности Солнца», 2001-2004 гг.» 31 января – 5 февраля 2005 г. Астрономический Вестник, 2006 (в печати).
Лайонс Л., Вильямс Д., Физика магнитосферы. Количественный подход, М.: Мир, 1987.
Павлов Н.Н, Тверская Л.В., Тверской Б.А., Чучков Е.А., Вариации энергичных частиц радиационных поясов во время сильной магнитной бури 24-26 марта 1991 года, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 33, № 6, с. 41-45, 1993.
Панасюк М.И., Экспериментальная проверка механизмов переноса ионов в радиационных поясах Земли под действием нестационарных электрических полей, Космические исследования, T. 22, вып. 4, с. 572-587, 1984.
Тверская Л.В., О границе инжекции электронов в магнитосферу Земли, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 26, с.864-869, 1986.
Тверская Л.В., Диагностика магнитосферных процессов по данным о релятивистских электронах радиационных поясов, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 38, № 5 с. 22-32, 1998.
Тверской Б.А., Захват быстрых частиц из межпланетного пространства, Изв. АН СССР, сер. физ., Т. 28, с. 2099-2103, 1964а.
Тверской Б.А., Динамика радиационных поясов Земли. II, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 4, с.436-448, 1964б.
Тверской Б.А., Перенос и ускорение заряженных частиц в l`cmhrnqtepe Земли. Геомагнетизм и аэрономия, T. 5, c. 793- 809, 1965.
Тверской Б.А., Устойчивость радиационных поясов Земли, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 7, № 2, с. 226-242, 1967.