Проникновение СКЛ низких энергий

Проникновение СКЛ низких энергий в магнитосферу определяется взаимодействием силовых линий полярных шапок с межпланетным полем, которое зависит от ориентации межпланетного магнитного поля.

Левая панель соответствует отрицательному значению B_z (поле направлено вниз), правая панель − положительному B_z. Индекс 1 соответствует положительному направлению межпланетного магнитного поля (от Солнца, B_x > 0), индекс 2 - отрицательному значению B_x. Видно, что на левой панели в случае 1 конфигурация магнитных силовых линий позволяет частицам, идущим от Солнца, беспрепятственно проникать в северную полярную шапку.

Пример наблюдения проникновения СКЛ в полярную шапку на ИСЗ КОРОНАС-Ф [20]. На верхнем рисунке в полярной шапке наблюдаются повышенные потоки частиц от предыдущих вспышек (в частности, протоны с энергиями 1-5 МэВ), однако их уровень невелик. Так, потоки электронов с энергиями 0.3-0.6 МэВ ниже, чем во внешнем радиационном поясе. На нижнем рисунке приведены данные измерений после мощной солнечной вспышки 28 октября 2003 г. Потоки всех частиц выросли на 2-3 порядка по величине и практически постоянны внутри расширившейся полярной шапки, границы проникновения частиц заметно сдвинулись к экватору. На правой оси ординат представлена инвариантная широта Λ, определяемая из соотношения cos²Λ = 1/L.

Проникновение СКЛ низких энергий в спокойных геомагнитных условиях

Энергичные частицы СКЛ, генерированные во время солнечной вспышки, распространяются в межпланетном пространстве существенно быстрее, чем корональные выбросы массы, генерированные теми же вспышками. В случае изолированной во времени вспышки частицы проникают в спокойную, т.е. невозмущенную магнитосферу. На рисунке показано положение границ проникновения протонов СКЛ с энергией
E_p ≥ 1; ≥10; ≥30 МэВ по данным ИСЗ «Космос-900» (полые кружки) и «Интеркосмос-17» (темные точки) и границы солнечных электронов с E_e ≥ 30 кэВ (треугольники) по данным ИСЗ «Интеркосмос-17» в зависимости от MLT в период возрастания
СКЛ 22-25.XI 1977 г. [21]. Зависимость положения границы проникновения от локального времени уменьшается с ростом энергии частиц.
Аналогичная картина наблюдается и в более подробных по энергии данных, полученных на ИСЗ OGO-4 [22]. Как и на предыдущем рисунке, наряду с регулярной зависимостью от локального времени наблюдается значительный разброс точек.

Проникновение СКЛ низких энергий в возмущенных геомагнитных условиях

Зависимость положения границ проникновения СКЛ от геомагнитной возмущенности (Dst-вариации) по данным ИСЗ SAMPEX [23]. В отдельные моменты временные зависимости положения границ и
Dst-вариации совпадают практически полностью, но… имеются области значительного расхождения. Аналогичная картина наблюдалась во всех событиях, зарегистрированных на ИСЗ SAMPEX в 1992-1998 гг. Ядра He (альфа-частицы) с энергиями 8-15 МэВ/нуклон имеют магнитную жесткость 0.25-0.34 ГВ, что соответствует энергии протонов
30-60 МэВ.

Зависимость положения границ проникновения СКЛ от геомагнитной возмущенности (Kp-индекса) по данным ИСЗ SAMPEX [23]. Так же, как и на предыдущем рисунке, в целом наблюдается хорошая корреляция инвариантной широты границы с
Kp-индексом. При этом также в отдельные моменты наблюдаются расхождения.

Зависимость положения границ проникновения СКЛ по данным ИСЗ КОРОНАС-Ф [20] от геомагнитной возмущенности во время периода экстремально высокой солнечной активности
[24, 25]. 300-й день – 27 октября 2003 г. На первый взгляд видна хорошая корреляция частиц всех представленных энергий прежде всего с величиной Dst-вариации. Однако эти данные, как и данные ИСЗ SAMPEX, не позволяют однозначно связать положение границ проникновения с тем или иным индексом. Отчасти это связано с тем, что индексы геомагнитной активности, во-первых, усреднены по длительным интервалам времени (Dst-вариация измеряется с часовым усреднением, а Kp-индекс – с 3-часовым). Поэтому эти общеупотребительные индексы не отслеживают быстрые процессы в магнитосфере.

Корреляция положения границы проникновения СКЛ с геомагнитными индексами

В ряде работ взаимосвязь между геомагнитными индексами и положением границ проникновения СКЛ исследовалась статистическими методами – вместо рассмотрения отдельных интервалов времени измеренные данные объединялись в большие массивы. Пример такого подхода с использованием данных ИСЗ SAMPEX [23] приведен на рисунке. Видна явная высокая корреляция между параметрами (r~0.76), однако разброс точек велик.

При использовании другого параметра (Kp-индекса) наблюдается та же картина – высокая корреляция (r~ -0.77) и большой разброс точек (использованы данные ИСЗ SAMPEX [23] – альфа-частицы).

Аналогичным образом исследовалась зависимость положения границы проникновения СКЛ от Dst для утреннего (слева) и вечернего (справа) секторов MLT по данным ИСЗ КОРОНАС-Ф [20] . Использовались данные измерений в 2001-2003 гг.
В отличие от данных ИСЗ SAMPEX, ограниченных значениями Dst < 150 нТл, в представленном на рисунке массиве имеются точки, измеренные во время очень мощных магнитных бурь (до 400 нТл).

Значительный разброс точек на диаграммах «инвариатная широта – К_р» или «инвариатная широта – Dst» привел к попыткам ввести некий комбинированный индекс, сконструированный из стандартных индексов.
В работе [26] изучалась корреляция положения низкоширотной границы проникновения в магнитосферу солнечных протонов малых энергий (E_p ≥ 1 МэВ) с различными индексами геомагнитной возмущенности. Было показано, что на всех стадиях магнитных бурь положение границы проникновения наилучшим образом описывается параметром

К сожалению, индекс AE с 2002 г. не определяется.
В работе [20] связь между инвариатной широтой границы проникновения СКЛ и геомагнитными индексами описывалась выражением

Λ = a + b·D_st + c·K_p

при этом определялись коэффициенты корреляции двух величин (rD для Λ и Dst, rK для Λ и К_р) и коэффициент множественной корреляции r для трех параметров по данным ИСЗ КОРОНАС-Ф. В ряде случаев можно пренебречь зависимостью от одного из параметров (чаще – от Dst), но в целом картина получается довольно сложной, для разных видов частиц и энергий получены разные зависимости от местного времени.
Зависимость границы проникновения СКЛ от К_р для утреннего (слева) и вечернего (справа) секторов MLT по данным ИСЗ КОРОНАС-Ф [20]. Для протонов 50-90 МэВ в вечернем и ночном секторах (правый нижний рисунок) коэффициент множественной корреляции r достигает 0.9.

Зависимость широты границы проникновения СКЛ от локального времени

Зависимость границ проникновения СКЛ (альфа-частицы с энергиями 8-15 МэВ/нуклон) от локального времени по данным ИСЗ SAMPEX [23]. Введена поправка на величину геомагнитной возмущенности путем вычитания из измеренной инвариатной широты величины Dst/19.11. Граница проникновения близка к окружности размером 25.8º как в северном, так и в южном полушарии. Центры окружностей смещены от полюсов на величину порядка 1º в направлении 21-22 часов местного времени. Отметим, что разброс точек составляет несколько градусов.

Заключение

Проникновение галактических и солнечных космических лучей в магнитосферу Земли на качественном уровне может быть описано в рамках разработанной Штермером теории движения заряженных частиц в поле магнитного диполя. Основным методом исследования траекторий частиц для реального геомагнитного поля является численное интегрирование уравнения движения. Аналитические и численные методы показывают, что существует максимальная жесткость (импульс, отнесенный на единицу заряда), выше которой частица может попасть из бесконечности (реально – с границы магнитосферы) в заданную точку в магнитном поле с любого направления, и минимальная жесткость, ниже которой частица вообще не может попасть в заданную точку. Область между этими жесткостями (пенумбра) содержит как разрешенные (приходящие из бесконечности), так и запрещенные траектории, перемежающиеся сложным образом. Поэтому используется усредненная характеристика – эффективная жесткость обрезания. Планетарное распределение эффективной жесткости обрезания в первом приближении соответствует описанию геомагнитного поля как поля смещенного относительно центра Земли и наклоненного диполя. В высокоширотных областях (геомагнитная широта более 60°) штермеровское определение жесткости обрезания не применимо, т.к. геомагнитное поле становится существенно несимметричным (сказывается вытягивание силовых линий в хвост магнитосферы). В этой области используются главным образом экспериментальные данные по проникновению СКЛ во время вспышек. Частицы низких энергий (до сотен МэВ) проникают в полярные шапки, при этом динамика низкоширотной границы проникновения СКЛ определяется геомагнитной возмущенностью. Анализ данных глобальной сети нейтронных мониторов во время больших солнечных вспышек позволяет определить спектр протонов СКЛ вплоть до нескольких ГэВ.