L протонов радиационного пояса и кольцевого тока icon

L протонов радиационного пояса и кольцевого тока



НазваниеL протонов радиационного пояса и кольцевого тока
Дата конвертации03.09.2012
Размер139.44 Kb.
ТипДокументы

УДК 550.388.2


ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОТОНОВ НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ НА ПРИЭКВАТОРИАЛЬНЫХ ШИРОТАХ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. I. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР.


Features of proton flux distribution at low altitudes on near-equatorial latitudes according to satellite experiments data. I. Energy spectrum.


О. Р. Григорян, М. И. Панасюк, А. Н. Петров


Научно-исследовательский институт ядерной физики им Д.В. Скобельцына


Представлены результаты измерения спектра протонов с энергиями от ~10 кэВ до ~1 Мэв в области геомагнитного экватора на L<1.15 на высотах до 1000 км по данным экспериментов на спутниках и орбитальном комплексе МИР. Получен спектр протонов во время геомагнитных возмущений и в спокойное время. Построена аппроксимация спектров каппа-функцией. Проведено сравнение спектров протонов в приэкваториальной области и в кольцевом токе. Проведена оценка времени жизни протонов в приэкваториальной области с учетом перезарядки и кулоновского рассеяния. Подтверждено, что кольцевой ток является одним из основных источников протонов в приэкваториальной области на малых высотах.


Введение


С 1969 года спутниковые эксперименты показали, что в области вблизи геомагнитного экватора (L ≲ 1.15) на высотах до ~1000 км постоянно наблюдаются возрастания потока протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ. Было показано, что их появление объясняется переносом на малые L протонов радиационного пояса и кольцевого тока (L ~ 3-6) в процессе двойной перезарядки протонов на нейтральных атомах водорода [1–3]. Кольцевой ток – один из токов, определяющих поведение ионосферы и внутренней части магнитосферы. Он подпитывается из двух основных источников – ионосферы и солнечного ветра. Источником частиц с энергией в сотни кэВ является солнечный ветер, а более низких энергий – ионосфера. Поведение этих двух компонент кольцевого тока различно. Аналогичное разделение существует и в поведении потоков протонов в приэкваториальной зоне, что указывает на тесную связь этих образований.

В более поздних работах [4-10] был получен ряд данных, которые не объясняются этой моделью. Это зависимость потока протонов от местного геомагнитного времени и особенности зависимости от долготы, высоты и уровня геомагнитной активности. Представляется необходимым детальное изучение характеристик потока приэкваториальных протонов в зависимости от различных факторов с целью определить вклад возможных источников протонов в общий поток.


^ Описание экспериментов


Параметры орбиты, время проведения эксперимента, тип детектора (ППД – полупроводниковый детектор) и энергия регистрируемых протонов представлены в табл. 1.



^ Энергетический спектр


Обобщенный спектр протонов в приэкваториальной области по данным нескольких экспериментов показан на рис. 1. В низкоэнергичной части спектра видно отличие спектров, зарегистрированных во время (D) и в отсутствие (Q) геомагнитных возмущений.

Видно хорошее соответствие спектров, полученных в различных экспериментах в течение нескольких десятилетий. Это подтверждает тот факт, что протонное образование является стабильным во времени и пространстве. В целом, по данным большинства экспериментов, спектр при энергии выше 100 кэВ имеет степенной вид, а при меньших энергиях – экспоненциальный.

Для оценки потоков протонов частиц в настоящее время используется модель НАСА АР8, созданная на основе экспериментальных данных, полученных, в основном, на спутниках за период до конца 70-х годов. Эта модель справедлива для протонов с энергией от 100 кэВ до 400 МэВ только в области L>1.15. Если продолжить модель AP8 в приэкваториальную (L≲1.15) область, то окажется, что она предсказывает поток протонов практически не зависящий от энергии (показатель дифференциального спектра  = 0.6). Однако, по данным ИСЗ OHZORA [11] и других экспериментов при энергии протонов выше 200 кэВ показатель степенного спектра составляет =4.40.2. Из этого следует, что в области малых L модель нуждается в доработке.

Анализ данных показал, что для систематизации разнообразной информации о спектрах протонов на малых высотах на L<1.15 зависимость потока протонов от энергии можно описать одной функцией, которая одинаково хорошо представляет и экспоненциальную пологость спектра в области энергий до 100 кэВ, и степенную особенность при больших энергиях.

Для аппроксимации спектров в радиационных поясах и за границами зоны устойчивого захвата используются:

1. Функция распределения Максвелла, которая имеет вид:

(1)

и используется для описания поведения равновесной (квазиравновесной) плазмы. Однако, в природе равновесный спектр встречается довольно редко.

2. Чаще всего в магнитосфере, солнечных космических лучах (и в первичных космических лучах тоже) спектр частиц имеет четко выраженный экспоненциальный

. (2)

или степенной характер

(3)

благодаря процессам ускорения.

3. В промежуточных случаях, когда низкоэнергичная часть распределения имеет вид, похожий на экспоненциальный, а высокоэнергичная имеет четко выраженный степенной «хвост», для описания таких распределений используют функции, учитывающие обе эти особенности. Например, каппа-функция, которая при устремлении некого параметра k к бесконечности, сходится к распределению Максвелла:

(^ 4)

При анализе экспериментальных данных по потокам протонов в приэкваториальной области мы использовали функции распределения (1-4) и провели аппроксимацию спектров этими функциями. Для аппроксимации была выбрана вся совокупность информации о зависимости потока протонов от энергии, полученная в разных экспериментах как в спокойное, так и возмущенное время.

Полученные параметры для каждой из функций имеют вид, представленный в табл. 2.

Наилучший коэффициент корреляции r2 наблюдается при аппроксимации спектра каппа-функцией.

Спектр протонов в максимуме кольцевого тока имеет те же особенности, что и в приэкваториальной области – степенной хвост и экспоненциальный вид при малых энергиях [12, 13]. Однако, показатель степенного спектра в его высокоэнергичной части равен γ=4.7±2.2, что превышает значения k, наблюдаемые у спектра приэкваториальных протонов.

Объяснить это отличие можно, используя информацию о потерях, которые испытывают протоны при взаимодействии с атомами верхней атмосферы на высотах ~500-1000 км.

Протоны постоянно выбывают из радиационных поясов и кольцевого тока из-за потерь на кулоновские столкновения с электронами ионосферы, а также в результате перезарядки с нейтральными атомами верхней атмосферы и питч-углового рассеяния.

Ниже приведены оценки характерного времени жизни для процесса перезарядки протонов с энергией от 100 кэВ до 10 МэВ на нейтральном кислороде атмосферы на высоте 500 км. Известно, что значение связано с сечением перезарядки энергичного протона с нейтральным атомом кислорода , относительной скоростью протона и атома кислорода v и концентрацией кислорода n0 соотношением

(5).

Сечение взаимодействия протонов с нейтральными атомами кислорода зависит от энергии [1] следующим образом:

, (6)

где Е [МэВ]. Эта аппроксимация справедлива только при энергии от 100 кэВ и выше, при меньших энергиях зависимость сечения от энергии не степенная и надо использовать табличные значения.

Концентрация атомарного кислорода на различных высотах определяется по модели MSIS-E-90, которая учитывает местоположение наблюдения, время года, местное время, уровень солнечной активности. Данные о концентрации атомарного кислорода для ночи в январе 1996 года (минимум солнечной активности), приведены в табл. 3 ([14, 15]).

Таблица 3


Результаты расчета времени жизни относительно процесса перезарядки приведены на рис. 2 для нескольких высот в интервале 300-900 км. Видно, что перезарядка сильно ограничивает время жизни протона с малой энергией (≲ 100 кэВ).

На распределение более энергичных протонов, в основном влияет явление кулоновского рассеяния протонов на электронах ионосферы. Время жизни можно оценить по формуле:

, (7)

где N – концентрация электронов, E – энергия протона в кэВ. Концентрация электронов в ионосфере на L~1.15 зависит от фазы солнечного цикла и составляет приблизительно в максимуме и минимуме цикла солнечной активности.

Результаты расчета представлены на рис. 2. Из рисунка видно, что при малых энергиях (≲ 100 кэВ) основным механизмом, определяющим потери протонов является перезарядка, а при больших энергиях – ионизационные потери.

Для сравнения на рис. 2 приведено время, которое затратил бы протон с указанной энергией на дрейф по всем долготам вокруг Земли, если бы постоянно находился на высоте ~500 км. Из рисунка следует, что на высотах 300-900 км только протоны с энергией ≳1 МэВ являются квазизахваченными. Однако вследствие недипольности земного магнитного поля, во время дрейфа частица не остается на одной и той же высоте (особенно в области южно-атлантической аномалии) и вследствие этого, время жизни сокращается еще сильнее. Т. е. нижняя граница энергии квазизахваченных протонов сдвигается еще выше.

Из рис. 2. следует, что протоны с энергией менее или порядка 100 кэВ испытывают, в основном, потери на перезарядку. Вследствие этого спектр протонов кольцевого тока, поступающих в приэкваториальную область за счет перезарядки, становится жестче в результате исчезновения низкоэнергичных частиц. Это подтверждается значениями показателя степенного спектра: 2-3 у спектра приэкваториальных протонов и 4.4 у спектра кольцевого тока.


Выводы


  • Спектр протонов может быть аппроксимирован каппа-функцией:

.

В спокойных условиях E0=30±16, k=2.3±0.6. В возмущенных E0=22±10, k=3.2±0.5

  • При энергии ≲100 кэВ основным механизмом, определяющим потери протонов, является перезарядка, а при больших энергиях – ионизационные потери.

  • Спектр протонов кольцевого тока, которые поступают в приэкваториальную область в результате перезарядки, становится жестче вследствие исчезновения низкоэнергичных частиц.


Литература.


  1. Moritz J. // Z. Geophys. 1972. 38, N4. p. 701.

  2. Mizera P.F., Blake J.B., // J. Geophys Res. 1973. 78, p. 1058.

  3. Hovestadt D., Hausler B., Sholer M., // Phys. Rev. Lett. 1972. 28, N20. p. 1340.

  4. Greenspan M.E., Mason G.M., Mazur J.E., // J. Geophys. Res. 1999. 104, NA9. p 19911.

  5. Biryukov A.S., Grigoryan O.R., Kuznetsov S.N. et al, // Adv. Space Res. 1996. 17. N10. p. 10189.

  6. Бутенко В.Д., Григорян О.Р., Кузнецов С.Н. и др. // Космич. исслед. 1975. 13, №4. c 503.

  7. Grachev E., Grigoryan O., Klimov S., et al. // COSPAR-ESA Colloquium "Acceleration and Heating in the Magnetosphere". Konstancin Jeziorna, Poland, February 6-10, 2001. p. 31.

  8. Grigoryan O., Petrov A., Kudela K., // WDS'02 Proceedings, Part II, Prague, 11 - 14 June. 2002. p. 263.

  9. Grachev E., Grigoryan O., Juchniewicz J. et al., // Adv. Space Res. 2002. 30, N A7. p. 1841.

  10. Петров А.Н., // Tезисы Межд. конф. “Ломоносов-2002”. Москва, 9-12 апреля. 2002. c. 226.

  11. Gusev A.A., Kohno T., Spjedlvik W.N. et al., // J. Geophys. Res. 1996. 101, N A9. p. 19659.

  12. Ковтюх А.С., Мартыненко Г.Б., Сосновец Э.Н. и др. // Космич. исслед. 1995. 33, №4. с. 350.

  13. Ковтюх А.С. // Космич. исслед. 2001. 39, № 6. с. 563.

  14. Labitzke K., Barnett J.J., Edwards B., // Handbook MAP 16. Urbana, 1985.

  15. Hedin A. E. // J. Geophys. Res. 1991. 96, N A2. p. 1159.




Рис. 1. Энергетический спектр протонов на L<1.15 по данным нескольких экспериментов. Приведена аппроксимация каппа-функцией спектров, зарегистрированных в спокойное время (Q) и во время геомагнитных возмущений (D).




Рис. 2. Характерные времена жизни протона на высотах до 1000 км с учетом кулоновского рассеяния и перезарядки в сравнении с временем азимутального дрейфа вокруг Земли.


Рис. 1. Энергетический спектр протонов на L<1.15 по данным нескольких экспериментов. Приведена аппроксимация каппа-функцией спектров, зарегистрированных в спокойное время (Q) и во время геомагнитных возмущений (D).


Рис. 2. Характерные времена жизни протона на высотах до 1000 км с учетом кулоновского рассеяния и перезарядки в сравнении с временем азимутального дрейфа вокруг Земли.

Таблица 1

Космический аппарат

Год

Высота, км

Наклоне-ние

Тип детектора

Энергия регистрируемых протонов

AZUR

1969

384-3145

103o

ППД

Еp=0,25-1,65 МэВ

OV1-17

1969

398-468

85,5

ППД

Еp=12,4-180 кэВ

OV1-19

1969

471-5796

100o

ППД

Еp=280-560 кэВ

Космос-378

1970

240-1770

71

ППД

Еp~1 МэВ

Космос-484

1972

202-236

81,3

Газоразряд-ный

Еp=70-500 кэВ

Esro-4

1972-1973

245-1175

91о

ППД

Еp=0,2-1,3 МэВ

TIROS-N

1979

850

98.8 о

ППД, 200 мкм

Ep=0.03 - 2.5 МэВ

S81-1

1982

170-290

85.5

ППД, масс-спектрометр

Еp >45 кэВ, Еp>100 кэВ

OHZORA

1984-1987

320-850

73

ППД, телескоп

Еp=0,65-35 МэВ

АКТИВНЫЙ

1989-1993

500-2500

81,3

ППД, 100 мкм

Еp=55-550 кэВ

ОК МИР

1991

400

51,6

ППД, 300 мкм

Еp=0,1-8,0 МэВ

КОРОНАС-И

1994

500

83

Сцинтилля-тор

Еp>1 МэВ

SAMPEX

1992-1998

520х670

82о

ППД, времяпролет-ный масс-спектрометр

Ep>770 кэВ

ОК МИР

1999

350

51,6

ППД, 200 мкм

Еp=0,3-5,0 МэВ


Таблица 2

 

Макс-велл. Q

Макс-велл. D

Степенная Q

Степенная D

Экспонен-циальная Q

Экспонен-циальная D

Каппа Q

Каппа D

A

2.3± 1.6

7.4± 5.3

(5.5±6.1) x 105

(5.9±6.7) x 106

10.65± 5.8

49.8 ± 28

51 ± 55

328 ± 36

E0

247± 23

227± 20

-

-

13.1 ± 1.5

10 ± 1

30±16

22±10

γ

-

-

-2.83 ± 0.18

-3.1± 0.2

-

-

-

-

k

-

-

-

-

-

-

2.3±0.6

3.2±0.5

χ2

14.1

16.5

4.48

5.08

5.51

6.32

3.85

4.15

r2

0.56

0.57

0.85

0.87

0.83

0.82

0.88

0.89


Таблица 3

Высота,

км

300

400

500

600

700

800

900

1000

Концен-трация,

см-3

1.96·108

1.32·107

9.63·105

7.57·104

6.39·103

5.79·102

5.60·101

5.76·100




Похожие:

L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconIi динамика потоков протонов
Особенности распределения протонов на малых высотах на приэкваториальных широтах по данным спутниковых экспериментов
L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconРабота и мощность электрического тока. Тепловое действие тока
Работа и мощность электрического тока. Тепловое действие тока Цель: Ввести понятие работы электрического тока; вывести формулу для...
L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconОпыт ученицы Анисимовой Татьяны Средне Кушкетская средняя школа Действия электрического тока и Магнитное действие тока
Цель опыта: обнаружить на опыте магнитное действие тока. Приборы и материалы: источник питания, ключ, реостат, катушка с железным...
L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconИндивидуальные задания по климату Северной Америки. Используя карты атласа: «Климатические пояса и области мира»
Используя карты атласа: «Климатические пояса и области мира», «Климатическая карта Северной Америки» найди краткие ответы на следующие...
L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconПетров А. Н
Спектральные характеристики приэкваториальных (L 15) протонов на разных высотах
L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconДействие замкнутого нейтрального тока или магнита на движущийся ион
Общая формула (13) даёт для линейного элемента ds' замкнутого тока, если отвлечься от электростатического члена и ускорений
L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconОао «Воронежэнерго» предупреждает: берегите детей от электротравм!!! Виды действия электрического тока
Электролитическое действие тока выражается в разложении органической жидкости, в том числе и крови, что сопровождается значительными...
L протонов радиационного пояса и кольцевого тока icon1. В чем заключается магнитное действие тока?
Как при помощи электромагнита отделить железные опилки от медных? Какое действие тока при этом используется?
L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconКлиматические пояса 7 класс

L протонов радиационного пояса и кольцевого тока iconСамостоятельная работа «Законы постоянного тока» Вариант 1 Что называют электрическим током? Записать действия электрического тока. Записать законы последовательного соединения проводников
...
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов