Солнечно-циклические вариации потока релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе

1. 1. Основной опасностью для электронной аппаратуры геостационарных аппаратов являются потоки энергичных частиц, в частности, релятивистских электронов. Потоки релятивистских электронов нарастают при погружении земной магнитосферы в высокоскоростные потоки солнечного ветра (СВ). 2. Согласно ряду теоретических моделей, ускорение электронов внешнего радиационного пояса до релятивистских энергий (более 1–2 МэВ) обязано взаимодействию электронов с магнитосферными колебаниями УНЧ диапазона (1–10 мГц). 3. Вот почему, анализируя солнечно-циклические вариации потоков электронов, мы сравнили их с одновременными наблюдениями УНЧ колебаний на земле, УНЧ волн в межпланетной среде и основными параметрами солнечного ветра. Интервал сопоставления — 23-й цикл солнечной активности (1996–2006 гг.). Синхронная орбита – одна из наиболее населенных. В настоящее время около 400 спутников, или 40% всех ИСЗ работают на этой орбите. Модель земной магнитосферы (NOAA) с уровнями потоков энергичных электронов, показанными на ней цветом: низкмй уровень – черный; высокий уровень – красный/белый. Показана геосинхронная орбита с двумя спутниками на ней. Солнечно-циклические вариации потока релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе 4. Для оценки тесноты связи между различными параметрами мы применили метод ранговой корреляции по Спирману. Коэффициент ранговой корреляции (КРК - ROCC) — это непараметрический метод, используемый для статистических исследований между рядами случайных величин с произвольным законом распределения. 5. Как видно на рисунке слева, суточный поток релятивистских электронов на протяжении 23-го цикла менялся очень значительно, от в максимуме солнечной активности до на ее спаде. 6. Справа показаны кросс-корреляционные функции между суточными значениями потока электронов Jelи параметрами солнечного ветра. Наиболее тесная связь имеется со скоростью солнечного ветра Vsw, при этом отклик электронов на усиление солнечного ветра запаздывает в среднем на 2 суток. На втором месте – плотность протонов Npв СВ. Ниже приведен график, на котором можно проследить зависимость потока электронов от скорости солнечного ветра на всем протяжении 23-го цикла. Видно, что эта зависимость имеет вид своеобразной петли гистерезиса: точки на плоскости Vsw- Jelперемещаются по некоторому замкнутому контуру. Солнечно-циклическая вариация флюэнса (суточного интегрального потока) электронов на геостационарной орбите (синяя кривая). Оранжевая кривая – вариация числа солнечных пятен (число Вольфа). 7. Итак, скорость СВ тесно коррелирует с вариациями релятивистских электронов внутри магнитосферы. Однако, не существует механизмов, позволяющих СВ ускорять магнитосферные электроны непосредственно. Необходим посредник, трансформирующий энергию солнечного ветра в энергию электронов. Магнитосферные УНЧ колебания чаще всего предлагаются в качестве такого посредника. Ускорение может быть обеспечено либо посредством дрейфового резонанса, либо путем диффузии частиц с переносом их на внутренние магнитные оболочки. 8. Связь между УНЧ колебаниями и потоками электронов действительно существует. На этом рисунке показаны изменения коэффициента ранговой корреляции в зависимости от запаздывания между вариациями флюэнса электронов (Е> 2 МэВ) и амплитудой УНЧ в двух вариантах: суточной амплитуды А и интегральной амплитуды Aint, подсчитываемой по формуле Потапов А.С., Цэгмэд Б. Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск Рыжакова Л.В. Иркутский государственный технический университет, Иркутск Кросс-корреляционные функции между флюэнсом релятивистских электронов Jelи амплитудой А наземных УНЧ волн, между Jel и интегральной амплитудой Аint, а также между Jel и скоростью солнечного ветра Vsw. 10. Известно, что основной вклад в корреляцию между скоростью СВ и магнитосферными электронами вносят высокоскоростные потоки СВ. Имеется два основных типа высокоскоростных потоков: корональные выбросы массы (КВМ) и коротирующие области взаимодействия (КОВ), истекающие из корональных дыр. Каждый из этих типов имеет свои собственные черты и по-разному влияет на магнитосферные процессы. Мы нашли за период 1999–2006 гг. 31 событие высокоскоростных потоков СВ типа КОВ и 13 событий типа КВМ. Сначала мы сравнили воздействие этих потоков на поведение релятивистских электронов, используя метод наложенных эпох. За нулевую эпоху был взят фронт каждого потока. Результат показан ниже. Мы видим, что КОВ-потоки намного эффективнее КВМ-потоков в ускорении магнитосферных электронов. 9. Справа показано, как скорость СВ и интегральная амплитуда коррелирует с потоками релятивистских электронов в ходе солнечного цикла. Видно, что (1) уровень корреляции примерно одинаков для скорости СВ и амплитуды УНЧ, и (2) связь минимальна в максимуме солнечной активности и максимальна в минимуме и на спаде цикла. 11. Чтобы яснее показать роль наземных УНЧ колебаний в ускорении электронов, мы разделили КОВ-события на две группы согласно амплитуде УНЧ осцилляций на земле. Затем мы подвергли обе группы анализу методом наложенных эпох (см. ниже). Мы видим, что уровень наземной УНЧ активности существенно влияет на временное поведение электронных потоков: при более высокой УНЧ амплитуде электронный поток сильнее. • 12. Вместо заключения • Используя результаты изложенного анализа, а также предыдущих исследований, можно перечислить ряд предикторов, которые следует использовать при разработке прогностических моделей потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты: • Скорость солнечного ветра • Амплитуда и длительность наземных УНЧ колебаний • Нормализованная на межпланетное магнитное поле амплитуда УНЧ в СВ • Тип высокоскоростного потока СВ • Плотность плазмы в СВ • Амплитуда наземных иррегулярных излучений диапазона 0.03–1 Гц, вызванных инжекцией в ионосферу затравочных электронов средних энергий. Вариации потоков магнитосферных электронов с энергией более 2 МэВ в период прохождения высокоскоростных потоков солнечного ветра типа КОВ при разных значениях максимальной наземной амплитуды УНЧ колебаний. Слева – вариации электронных потоков для тех событий, когда максимальная среднесуточная амплитуда на земле была менее 5.6 нТ, справа – когда она превышала это значение. Серые кривые – среднечасовые значения, черные – скользящее среднее по 25 точкам. Вариации потоков магнитосферных электронов с энергией более 2 МэВ в период прохождения высокоскоростных потоков солнечного ветра типа КОВ (а) и КВМ (б), полученные методом наложения эпох по данным измерений на геостационарных спутниках GOES-8 и -12. Черные кривые – среднечасовые значения, серые – среднеквадратичные отклонения. Potapov A.S., B. Tsegmed, L.V. Ryzhakova. Solar cycle variation of “killer” electrons at geosynchronous orbit and electron flux correlation with the solar wind parameters and ULF waves intensity // Acta Astronautica, V. 93(1), 2014, 55–63. Potapov A.S. ULF wave activity in high-speed streams of the solar wind: Impact on the magnetosphere // J. Geophys. Res.: Space Physics. V.118. 2013.