Исследование возможностей проникновения энергичных солнечных частиц в магнитосферу Земли

ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. [email protected]

Исследование возможностей проникновения энергичных

солнечных частиц в магнитосферу Земли

Н.Н. Павлов

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

МГУ им. М.В.Ломоносова, [email protected]


1. Влёт, разворот и вылет (однократный залёт; отражение);

2. Попадание на разомкнутую траекторию зонального дрейфа (квази-захват; повышение плотности частиц);

3. Попадание на замкнутую дрейфовую орбиту (захват; накопление частиц).

Как выглядит попадание заряженной частицы в магнитосферу

В центре – Земля; пунктирная окружность – геосинхронная орбита.


Причины (квази-) захвата частицы

0. Их нет, если магнитосфера – симметричный диполь, а частица удовлетворяет условиям адиабатичности движения в геомагнитном поле;

1. Асимметрия магнитосферы (приближенность дневной магнитопаузы; её квазистатические перемещения вдоль XSM; локальная эрозия от пересоединения);

2. Асимметрия (спиральность) траектории движения частицы;

3. Быстрое “сжатие” (shock) геомагнитного поля внешним воздействием (например, SC; эффект зависит от энергии частицы);

4. Иное (особенности геомагнитного поля).

Hudson et al., 1997

Далее рассматривается только нешоковое, “прямое” проникновение.

p: 9RE->3RE


Традиционные подходы

1. Исторически – для регистрации галактических космических лучей;

2. Теория Штёрмера (1955);

3. Метод “обратных траекторий”.

Современные примеры:

Flückiger & Desorgher, 2005

Kress et al., 2005

Kress et al., 2004


Иллюстративная модель

Предлагается инструмент для простых оценок прямого прохождения энергичных заряженных частиц в магнитосферу.

Для этого используется иллюстративная модель: магнитный диполь с возможностью запуска частиц с некоторой поверхности, ассоциируемой с магнитопаузой.

Часть дипольного поля вне “магнитопаузы” можно либо сохранять, либо отключать.

Для простоты рассматривается 2D случай – движение частиц в плоскости магнитного экватора с питч-углом равным 90°.


Запуск частиц с разных r и под разными углами в 2D диполь

Глубже залетают частицы запущенные с меньших r и по направлению дрейфа;При глубоких запусках возможен дрейф по замкнутой орбите - (квази-)захват.


Иллюстрация смысла Штёрмеровской длины Cs

cf. К.-Г. Фельтхаммар (1973):

“… обсудим физический смысл Cs. … Результат … показывает, что радиус кривизны R мал по сравнению с расстоянием от центра Земли, когда штёрмеровская длина Cs велика по сравнению с этим размером, и наоборот.”

M – магнитный момент Земли, μ0 и π – известные константы, q, m и v – заряд, масса и скорость частицы.


Запуск частиц с разных r и под разными углами в 2D диполь

Глубже залетают частицы запущенные с меньших r и по направлению дрейфа;При глубоких запусках возможен дрейф по замкнутой орбите - (квази-)захват.


Запуск протонов с разных r и под разными углами в 2D диполь

Показаны минимальная достигнутая глубина (а) и период полного дрейфового оборота (б) протона – при (квази-)захвате – как функция от r запуска и направ-ления запуска. Различие абсолютных rMin существенно для малых энергий.

а б


Эффективность захвата как функция угла влёта

Захват и, отчасти, квази-захват особо интересны тем, что они позволяют оставить частицу на длительное время в магнитосфере (накопление) и, тем самым, поднять там уровень радиации.

Далее рассматривается 2D диполь с отключенным полем вне магнитопаузы.

Форма магнитопаузы задана по модели Shue et al., 1998, с параметрами Bz=11 nT, Psw=1 nPa (выбраны произвольно).

Оцениваются относительные возможности захвата частиц поступающих из разных направлений.


Эффективность захвата как функция угла влёта

а – магнитопауза по Shue et al., 1998; поток протонов направлен по стрелке; красное утолщение – зона прохода в (квази-)захват. б – зависимость эффективности (квази-)захвата от угла падения и

энергии частиц.

а б


Расчёты vs. наблюдения

SSC November 2001d h m dur(min) Amp(nT)6 1 51,0 2.4 79.515 15 8,3 5.6 22.1

Kress et al., 2005

De l’Ebre Obs.

Лазутин и др., 2007

Малые высоты, малые энергии

Ep=1MeV: Cs=37RE

r0=10RE -> rMin=8.8RE

Экватор (HEO/”Молния”)

Ep=25MeV: Cs=16.5RE



3D: протоны СКЛ с ненулевыми питч-углами на магнитопаузе

Магнитопауза

Падающая частица

Проекция траектории на вертикальную плоскость

Зелёные линии – уровни горизонта, стрелки – направления движения частицы в горизонтальном направлении.

Вход возможен только на оранжевых фазах траектории.

При фиксированных знаке и угле наклона межпланетного поля оптимальный (почти горизонтальный) вход в магнитосферу возможен лишь в одном направлении.

При преобладании Bz компоненты межпланетного поля возможна блокировка оптимального проникновения частиц СКЛ.


Асимметричное проникновение в полярные шапки, 1971

Данные

Интерпретация


Асимметричное проникновение в полярные шапки

При направлении ММП от Солнца: протоны в потоках ММП контактирующих с лобами вращаются так, что вход в северный лоб вероятнее происходит в сторону Земли, а в южный – в сторону хвоста. Направление полёта частицы – к Солнцу или от него – не играет роли.

Смена полярности ММП меняет направление всех стрелок на противоположное.

Поток ММП

Протон СКЛ с нулевым питч-углом

Взгляд сверху на северный лоб

Взгляд в сторону Земли

Рассеяние протонов летящих с малыми питч-углами на изгибе обтекания сдвигает их угловое распределение в направлении зелёных стрелок.

Лобы


Summary

•Нешоковое проникновение СКЛ в магнитосферу зависит от положения магнитопаузы и угла падения частиц;

•Поэтому (для спутниковых наблюдений) полезно иметь инструмент для оценки этих факторов;

•Представлена наглядная иллюстрация результатов Штёрмера;

•Случаи расхождения с расчётами можно использовать для рассмотрения особенностей геомагнитного поля;

•Для частиц СКЛ с ненулевым питч-углом существуют дополнительные ограничения на возможность проникновения в зависимости от знака и направления межпланетного магнитного поля;

•Направление гировращения энергичных частиц в зоне контакта межпланетного поля с лобами позволяет объяснить асимметрию прихода СКЛ в полярные шапки.


P.S.

Есть потребность в оцифровке отечественных космофизических журналов


Расчёты vs. наблюдения

Экватор, 6.6RE (GOES)

Ep=10MeV: Cs=21RE


Ep=30MeV: Cs=15.7RE


Власова и др., 2010 (в печати)

Documents

Исследование возможностей проникновения энергичных солнечных частиц в магнитосферу Земли