На этой странице мы помещаем одну из давних работ Элмара Николаевича Сосновца, краткий обзор популяции радиационных поясов Земли, не утративший своей ценности до нашего времени (в немного сокращенном виде).

Рис. 1 Усредненные по времени профили плотности потоков протонов в плоскости геомагнитного экватора (цифры у кривых соответствуют нижнему пределу энергии протонов в МэВ). Рис. 2 Интегральные спектры протонов на разных L - оболочках. Рис. 3. Дифференциальные спектры протонов на разных L - оболочках. (питч-угол 90о Рис 4 Рис. 5. Дифференциальные энергетические спектры протонов, ПУ 90о . Сплошная линия - спкойная обстановка. Пунктир - для главной фазы магнитной бури (Dst > 200 нТ). Рис 6 Рис.7 распределение электронов различных энергий в плоскости магнитного экватора в зависимости от L. При L>6 распределение дается: а - для ночной и б --для дневной сторон. По оси ординат отложены потоки электронов с энергией выше заданной в см-2с-1 и энерговыделение (Э) в эВ/с на кристалл (кристалл NaJ(Tl) размером 20 x 20 мм под защитой ~1 г/см2~А1) 1-Ее>40кэВ; 2-Ee> ТОкэВ; 3-Ее> 150кэ&, 4 - Ее> 200 кэВ; 5 - Ee> 500 кэВ; 6-Ее>800кэВ; 7-Еe> 1,2 МэВ; 8-Ee> 6.ОМэВ Рис.8 Зависимость потоков электронов на орбите геостационарного спут ника L=6,6 от местного времени:-- питч-угол 90o, питч-угол 65o. Рис.9 Зависимость времени жизни электронов с энергией больше 500 кэв от величины L. Рис.10 Профили потоков электронов в спокойных условиях за шесть дней до бури (а) и спустя два дня после магнитной бури (б). Цифры у кривых-энергий электронов в кэВ. Рис.11 Дифференциальные энергетические спектры электронов для различных моментов времени на L=3.5. Цифры у кривых обозначают время в сутках до (со знаком "-"') и после (со знаком "'+") инжекции. Спектр вблизи момента инжекции обозначен индексом "О". Рис.3.12 Плотности потока электронов с энергией 290-690 кэв для различных моментов времени на l-оболочках от 1,5 до 2,5. - Цифрами у кривых обозначено время в сутках, прошедшее после инжекции. рис.13 Профили плотности потока электронов различных энергий в плоскости магнитного экватора. Питч-угол 90°. для удобства построения профилей потоки электронов с энергией 180 кэВ, 90 кэВ, 50 кэВ умножены соответственно на фактор 101, 102 и 103. рис.14 Вероятность появления потока электронов в полдень (12 час) и в полночь (00 час) с величиной больше заданной на орбите стационарного спутника для эпохи 1966-1968 годов. Цифры у кривых-энергия электронов в МэВ. Рис.15a Интегральные энергетические спектры электронов малых энергий на L -оболочках, соответствующих зазору и внешнему радиационному поясу: ---- спокойные условия; - - - - умеренное возмущение. Рис.15б Усредненные по всем значениям местного времени интегральные энергетические спектры электронов на L= 2,81-12. Рис.16 Усредненные во времени и по всем долготам профили интенсивности электронов различных энергий на геомагнитном экваторе в июле 1964 года. кривая 1 oтнoсится к электронам с энергией больше 500 кэВ, кривая 2 - больше 870 кэВ, кривая 5 - больше 1,2 МэВ. Цифры у кривых соответствуют энергии электронов в МэВ.Верх (а) - для эпохи минимума солнечной активности, низ (б) - для эпохи минимума Рис.17 Пространственное распределение электронов различных энергий в экваториальной плоскости в апреле 1968г.

Эльмар Николаевич Сосновец РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ 1. Естественные радиационные пояса В околоземном космическом пространстве присутствуют значительные потоки заряженных частиц, захваченных геомагнитным полем и образующих радиационные пояса Земли. Радиационные пояса в основном состоят из протонов и электронов, энергия которых находится в пределах от десятков кэВ до сотен МэВ. За последние годы значительный прогресс был достигнут в изучении структуры и динамики низкоэнергичных компонент радиационных поясов (протоны и электроны с энергией меньше 100 кэВ). Наиболее полные результаты были получены в период с 1968 по 1974 гг. на спутниках "ОГО-5", "ИМП-1" и "Эксплорер-45",а также на ИСЗ серии "Молния-1" и "Молния-2". Использование в этих экспериментах дифференциальных спектрометров позволило выявить ряд особенностей в энергетических спектрах частиц. Поэтому в настоящей работе наряду с интегральными спектрами там, где это возможно приводятся также и дифференциальные спектры. Несмотря на большое число экспериментов, выполненных в околоземном космическом пространстве, целый ряд обстоятельств все еще существенно ограничивает точность построения расчетных кривых для плотности потоков заряженных частиц. Это в первую очередь связано с тем, что фактически после запуска спутников серии "Электрон" в 1964 году не проводилось целенаправленного систематического изучения структуры и динамики заряженных частиц в широком диапазоне энергий с перекрытием всех областей радиационных поясов. Использование же для построения расчетных кривых результатов, полученных с помощью разнородных методик и в различные моменты времени не позволяет достигнуть удовлетворительной точности. Одной из причин, ограничивающих точность расчетных кривых, являются значительные флюктуации интенсивности частиц, увеличивающиеся по мере уменьшения энергии и увеличения расстояния от Земли и тесно связанные с уровнем геомагнитной возмущенности. Особенно значительные вариации во время магнитных возмущений испытывают потоки электронов с энергией от нескольких десятков до сотен кэВ в "зазоре" между внутренним и внешним поясами, а также потоки протонов кольцевого тока с энергиями в несколько десятков кэВ. Из-за значительного фона, создаваемого протонами с энергией больше 4 МэВ, отсутствуют надежные данные о распределении частиц малых энергий в области внутреннего радиационного пояса / L<2/. Сопоставление и анализ всей совокупности результатов по распределению частиц радиационных поясов показывает, что в области L < 5 наиболее стабильной компонентой является протонная составляющая при энергиях больше I МэВ. Здесь потоки частиц могут быть определены с точностью до фактора 2-5. Для потоков частиц других энергий как протонов, так и электронов, могут быть сделаны расчеты не лучше, чем с точностью до фактора 3-10, а в отдельных случаях вообще можно говорить только об оценке плотности потока частиц по порядку величины. 2 Протонная составляющая радиационных поясов На рис.1 приведено распределение протонов различных энергий в плоскости геомагнитного экватора. По оси абсцисс отложен параметр L, по оси ординат - плотность потока протонов в см-2 с-1. На этом рисунке представлены усредненные по времени значения плотности потоков протонов по данным советских и зарубежных авторов, относящиеся к периоду I96I-I975 гг. Отечественные результаты получены в основном на ИСЗ серии "Электрон", "Космос-157" и "Молния-1". Обобщенные данные иностранных авторов приводятся по работе /25/. В области L > 6 приводятся значения плотностей потоков протонов, экстраполированные к экватору по результатам измерений на ИСЗ серии "Молния-1" в предположении изотропного распределения протонов. На рис. 2 показаны усредненные по всем направлениям интегральные энергетические спектры протонов на различных L-оболочках в экваториальной плоскости и для некоторых геомагнитных широт, которые характеризуются отношением В/В экв (цифры у кривых). Дифференциальные энергетические спектры протонов для области внутреннего радиационного пояса приводятся на рис.З. Спектры относятся к потоку протонов, перпендикулярному силовой линии магнитного поля. Интенсивности протонов при энергиях меньше I МэВ представлены также на рис, 4а и 4б. По оси ординат в зависимости от L отложен в см .с .ср .кэВ поток протонов, перпендикулярный силовой линии магнитного поля. Цифры у кривых соответствуют энергии протонов в кэВ. Рисунок 4а относится к спокойным условиям, рисунок 4б соответствует максимальному развитию кольцевого тока на главной фазе магнитной бури с величиной Dst < 200 нТ. Соответствующие дифференциальные энергетические спектры протонов на геомагнитном экваторе показаны на рис. 5. По оси ординат отложен поток протонов в см .с .ср .кэВ , перпендикулярный силовой линии магнитного поля. Максимальное отклонение измеренных значений от среднего показано на рис. 5а. Данные, представленные на рисунках 4 и 5, обобщают многочисленные эксперименты, выполненные за период с 1965 по 1975 годы. Для построения графиков в основном использованы результаты, полученные на спутниках серии "Молния-1" и "Мол-ния-2" в период с 1970 по 1975 годы /5-7, 10, II/ и американском спутнике "Эксплорер-45" в 1971 году /I2-I4/ На рис. 6а-в дается распределение плотности энергии частиц кольцевого тока в эрг/см3 во время главной фазы магнитной бури 9 июля 1966 года /I5/. На рис. 6а и 6б изображены радиальные профили плотности энергии электронов и протонов, соответственно, в плоскости геомагнитного экватора. На рисунке 6в показаны контуры постоянной плотности энергии в плоскости магнитного меридиана. Видно, что во время главной фазы бури плотность энергии протонов на порядок величины превышает плотность энергии электронов и на L > 5 становится сравнимой с плотностью энергии магнитного поля В2/8π. Таким образом, протоны кольцевого тока являются основным агентом, вызывающим депрессию магнитного поля, наблюдаемую во время главной фазы на поверхности Земли(в Dst- вариация). 3 Электронная составляющая радиационных поясов Электронная компонента радиационных поясов испытывает значительные пространственные и временные вариации в зависимости, по крайней мере, от трех параметров: местного времени, уровня геомагнитной возмущенности и фазы цикла солнечной активности. Плотности потоков электронов в области L > 6 в зависимости от местном го времени имеют существенно различное распределение, обусловленное деформацией магнитосферы под воздействием потоков частиц солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Распределение плотностей потоков электронов на больших расстояниях показано на рисунке 7. Распределение представлено в меридиональной плоскости для электронов с энергией больше 150 кэВ при различных значениях местного времени. Эти результаты получены при полете спутников "Электрон" в 1964 году /I6/. Характер зависимости плотности потоков электронов от местного времени виден также из рисунков 7 а,б, на которых приводятся распределения электронов различных энергий в плоскости геомагнитного экватора в зависимости от L (распределение электронов на рисунке 7б на L<4 не приводится, т.к. оно соответствует зависимостям, представленным на рисунке 7а). В области L > б распределение электронов для ночной стороны показано на рисунке 5.9а, для дневной стороны - на рисунке 5.9 б. Кривая 1 относится к электронам с энергией больше 40 кэВ, кривая 2 -больше 70 кэВ, кривая 5 - больше 150 кэВ, кривая 4 - больше 200 кэВ, кривая 5 -больше 500 кэВ, кривая 6 больше 800 кэВ, кривая 7 - больше 1,2 МэВ, кривая 8 - больше 6,0 МэВ. Все кривые, за исключением кривой I, построены по данным спутников "Электрон", полученным в 1964 году /1,4/. Кривая I обобщает данные американских спутников "Эксплорер-12,14,18", а в области малых L данные спутников "Космос-5,5" и "Электрон-1,5". Все результаты относятся к эпохе I965-I965 гг., которую можно характеризовать как эпоху минимума солнечной активности и периода распада пояса искусственно инжектированных электронов, образовавшегося после высотного термоядерного взрыва "Старфиш" в 1962 году. За максимумом внешнего радиационного пояса (L>5) зависимость потоков электронов от местного в ремени становится тем силнее, чем выше энергия электронов. Особенно наглядно эта зависимость проявляется на орбите геостационарного спутника ( L = 6,6). Но рис. 8 показано изменение потока электронов в двух интервалах энергии: 50-150 и 500-1000 кэВ при значениях пктч-угла 90o и 65o в течение одного оборота Земли вокруг своей оси /I7/. Анализ экспериментальных денных показывает, что во время магнитных бурь происходит изменение интенсивности электронов иногда в IO-IOO paз и более, даже в период минимума солнечной активности (1964-1965 гг.), когда наблюдались только умеренные и слабые магнитные бури. отмечались вариации интенсивности электронов в ~10 раз. Анализ экспериментальные данных показал, что средние значения интенсивности зависят от частоты и мощности магнитных возмущений, которые в свою очередь определяются фазой цикла солнечной активности. Во время геомагнитных возмущений вступают в действие многие механизмы, вызывающие не только инжекцию частиц, но и их гибель. Однако, как правило, в эти периоды преобладает инжекция частиц, особенно при сильных магнитных возмущениях. Чем сильнее магнитная буря, тем на более глубокие L - оболочки происходит заброс частиц. А так как время жизни электронов резко возрастает с уменьшением L, то последствия инжекции на различных L - оболочках сказываются по-разному. Зависимость времени жизни электронов с энергией больше 500 кэВ с изменением L показана на рис. 9 /I8/. На рис. 10 приведены профили интенсивности электронов различных энергий в спокойных условиях ( рис. 10а) и через 2 дня после магнитной бури 4 сентября 1966 года (рис. 10б)/18/. Динамика поведения электронов различных энергий, инжектированных во время магнитной бури, показана на рис.11-12. На рис. 11 /I9/ приведены дифференциальные энергетические спектры на L = 5,5 за 5 дней до бури (кривая с индексом "-5"), непосредственно после инжекции (кривая с индексом "О") и спектры в последующие дни после инжекции (кривые с индексами "+5,+5,+8,+10,+15,+16)". Отчет времени на этих рисунках дается в сутках. На рис. 12 /20/ показано изменение профилей интенсивности электронов с энергией 290-690 кэВ в области L = 2,0±0,5. Для расчета плотности потока электронов в области зазора и внешнего пояса в спокойной геомагнитной обстановке на рис. 13 приводятся для магнитного экватора зависимости интенсивности электронов различных энергий от параметра L. Для орбиты стационарного спутника на рис 14 приводятся вероятности появления потоков электронов с величиной больше заданной для нескольких значений энергии. Данные получены за период около 1,5 лет в течение 1966 - 1968 гг. /22/. Верхняя часть рисунка относится к дневным часам местного времени, нижняя - к ночным. Потоки электронов с энергией порядка или меньше 100 кэв имеют наибольшие вариации в области квазизахвата ( L ~ 8), а потоки электронов больших энергий вблизи максимума внешнего радиационного пояса на L =5+7. Для приближенных оценок потоков электронов в произвольной точке L - оболочки на основе данных об их интенсивности на той же оболочке в плоскости экватора следует воспользоваться данными о высотном ходе. Как известно, высотный ход интенсивности может быть записан в виде: J(B) = J(Bэ)(BЭ/B)н где В и В - напряженность магнитного поля в искомой точке и на экваторе, a J(В) и J(Вэ) - интенсивности как функции В и Вэ. Усредненные во времени интегральные энергетические спектры электронов внешнего пояса представлены на рис. 15а для энергий меньше 100 кэВ /I5/ и рис. 3.15б для больших энергий /24/. Спектры относятся к эпохе 1966-1967 гг. и получены вблизи плоскости геомагнитного экватора. На рис. 15а сплошной линией показаны спектры для спокойных геомагнитных условий, пунктиром - для периода с умеренной возмущенностью магнитного поля (Кр ~5+4). В среднем с изменением уровня солнечной активности в пределах 11-летнего цикла происходит постепенное смещение максимума интенсивности электронов: в годы повышенной активности максимум интенсивности электронов наблюдался на L= 3,5, в годы минимума - на L = 4,8. Зависимость интенсивности электронов от уровня активности Солнца наиболее сильно проявляется при энергиях больше I МэВ в области зазора между поясами. На рисунках 16а,б представлены усредненные по времени и по всем долготам профили интегральной интенсивности электронов различных энергий /25/. Рисунок 16а характерен для минимума солнечной активности, рисунок 166 - для эпохи максимума. Потоки и энергетические спектры электронов внутреннего пояса (L<2) претерпели значительные изменения за время, прошедшее после высотного ядерного взрыва "Старфиш" в 1962 г., особенно при энергиях выше I МэВ. Экспериментальные результаты показывают, что к 1968 г. поток электронов с энергией больше I МэВ достиг своего естественного уровня, существовавшего до взрыва "Старфиш". Профили потоков электронов внутреннего пояса на геомагнитном экваторе, наблюдавшиеся в июле 1964 года на спутнике "Электрон-5", показаны на рисунке 7. На рисунке 17 приведено распределение электронов различных энергий на L = 1,2-1,8, зарегистрированное в апреле 1968 годна спутнике "Космос-219" /25/. По оси ординат отложен средний направленный поток. Потоки электронов в первых трех энергетических интервалах к этому времени достигли значений, определяемых естественными процессами в формировании электронной составляющей. При энергиях энергиях больше 7 МэВ, по-видимому, еще сказывалось присутствие энергичных электронов искусственного происхождения. Возможен также существенный вклад в показания детектора от высокоэнергичных протонов. Поэтому указанные на рисунке 5.21 плотности потоков электронов с энергией больше 7 МэВ следует считать верхним пределом интенсивности этих электронов. Для электронов с энергией больше 1.5 МэВ использованы данные спутника "Эксплорер-12" (август 1961 года /2б/), где также измерялась интенсивность электронов естественного происхождения. Контуры постоянной интенсивности электронов, соответствующие периоду после 1968 года, показаны на рисунках 3.25а-г. Эти результаты получены в июне 1971 года на спутнике "Космос-^б" /28/. Цифры у кривых соответствуют десятичному логарифму интенсивности электронов в см-2 с-1 ср-1 . Контуры постоянной интенсивности приводятся через 0,2 log10 интенсивности. "Модель космоса" т.3, МГУ, 1976, с.50-82