Исследование возможностей проникновения энергичных солнечных частиц в магнитосферу Земли

1. Исследование возможностей проникновения энергичных солнечных частиц в магнитосферу Земли Н.Н. Павлов Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В.СкобельцынаМГУ им. М.В.Ломоносова, nnp@mail.ru ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

2. Как выглядит попадание заряженной частицы в магнитосферу Влёт, разворот и вылет (однократный залёт; отражение); Попадание на разомкнутую траекторию зонального дрейфа (квази-захват; повышение плотности частиц); Попадание на замкнутую дрейфовую орбиту (захват; накопление частиц). В центре – Земля; пунктирная окружность – геосинхронная орбита. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

3. Причины (квази-) захвата частицы 0. Их нет, если магнитосфера – симметричный диполь, а частица удовлетворяет условиям адиабатичности движения в геомагнитном поле; Асимметрия магнитосферы (приближенность дневной магнитопаузы; её квазистатические перемещения вдоль XSM; локальная эрозия от пересоединения); Асимметрия (спиральность) траектории движения частицы; Быстрое “сжатие” (shock) геомагнитного поля внешним воздействием (например, SC; эффект зависит от энергии частицы); Иное (особенности геомагнитного поля). Далее рассматривается только нешоковое, “прямое” проникновение. p: 9RE->3RE Hudson et al., 1997 ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

4. Традиционные подходы Исторически – для регистрации галактических космических лучей; Теория Штёрмера (1955); Метод “обратных траекторий”. Современные примеры: Kress et al., 2005 Kress et al., 2004 Flückiger & Desorgher, 2005 ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

5. 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°. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

6. Запуск частиц с разных rи 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. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

7. Иллюстрация смысла Штёрмеровской длины Cs M – магнитный момент Земли, μ0 и π– известные константы, q, mи v – заряд, масса и скорость частицы. cf.К.-Г. Фельтхаммар (1973): “… обсудим физический смысл Cs. … Результат … показывает, что радиус кривизны Rмал по сравнению с расстоянием от центра Земли, когда штёрмеровская длина Cs велика по сравнению с этим размером, и наоборот.” ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

8. Запуск частиц с разных rи 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. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

9. Запуск протонов с разных rи под разными углами в 2D диполь а б 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. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

10. 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 Shueet al., 1998, с параметрами Bz=11 nT, Psw=1nPa(выбраны произвольно). Оцениваются относительные возможности захвата частиц поступающих из разных направлений. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

11. Эффективность захвата как функция угла влёта а б а – магнитопауза по Shueet 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. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

12. Расчёты vs. наблюдения Малые высоты, малые энергии Ep=1MeV: Cs=37RE r0=10RE -> rMin=8.8RE Экватор (HEO/”Молния”) Ep=25MeV: Cs=16.5RE r0=10RE -> rMin=6.3RE Kress et al., 2005 Лазутин и др., 2007 De l’Ebre Obs. SSC November 2001 d h m dur(min) Amp(nT) 6 1 51,02.4 79.5 15 15 8,3 5.6 22.1 ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

13. 3D: протоны СКЛ с ненулевыми питч-углами на магнитопаузе Проекция траектории на вертикальную плоскость Падающая частица Зелёные линии – уровни горизонта, стрелки – направления движения частицы в горизонтальном направлении. Вход возможен только на оранжевых фазах траектории. Магнитопауза 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. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

14. Асимметричное проникновение в полярные шапки , 1971 Интерпретация Данные ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

15. Асимметричное проникновение в полярные шапки Взгляд сверху на северный лоб Взгляд в сторону Земли Протон СКЛ с нулевым питч-углом Лобы Поток ММП 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. Рассеяние протонов летящих с малыми питч-углами на изгибе обтекания сдвигает их угловое распределение в направлении зелёных стрелок. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

16. 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. ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

17. P.S. Есть потребность в оцифровке отечественных космофизических журналов ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru

18. Расчёты vs. наблюдения Экватор, 6.6RE (GOES) Ep=10MeV: Cs=21RE r0=10RE -> rMin=7.1RE Ep=30MeV: Cs=15.7RE r0=10RE -> rMin=6.1RE Власова и др., 2010 (в печати) ИКИ РАН Conf2011(0216) SEP in magnetosphere SINP.MSU Павлов Н.Н. nnp@mail.ru