РИОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЁСТКОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ОБРЕЗАНИЯ
RIOMETRIC METHOD OF DETERMINING GEOMAGNETIC CUTTING STIFFNESS FACTOR

Предлагаемый риометрический способ относится к способам определения «жесткости геомагнитного обрезания» (ЖГО) - одного из геофизических параметров, который используется для мониторинга радиационной обстановки и распространения коротких радиоволн в магнитосфере и ионосфере высоких авроральных широт после мощных солнечных вспышек в период повышенного аномального поглощения радиоволн в полярных районах (в период так называемого «Поглощения типа Полярной Шапки» - ППШ). ЖГО характеризуется минимальной энергией спектра потоков солнечных протонов, проникающих в рассматриваемую точку магнитосферы.
В настоящее время используют 3 способа определения ЖГО: траекторный, спутниковый и ракетный.
Известен траекторный способ определения ЖГО [1, 2, 3], при котором рассчитывают траектории движения в модели магнитосферы солнечных протонов различных энергий, проникающих в рассматриваемую точку, выбирают протоны с минимальной энергией и пересчитывают энергию в единицы жесткости.
Недостатком траекторного способа является неточность значений ЖГО на высотах около 70 км (высоты формирования основного слоя поглощения ППШ [4]), вследствие того что в модельной магнитосфере не учитываются процессы, влияющие в реальной магнитосфере на динамику солнечных протонов и на величину ЖГО на этих высотах [3].
Известен также спутниковый способ определения жесткости геомагнитного обрезания [5, 6, 7, 8], при котором во время ППШ детекторами, установленными на спутнике с полярной орбитой, измеряют интенсивность потоков солнечных протонов в различных диапазонах энергий в определенной точке орбиты спутника, выбирают потоки протонов с минимальной энергией и пересчитывают энергию в единицы жесткости.
Основным недостатком спутникового способа является невозможность получить ЖГО на высоте около 70 км, вследствие того что спутниковые значения ЖГО определяются на полярных спутниках с высотой орбиты около 800 км [9]. Вторым недостатком спутникового метода являются большие временные интервалы между моментами определения значений ЖГО над рассматриваемым пунктом (через 6-8 часов), что обусловлено периодом движения полярного спутника по орбите и прецессией орбиты [9].
Известен также ракетный способ определения ЖГО [5, 8], при котором в период ППШ детекторами, установленными на метеорологической ракете, измеряют интенсивность потоков солнечных протонов в различных диапазонах энергий в определенной точке на рабочем отрезке траектории движения ракеты, который находится на высотах 50-90 км, выбирают потоки протонов с минимальной энергией и пересчитывают энергию в единицы жесткости.
Недостатком ракетного способа является большая временная дискретность в получении значений ЖГО, так как вследствие высокой стоимости ракетное зондирование проводится с большими интервалами (часы, дни, недели) и не всегда совпадает с явлениями ППШ.
Цель предлагаемого риометрического способа [10] заключается в том, чтобы получать значения ЖГО на высоте около 70 км (высота формирования основного слоя поглощения ППШ [4]), которые позволяют более точно и оперативно (в режиме близком к реальному времени) исследовать морфологию явлений ППШ на авроральных широтах, чем это возможно при наличии значений ЖГО, полученных указанными выше способами.
Для решения задачи повышения точности необходимо получить величины ЖГО, которые удовлетворяют следующим требованиям: соответствовать геомагнитной широте, на которой расположена станция; соответствовать высоте около 70 км, где располагается слой, обуславливающий наибольшее поглощение во время ППШ; учитывать факторы, влияющие на ЖГО на этой высоте. Для решения задачи повышения оперативности необходимо обеспечить определение ЖГО через короткие временные интервалы.
Описанные выше аналоги предлагаемого риометрического способа не позволяют определять значения ЖГО, удовлетворяющие в полной мере перечисленным требованиям (по высоте, учету особенностей динамики солнечных протонов на малых высотах и оперативности получения значений ЖГО).
Технический результат предлагаемого риометрического способа состоит в определении значений ЖГО на высоте около 70 км с учетом влияния на ЖГО всех факторов, от которых зависит динамика потоков протонов на этой высоте, а также в сокращении (до нескольких минут) временных интервалов между моментами определения значений ЖГО.
Указанный технический результат достигается тем, что для определения ЖГО используются данные непрерывных измерений поглощения ППШ риометрами, установленными на авроральных станциях [4], и данные непрерывных измерений потоков солнечных протонов детекторами, установленными на геостационарных спутниках [8].
Использование данных по поглощению ППШ связано с тем, что для исследования ППШ необходимо знать величину ЖГО на высотах около 70 км с учетом тех особенностей динамики солнечных протонов в реальной магнитосфере на этих высотах, которые влияют на величину ЖГО. Кроме того, непрерывные наблюдения поглощения обеспечивают возможность более частого определения значений ЖГО.
Использование данных по интенсивности потоков солнечных протонов связано с необходимостью определения расчетного поглощения ППШ, которое сопоставляется с измеренным, что составляет основу предлагаемого риометрического метода.
Связь между поглощением ППШ и ЖГО объясняется следующим образом. Значение ЖГО характеризует нижнюю границу диапазона энергетического спектра потоков солнечных протонов, который ионизует атмосферу на высотах около 70 км. Диапазон энергетического спектра и интенсивность потоков каждой энергии обуславливают величину поглощения ППШ. При увеличении (уменьшении) ЖГО диапазон ионизующего спектра уменьшается (увеличивается), что соответственно вызывает уменьшение (увеличение) поглощения. На авроральных широтах ЖГО в течение суток меняется. Суточная вариация ЖГО имеет наибольшие значения в местные дневные часы. Поэтому на авроральных станциях поглощение ППШ в местные дневные часы уменьшается. Такое понижение поглощения называется эффектом полуденного восстановления [4]. Таким образом, при наличии риометрических данных по поглощению во время ППШ с эффектом полуденного восстановления можно определить значения суточной вариации ЖГО на рассматриваемой авроральной станции.
Для решения указанных задач по определению значений ЖГО, которые можно использовать при исследовании ППШ, предлагается риометрический способ, не содержащий ни один из существенных признаков рассмотренных выше способов.
Основные принципы предлагаемого риометрического способа заключаются в сопоставлении измеренных значений поглощения ППШ с расчетными и в подборе значений нижней границы диапазона энергетического спектра потоков солнечных протонов, используемого при расчетах поглощения ППШ. При совпадении расчетного поглощения с измеренным значение энергии нижней границы спектра рассматривается как искомая величина ЖГО (после пересчета энергии в единицы жесткости).
мин
макс
Предлагаемый риометрический способ реализуется следующим образом. Во время ППШ на выбранной высокоширотной авроральной станции риометром измеряют значение поглощения в определенный момент местного времени в период эффекта полуденного восстановления. В этот же момент времени детекторами, установленными на геостационарных спутниках, измеряют интенсивность потоков солнечных протонов в диапазоне энергий от минимальных (Е) до максимальных (Е) значений. Данные по потокам протонов во всем диапазоне энергий вводят в формулу (1) и далее по формулам (2)-(5) приведенного ниже алгоритма вычисляют значение поглощения ППШ в определенный момент времени на выбранной станции.
Поглощение вычисляется в 3 этапа: сначала рассчитывается скорость ионизации (Q), затем - электронная концентрация (N) и далее - поглощение (А) [4]. Формула скорости ионизации имеет следующий вид [11]:
3
3
Э
мин
макс
где F(E) - дифференциальный энергетический спектр потоков протонов; ε(Е, Р) - потери энергии протона на ионизацию (МэВ/(г/см); Е - энергия протона (МэВ); Р - давление (г/см); Q - энергия для образования 1 электрона за 1 с (36 эВ); φ, θ - азимутальный и зенитный углы протонов (град);  - имеет пределы: Е, соответствующий ЖГО в данном пункте, и Е, соответствующий максимальной энергии спектра потоков протонов, вызывающих поглощение ППШ.
Электронная концентрация (N) определяется исходя из уравнения баланса электронов в ионосфере при действии двух процессов - образования и рекомбинации электронов [4]:
-3
-3
-1
-3
-1
2
-3
-1
3
-1
где N - электронная концентрация (см); dN/dt - скорость изменения количества электронов (смс); Q - скорость образования электронов (скорость ионизации) (смс); αN - скорость рекомбинации электронов (смс); α - эффективный коэффициент рекомбинации электронов (смс).
При установившемся равновесии, когда dN/dt=0, электронная концентрация определяется по формуле:
Поглощение определяется по формуле магнитоионной теории неотклоняющего поглощения радиоволны в нижней ионосфере (в слое Д) [12]:
-1
e
где А - полное поглощение (дБ); ν - частота соударений электронов с молекулами (с); е - электрический заряд электрона; m - масса электрона; с - скорость света (м/с); ω - круговая частота падающей волны, равная частоте риометра.
Частота соударений электронов с нейтральными молекулами описывается формулой [13]:
-1
3
е
где ν - частота соударений (с); n - концентрация частиц нейтральной атмосферы (част/см); Т - электронная температура (град Кельвина).
мин
мин
жго
мин
мин
мин
жго
жго
1/2
После проведения вычислений сравнивают расчетное и измеренное значения поглощения. При их несовпадении увеличивают нижнюю границу диапазона энергетического спектра (Е) и заново вычисляют поглощение. Процедуру повторяют до совпадения расчетного поглощения с измеренным. В случае совпадения значение (Е), выраженное в единицах кинетической энергии протона, пересчитывают в единицы жесткости по формуле: R=[(1.876+Е)Е], где Е - кинетическая энергия протона, соответствующая нижней границе спектра потоков протонов (в ГэВ), R - жесткость протона (в ГВ). Эта величина R характеризует ЖГО на геомагнитной широте, на которой располагается выбранная авроральная станция в определенный момент местного времени и на высоте около 70 км.
Практика применения риометрического способа показала, что цикл определения одного значения ЖГО составляет несколько минут, поэтому риометрический способ позволяет в течение суток вычислить около 100 значений ЖГО.
Возможность осуществления предлагаемого риометрического метода обеспечивается наличием высокоширотной сети риометрических пунктов наблюдений на авроральных широтах [4], где производится непрерывная регистрация поглощения космического радиоизлучения, что позволяет иметь в любой момент измеренные значения поглощения; наличием серии геостационарных спутников [8] с детекторами, регистрирующими потоки солнечных протонов, что позволяет иметь в любой момент времени интенсивность потоков солнечных протонов, используемых при вычислении поглощения ППШ; наличием алгоритмов для вычисления поглощения ППШ [4].
На фиг. 1 представлены ежечасные значения ЖГО на ст. Диксон, полученные риометрическим, спутниковым и траекторным способами (обозначено соответственно цифрами 1, 2 и 3) [10]. Видно, что имеется заметное различие между риометрическими значениями ЖГО (обозначено 1) с одной стороны и спутниковыми и траекторными значениями (обозначено соответственно 2 и 3) - с другой.
Эти значения ЖГО были использованы при вычислении поглощения во время нескольких явлений ППШ. Расчетные данные по поглощению ППШ были сопоставлены с измеренными. На фиг. 2 представлены величины разности между измеренными и расчетными значениями поглощения, вычисленными с использованием риометрических (фиг. 2а), спутниковых (фиг. 2б) и траекторных ЖГО (фиг. 2в) [10]. Эти разности обозначены на фиг. 2а, 2б и 2в соответственно цифрами 4, 5 и 6. Видно, что наименьший разброс величин разности относительно нулевой линии существует при использовании в расчетах риометрических значений ЖГО (фиг. 2а).
Расчетные данные на фиг. 1 и 2 показывают, что риометрический способ позволяет получить значения ЖГО, более адекватные для исследования явлений ППШ, чем другие способы.
Предлагаемый риометрический способ соответствует целям и задачам получения более точных и оперативных значений ЖГО для исследования явлений ППШ. Имеются технические и вычислительные возможности для внедрения этого способа в систему мониторинга состояния авроральной магнитосферы и ионосферы во время явлений ППШ.
Источники информации
1. Smart, D.F, Shea, М.А. and R. Gull. / The daily variation of trajectory-derived high - latitude rigidities in a model magnetosphere. // J. Geophys. Res., V. 74, №19, P. 4731-4738, 1969.
2. Smart D.F. and M.A. Shea. / Geomagnetic Cutoff Rigidity Computer Program. Theory, Software Description and Example. // Center for Space Plasmas and Aeronomic Research The University of Alabama in Huntsville, Alabama 35889, 196 p., 2000.
3. Smart D.F., M.A. Shea and E.O. Fluckiger. / Magnetospheric Models and Trajectory Computations. // Space Science Reviews, V. 93, №1-2, P. 305-333, 2000.
4. Дриацкий B.M. /Природа аномального поглощения космического радиоизлучения в нижней ионосфере высоких широт. // Гидрометеоиздат, Ленинград, 1974.
5. Кондратьев К.Я. / Метеорологические исследования с помощью ракет и спутников. // Ленинград, 1962.
6. Bingham R.G., D.М. Sawyer, J.F. Ormes, W.R. Webber / Direct Measurement of geomagnetic cutoffs for cosmic-ray particles in the latitude range 45° to 70° using ballons and satellites. // Canadian Journal of Physics, V. 46, №10, P. S1078-S1081, 1968, (doi: 10.1139/p 68-422).
7. Fanselow J.R. and E.C. Stone. / Geomagnetic cutoffs for cosmic-ray protons for seven energy intervals between 1.2 and 39 MeV. // J. Geophys. Res., V. 77, P. 3999-4009, 1972.
8. С.И. Авдюшин, E.A. Гинзбург, В.И. Денисова, В.А. Крутов, А.А. Нусипов. П.М. Свидский, Г.Ф. Тулинов, И.С. Юдкевич. / Российская гелиогеофизическая служба - мониторинг и прогноз потоков энергичных частиц в околоземном космическом пространстве. // Космонавтика и ракетостроение. №1 (30), С. 25-31, 2003.
9. Мантуров А.И. / Механика управления движением космических аппаратов: Учебное пособие. // Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева, 62 с., 2003.
10. Ульев В.А., И.В. Москвин, М.И. Тясто, О.А. Данилова. Риометрический метод определения жесткости геомагнитного обрезания спектра потоков протонов. // Проблемы Арктики и Антарктики, №1, с. 132-138, 2009.
11. Велинов П., Несторов Г., Дорман Л. / Воздействие космических лучей на ионосферу и распространение радиоволн. // Болг. Акад. Наук, София, 312 с., 1974.
12. Sen S.K. and A.A. Wyller.. / On the generalization of the Appleton-Hartree magnetoionic formulas. // J. Geophys. Res, V. 65, №12, P. 3931-3950, 1960.
13. Patterson J.D., Armstrong T.P., Laird С.М., Detrick D.L. and Weatherwax А.Т. / Correlation of solar energetic protons and polar cap absorption. // J. Geophys. Res, V. 106, № A1, P. 149-163, 2001.