СиЗиФ-довідка Кільцевий струм
імпульсне зростання потоку енергійних частинок під час суббурових активізацій
ІНЖЕКЦІЯ, - іпульсні зростання потоків електронів і протонів (іонів) з енергією від одиниць до сотень кеВ під час раптового початку активної фази суббурі, брейкапа (см) та подальших активізацій, що реєструються на супутниках геосинхронної області. Інжекції є головною складовою авроральної радіації та основним джерелом частинок радіаційних поясів Землі.
По точному збігу моменту початку та деталей тонкої структури тимчасового ходу з активними сяйвами, рентгенівського випромінювання іншими спорідненими процесами, інжекції є одним із проявів вибухової суббурової нестійкості (див.) Термін "інжекція" (injection) виник з першої спроби пояснити походження цих зростання. Оскільки тривалий час існувала думка, що вибухова нестійкість суббурі розвивається у хвості магнітосфери, далеко від геосинхронної області, передбачалося, що частки впорскуються, інжектуються з хвоста Землі з одночасним прискоренням.
Рис.1 Приклад прольоту супутника СRRES в авроральній магнітосфері. На схилі радіаційного поясу видно дві інжекції в 2140 та 0140UT. Після першої інжекції з дисперсією за енергіями приходять електрони, які здійснили повний дрейф навколо Землі.
На рис. 1 показаний приклад інжекції, виміряний на супутнику CRRES. Нижче ми зупинимося докладніше на таких характеристиках інжекцій: просторовий розподіл, енергетичний спектр, пітч-кутовий розподіл, тимчасовий перебіг, зв'язок з іншими проявами суббурової активності та моделі прискорення частинок під час інжекцій.
R = (122 - 10 Kp) / (φ - 7.3)
де φ відраховується в годиннику симетрично в обидві сторони від півночі
Рис.1-становище статистичноїмежі МакІлвайну
У кожному даному випадку область прискорення частинок обмежена і витягнутість межі інжекції по довготі створюється з допомогою магнітного дрейфу частинок. Залежність швидкості дрейфу від енергії частки призводить до дисперсії, затримки у часових профілях зростання частинок менших енергій. Тим самим створюється розподіл інжекцій на дисперсійні та бездисперсійні – в епіцентрі прискорення. Оскільки електрони і протони дрейфують у різні боки, осторонь області прискорення спостерігається зростання частинок одного знака. У деяких випадках вдається спостерігати прихід частинок, які здійснили повний дрейфовий оборот навколо Землі, т.зв. дрейф луна. Приклад цього явища видно на рис.1. У зоні прискорення протони і електрони зростають одночасно, але лише при усередненні даних порядку хвилини, при більш детальному розгляді картина складніша (див. нижче).
Слід зазначити, що дуже схоже на інжекцію різке зростання енергійних частинок спостерігається також під час брейкапу при виході з дропауту, однак їх не слід змішувати. Природа цього зростання пов'язана зі швидкими рухами межі квазізахоплення повз супутника.
Кордон МакІлвайна дає становище інжекцій в абсолютних одиницях, на відстані від центру Землі.
Рис.3 – Просторовий розподіл інжекцій, виміряних на супутнику щодо схилу радіаційного поясу (праворуч). Малюнок зліва пояснює принцип визначення відносної позиції.
На рис. 3 наведено результат аналізу положення зростання на зовнішньому схилі радіаційного пояса, причому віддаленість від положення максимуму поясу задається не в одиницях довжини, а відносної інтенсивності фонового потоку частинок радіаційного пояса. Схил радіаційного поясу відповідає області, в якій частинаенергійних частинок квазізахоплено - тобто. не робить повного дрейфового обороту навколо Землі. Так як межа квазізахоплення з хвостом магнітосфери спостерігається при зниженні потоку частинок на два порядки від потоку в максимумі пояса, можна стверджувати, що всі випадки інжекції, показані на рис. 3, відбувалися в області квазізахоплення, а частина та в районі максимуму радіаційного поясу.
Тимчасова структура. Типова тривалість великомасштабного зростання авроральних частинок – 20 – 60 хвилин – відповідає тривалості суббурової інтенсифікації. Виразно видно залежність від енергії частинок - що вища енергія, то швидше виносяться вони з області прискорення магнітним дрейфом. Кожна інжекція складається з кількох локальних сплесків прискорення, що відповідають суббуревим активізаціям тривалістю переднього фронту 10-100с. Як активні спалахи полярного сяйва поширюються від невеликий області початкового вибуху, і локальні інжекції складаються з ступінчастих активізацій.
Рис.4- Тонка тимчасова структура інжекції. Зверху вниз: нахилення силової лінії, Bz – компонента магнітного поля, варіації потоку електронів та протонів. Пунктирною лінією позначені моменти початку локальних активізацій.
На рис. 4 наведено приклад тонкої структури імпульсу інжекції, зареєстрований на супутнику CRRES. Слід підкреслити різницю між тимчасовим ходом електронів і іонів. Перші зростають узгоджено у широкому діапазоні енергій, тоді як варіації іонів відрізняються у різних енергетичних каналах іноді дуже суттєво. Відзначається феномен спаду інтенсивності потоку іонів з енергією в перші десятки кеВ за одночасного зростання потоку іонів вищих енергій.
Зв'язок із локальними змінами магнітного поля. Початок активізації тазростання інтенсивності електронів збігаються з диполізацією магнітного поля - зростанням вертикальної (Вz) складової та/або зменшенням горизонтальної (переважно Вх) складової. (Див. рис.4). Силові лінії магнітного поля витягуються в хвіст перед початком фази експансії на підготовчій фазі суббурі, локальне витягування перед інжекцією електронів та диполізацією збігається з локальним зростанням потоку протонів і викликається посиленням дрейфового струму та діамагнітним ефектом. Таким чином, локальне зростання потоку енергійних протонів (іонів) додатково посилює нерівноважний стан і є тригуючим фактором у розвитку та просторовому поширенні суббурової активності.
Рис.5 - трансформація енергетичного спектра електронів (ліворуч) та протонів (праворуч) під час інжекції. На вставці у лівому малюнку наведено тимчасовий хід потоку електронів та позначено моменти вимірювання спектра. Передній фронт інжекції в даному випадку – менше секунди.
На рис 5. наведено приклади трансформації енергетичного діапазону частинок під час інжекції.
Рис.5-становище статистичного кордону МакІлвайна
Електрони зростають синхронно в широкому енергетичному діапазоні і результуючий спектр набагато м'якший за спектр електронів у радіаційному поясі. Іони спочатку прискорюються у вузькому енергетичному інтервалі, потім зростають потоки вищих і нижчих енергій. Результуючий спектр може мати той самий нахил, що й у спектра до зростання. Зазначені відмінності свідчать, що маємо справу з різними механізмами прискорення частинок і джерелами.
Рис.6- Пітч-кутовий розподіл електронів. Зліва - до інжекції, електрони радіаційного поясу з розподілом типу буттерфлі. Праворуч - після інжекції, розподіл типу pancake,переважне прискорення захоплених частинок.
На рис. 6 показані картинки трансформації пітч-кутового розподілу частинок під час інжекції. Очевидно, що прискорюються переважно частинки захоплені, з пітч-кутом 90°, що може свідчити на користь певного механізму прискорення (наприклад, бетатронний механізм має таку вибірковість), або вказувати на переважне положення області прискорення поблизу геомагнітного екватора. Досить швидко підростає потік частинок і з меншими пітч-кутами, що може говорити про ефективну дифузію по пітч-кутах. Якщо потік електронів досягає так званої межі Кеннела-Петчека, починається циклотронна нестійкість, генеруються ОНЧ-випромінювання і автоматично встановлюється режим сильної п/в дифузії (див. пульсації частинок, що висипаються) Механізми прискорення. . Єдиної загальноприйнятої думки щодо механізму прискорення частинок під час інжекції немає. Довгий час перевага надавалася механізму інжекції-прискорення в процесі переєднання. Однак перенесення частинок углиб магнітосфери має супроводжуватися магнітним дрейфом з неминучою дисперсією щодо енергій. Коли стало важко заперечувати той факт, що інжекції відбуваються в галузі квазізахоплення, а не в хвості магнітосфери, припущення про прискорення частинок індукційним електричним полем, що виникає під час диполізації магнітного поля. Гарний збіг зростання потоку електронів говорить на користь цієї моделі, хоча є багато неясностей. Для початкового прискорення іонів необхідний якийсь інший механізм, про який можна лише сказати, що він повинен мати вибірковість за енергіями, тобто. носити резонансний характер.
Також дивись родинні розділи довідника: