Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

пересекает L-оболочку, на которой распространяется ГКВ-волна. Оценки показывают, что время пересечения космическим аппаратом возмущенной L-оболочки обычно не превышает нескольких минут. В результате приборы, измеряющие потоки частиц, при пересечении космическим аппаратом такой L-оболочки регистрируют резкое кратковременное возрастание темпов счета частиц продолжительностью не более нескольких минут, так называемые всплески частиц.

Продолжительность всплесков частиц может определяться как временем пересечения космическим аппаратом возмущенной L- оболочки, так и временем жизни высыпавшихся частиц, если оно меньше времени пересечения L-оболочки.

Необходимо отметить, что регистрация всплесков высыпавшихся частиц, зеркальные точки которых остались в геомагнитной ловушке, практически невозможна, поскольку интенсивность таких всплесков частиц будет превышать фоновую интенсивность частиц, в данном случае Iрп (интенсивность частиц самого радиационного пояса), всего на десятые доли процента. В этом принципиальное отличие условий регистрации высыпавшихся частиц в радиационном поясе и под ним.

Характеристики высыпавшихся частиц определяются особенностями взаимодействия возмущений с радиационным поясом (см. разд. 8.1). Очевидно, что тип высыпавшихся частиц, их энергетический спектр, питч-угловое распределение и временная структура несут богатую информацию о произошедшем взаимодействии и о возмущении. Поэтому для регистрации всплесков высокоэнергичных заряженных частиц необходимо использовать довольно сложную ядерно-физическую аппаратуру – спектрометры, позволяющие идентифицировать частицы (протоны, электроны, возможно, ядра гелия), определять энергии частиц, измерять углы влета частиц, а также обладать высоким временным разрешением и иметь большую светосилу.

Необходимые значения перечисленных характеристик спектрометра будут определены ниже. А сейчас кратко остановимся на экспериментальных методах и аппаратуре, которые использовались для наблюдения всплесков частиц в уже выполненных экспериментах. Отметим, долгое время изучение всплесков высокоэнергичных заряженных частиц проходило в рамках спутниковых экс-

191

периментов, имевших другие научные задачи в качестве основных. Экспериментальная аппаратура в этих работах была прецизионной.

Впервые всплески высокоэнергичных заряженных частиц (электронов и протонов с энергиями в несколько десятков МэВ) в околоземном космическом пространстве были обнаружены в эксперименте «Мария», поставленном Институтом космофизики МИФИ на орбитальной станции «Салют-7». Первое сообщение об этих наблюдениях было сделано в 1987 г. на 20-й международной конференции по космическим лучам. Дальнейшее изучение всплесков высокоэнергичных частиц было продолжено в новом эксперименте «Мария-2» на орбитальной станции «Мир». Основной целью экспериментов «Мария» и «Мария-2» было изучение механизмов генерации высокоэнергичных электронов и позитронов в магнитосфере Земли. Для этого использовался времяпролетный магнитный спектрометр (рис. 8.9).

Применение магнитного и времяпролетного анализа (на базе С1 и С3 детекторов) для каждой частицы позволило идентифицировать заряженные частицы (электроны, позитроны, протоны и др.) в диапазоне энергий 20–200 МэВ, определять энергии частиц с точностью до нескольких процентов и углы прилета частиц с точностью 2°. Этот прибор полностью удовлетворяет сформулированным выше требованиям для регистрации всплесков (высыпаний) частиц. Возможно поэтому всплески частиц и удалось обнаружить, хотя тогда об их существовании не было известно и всплески не искали.

В дальнейшем исследования всплесков высокоэнергичных частиц проводились по данным целого ряда экспериментов: «Гамма- 1», «Электрон», «Нина», «Нина-2», РЕТ, EGRET и др. Все эти эксперименты были поставлены в разные годы на различных космических аппаратах. В них использовалась прецизионная аппаратура, предназначенная для решения различных научных задач, не связанных с регистрацией всплесков заряженных частиц. Например, «Гамма-1» и EGRET − гамма-телескопы для проведения исследований в области гамма-астрономии, «Нина», «Нина-2», РЕТ − спектрометры для изучения ядерного и изотопного состава космических лучей, «Электрон» – прибор для изучения стационарной электронной компоненты радиационного пояса.

192

электроны дают минимально возможное энерговыделение; энерговыделение же нерелятивистских протонов в несколько раз выше. Энергия частиц измеряется по величине пробега частиц в счетчиках С3–С9. Для измерения углов прилета частиц счетчики С1, С2, С3 разбиты на отдельные полосы, образуя годоскоп.

Важно отметить, что прибор «Арина» имеет большую светосилу, как минимум в 10 раз превышающую светосилу приборов, по данным которых ранее проводилось изучение всплесков высокоэнергичных частиц. Это должно повысить эффективность регистрации слабых всплесков частиц, интенсивность которых выше фоновой менее чем в два-три раза.

Прибор «Арина» установлен на космическом аппарате «Ре- сурс-ДК» № 1, который был успешно выведен на орбиту летом

2006 года.

Следует отметить, что в последние 10–15 лет во всем мире наблюдается тенденция к разработке и использованию малоразмерных космических аппаратов (20–100 кг) для различных научных, прикладных и народно-хозяйственных задач. С учетом этих современных требований проводилась разработка спектрометра «Арина». При этом уже сегодня видны пути к дальнейшей миниатюризации подобной аппаратуры на основе применения новейших технологических разработок, таких, как кремниевые фотоумножители, ПЛИС-технологии и др. По-видимому, через 5–7 лет спектрометры для регистрации всплесков высокоэнергичных заряженных частиц будут иметь массу около 3 кг, что существенно расширит возможности установки таких приборов на малых космических аппаратах разного класса.

195

8.3.Регистрация слабых радиационных возмущений в экспериментах на космических аппаратах

Радиационные возмущения, связанные с сейсмической активностью Земли

В разд. 8.1 были рассмотрены низкочастотные электромагнитные излучения в качестве возможных возмущений частиц в геомагнитной ловушке, среди них – волны, имеющие сейсмическую природу и наблюдавшиеся за несколько часов до землетрясений. Физические процессы, которые происходят в литосфере, атмосфере и ионосфере и приводят к появлению сейсмо-ионосферной связи в пособии не анализируются. Здесь лишь отметим, что в процессе подготовки землетрясения в его очаге (гипоцентре) возникает механическое напряжение, происходит интенсивное трещинообразование и в результате пьезоэлектрических и индукционных эффектов в литосфере генерируется электромагнитное излучение в широком диапазоне частот, которое выходит на поверхность, а затем распространяется в атмосфере, ионосфере и проникает в магнитосферу. Во всех этих средах такое излучение регистрировалось в многочисленных измерениях, как в наземных, так и в спутниковых экспериментах. Детальный материал по этой теме можно найти в монографии [7].

На рис. 8.11 показана физическая модель сейсмомагнитосферной связи, приводящей к высыпанию частиц из радиационного пояса.

Возникающее за несколько часов до землетрясения электромагнитное излучение распространяется из очага в атмосферу. Далее его ультранизкочастотная компонента практически без поглощения проходит через ионосферу, где захватывается в геомагнитную трубку («жгут» из силовых линий) и распространяется в ней в виде альвеновской волны, достигает геомагнитной ловушки и возмущает движение захваченных в нее частиц. Цепочка процессов, связанная с высыпанием и последующим распространением частиц в околоземном пространстве, уже была подробно рассмотрена в предыдущих разделах. Ниже остановимся на экспериментальных данных по наблюдению всплесков высокоэнергичных частиц сейсмической природы.

196

частиц. Суть этого метода состоит в следующем. Анализируются две базы данных: всплесков частиц и землетрясений. В качестве критической временной метки (tвi , i – номер всплеска частиц в базе данных) выбираются моменты регистрации всплесков частиц. Далее для каждого всплеска частиц (i = 1, 2,…, N, N – число всплесков в базе данных) из базы данных по землетрясениям выбираются события (j = 1, 2,…, K, K – число землетрясений) в интервале

± Т относительно tвi и вычисляются разности времен появления всплеска и землетрясения:

∆tij = tзj −tвi ,

где tзj – время j-го землетрясения.

Таким образом, для каждого всплеска частиц определяется распределение временных интервалов ∆tij . Проводя суммирование

таких распределений по всем всплескам, можно получить статистическое распределение интервалов между землетрясениями и всплесками частиц. Точность (достоверность) результатов анализа определяется используемой статистикой всплесков частиц и необходимыми критериями отбора для всплесков частиц и землетрясений, диктуемыми физическими условиями. Среди таких критериев отметим лишь главный – совпадение L-оболочек для всплеска частиц и землетрясения, поскольку возмущение из эпицентра готовящегося землетрясения распространяется вдоль силовой геомагнитной линии и по этой же силовой линии происходит высыпание частиц с последующим долготным дрейфом по оболочке с параметром L, равным L-параметру для возмущенной силовой линии.

Очевидно, что если корреляции между событиями нет, то ∆t-распределение будет равномерным. Если же в распределении наблюдается достоверный максимум в каком-либо временном интервале, то между событиями есть связь, т.е. пара событий i и j чаще появляется с определенным временным интервалом ∆t между ними. Такой анализ не дает информации о механизме связи между событиями, но указывает на ее наличие.

Как уже отмечалось, впервые результат по наблюдению взаимосвязи между всплесками частиц и землетрясениями был получен в эксперименте «Мария», а к сегодняшнему дню подобные ∆t-распределения были построены для данных, полученных в раз-

198

личных спутниковых экспериментах, упомянутых выше. Пример ∆t-распределения, полученного в Институте космофизики МИФИ по данным эксперимента «РЕТ», показан на рис. 8.12. (Воро-

Всплески высокоэнергичных заряженных частиц магнитосферной и сейсмической природы в околоземном космическом пространстве // Известия РАН. Серия физическая. 2001. Т. 65.

№1).

Наблюдается широ-

т.е. являются их предвестниками.

Таким образом, анализируемые в данном разделе экспериментальные данные по наблюдению всплесков высокоэнергичных частиц полностью соответствуют физической картине возмущения частиц в геомагнитной ловушке, рассмотренной выше. В этой связи интересно проанализировать временную структуру всплесков частиц (рис. 8.13). Подавляющее большинство всплесков частиц, измеренных в различных экспериментах, имеют одноимпульсную форму.

Однако иногда регистрировались и многоимпульсные всплески (рис. 8.14) с характерными интервалами времени между импульсами порядка 1–2 мин, что совпадает с периодом полного долготного оборота частиц с энергиями десятки МэВ.

199