Боярчук Прикладная ядерная космофизика 2007

в течение достаточно большого промежутка времени (5–7 минут), что обеспечивало регистрацию высыпавшихся на какой-либо долготе (но на этой L-оболочке) частиц, в результате азимутального дрейфа многократно проходящих через местоположение космического аппарата (ГКВ-волна, описанная в разд. 8.1). Каждый максимум во временном профиле всплеска частиц соответствует повторным прохождениям ГКВ-волны через область наблюдения.

Скорость азимутального дрейфа частиц Vдр зависит от энергии (E) и экваториального питч-угла (αэ) частицы, от L-оболочки, на которой происходит дрейф: Vдр =Vдр(E, αэ, L) .

Это означает, что при распространении ГКВ-волны частицы с разными энергиями (питч-углами) расходятся в долготном пространстве. И, по крайней мере, в течение первого долготного оборота (если отсчитывать от места высыпания частиц) ГКВ-волна несет информацию о месте, времени и энергетическом спектре высыпавшихся частиц. Такие данные, в принципе, могут позволить восстановить информацию о характеристиках возмущения радиационного пояса по результатам измерений.

В простом случае, когда происходит мгновенное высыпание частиц на одной долготе (φ0) и космический аппарат всегда находится на L-оболочке, на которой распространяется ГКВ-волна, можно определить, например, координаты места высыпания (возмущения) частиц. Если пренебречь зависимостью Tдр от питч-угла

частицы, то Tдр = ELA 12++εε , где А – размерная константа,

ε = E / m0c2 , и Vдр = 360°/Tдр .

Высыпавшиеся частицы всегда имеют то или иное энергетическое распределение. Тогда, например, частицы с энергией Е1, дрейфующие по долготе вдоль L-оболочки, достигнут космического аппарата (зоны регистрации всплеска) в момент времени t1, а частицы с другой энергией Е2 – в момент времени t2 , при этом

где i = 1,2.

201

Измеряя спектрометром, установленным на космическом аппарате, энергии Еi двух (или более) групп всплесковых частиц, появившихся в соответствующие выражению (8.20) моменты времени ti, а также зная местоположение космического аппарата (зоны наблюдения) φКА и L, можно решить систему алгебраических уравнений (8.20) относительно φ0 и t0 , т.е. найти местоположение и время произошедшего высыпания частиц из радиационного пояса.

Таким образом, регистрация всплесков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве предоставляет возможности дистанционной диагностики локальных возмущений радиационного пояса. В случае, если такими возмущениями являются сейсмические процессы, развивающиеся в очаге и над ним при подготовке землетрясения, то появляется возможность использовать всплески частиц в прогностических целях.

Возможности прогнозирования сейсмической активности по данным о радиационных возмущениях

Как известно, прогноз землетрясений – это решение триединой задачи: где, когда и какой силы произойдет землетрясение.

Уже сегодня результаты изучения всплесков частиц позволяют дать некоторые ответы. Всплеск частиц появляется за несколько часов до землетрясений с магнитудой более 4 баллов по шкале Рихтера. Координаты очага предстоящего землетрясения (λ0, φ0) также можно определить. Долгота φ0 вычисляется по методике, описанной выше. Широта λ0 определяется с использованием параметра L и координаты φ0 , поскольку λ0 является однозначной функцией от L и φ0 , т.е.

Вид уравнения (8.21) зависит от конфигурации геомагнитного поля, в частности, для дипольного поля (модель несмещенного диполя: центр диполя находится в центре Земли, оси диполя и вращения Земли совпадают), использованного в рассмотренных выше примерах, можно получить простое аналитическое выражение для λ0 , используя уравнение силовой линии (8.9). В результате

202

Для реальной модели геомагнитного поля (см. главу 4) широта λ0 может быть найдена решением уравнения (8.21) с использованием численных методов.

Необходимо отметить, что, как видно из выражения (8.22), широта λ0 может быть определена с точностью до положения зеркальной точки.

В дополнительных экспериментальных исследованиях нуждаются и другие не менее важные с прогностической точки зрения вопросы: какова вероятность появления всплесков частиц – предвестников землетрясений, как среди разнообразных всплесков частиц выделить сейсмические всплески, как характеристики всплесков частиц – предвестников землетрясений зависят от магнитуды землетрясения?

Сегодня разработка методов прогнозирования землетрясений признана мировым сообществом важной задачей. Считается, что эта задача может быть решена только комплексно с использованием информации по многочисленным предвестникам землетрясений, регистрируемых как наземными, так и космическими методами. К наиболее достоверным предвестникам относятся следующие: наземные – локальные деформации земной поверхности, изменение уровня грунтовых вод, изменения локальных электрических и магнитных полей, появление радона и др.; космические – электромагнитные излучения, всплески высокоэнергичных частиц, изменение концентрации и состава ионосферной плазмы, высыпания низкоэнергичных протонов и электронов (10–100 кэВ).

Для изучения прогностических возможностей перечисленных космических предвестников землетрясений разрабатываются целевые проекты комплексных измерений на низкоорбитальных космических аппаратах. Активные работы в этом направлении ведутся в России, Франции, Италии, Японии, США, Украине и других государствах.

Если сравнивать всплески высокоэнергичных частиц как предвестников землетрясений с другими предвестниками, то можно обнаружить одну принципиальную особенность. Все выше перечисленные предвестники локализованы в очаге готовящегося землетрясения или в геомагнитной трубке, опирающейся на очаг. Всплески высыпавшихся высокоэнергичных частиц – предвестники землетрясений заполняют за десятки секунд всю дрейфовую

203

оболочку, содержащую возмущенную геомагнитную трубку, т.е. имеют глобальный характер. Космический аппарат постоянно перемещается вдоль орбиты, то попадая в область, возмущенную сейсмическим процессом, то выходя из нее, и очевидно, что вероятность зафиксировать в измерениях на космическом аппарате глобальный эффект намного выше, чем локальный. Хотя и в случае регистрации всплесков частиц – предвестников землетрясений требуется использовать много космических аппаратов, чтобы обеспечить измерениями весь диапазон L-оболочек (L = 1–3), которые содержат потенциальные очаги землетрясений.

Радиационные возмущения, связанные с различными магнитосферными и геофизическими (не сейсмическими) процессами

В разд. 8.1 были кратко рассмотрены различные типы электромагнитных волн, которые распространяются в магнитосфере, в том числе в области геомагнитной ловушки, и связаны с различными нестационарными физическими процессами. Взаимодействие этих волн с частицами, захваченными в ловушку, может вполне происходить по рассмотренной модели, показанной на рис. 8.12. И тогда в околоземном космическом пространстве будут появляться всплески высокоэнергичных заряженных частиц не только сейсмической природы, но и всплески частиц, вызванные грозовой активностью, вулканической деятельностью, геомагнитными пульсациями и т.п.

При грозовой активности электромагнитное излучение генерируется в молниевых разрядах. При извержении вулканов электромагнитное излучение может образовываться в двух процессах: в сейсмических (землетрясения), которые часто сопровождают вулканическую активность, и в молниевых разрядах, которые нередко происходят в облаках пепла, выброшенного из вулканов на большую высоту.

Геомагнитные пульсации, наблюдаемые на наземных установках, вызываются магнитогидродинамическими волнами, распространяющимися в магнитосфере. Такие волны генерируются во взаимодействиях солнечного ветра с магнитосферой.

Отметим, что необходимые для возмущения частиц в геомагнитной ловушке электромагнитные излучения могут генериро-

204

ваться и в некоторых техногенных процессах. Например, во время мощных наземных химических взрывов происходит выброс пыли на достаточно большие высоты (1–2 км). В таких пылевых облаках может происходить электризация микрочастиц пыли, приводящая к молниевым разрядам, в которых генерируется электромагнитное излучение.

Следует упомянуть мощные промышленные ОНЧ-радиопере- датчики (а также радиомаяки) и экспериментальные наземные установки, специально созданные для генерирования низкочастотных волн в ионосфере.

Для некоторых из перечисленных процессов уже обнаружены в спутниковых экспериментах корреляции между ними и всплесками высокоэнергичных заряженных частиц (грозовая активность, геомагнитные пульсации).

На рис. 8.15 показаны сезонные изменения частоты появления всплесков высокоэнергичных электронов и молниевых разрядов для одного из районов, характеризующегося высокой грозовой активностью. Переход от летнего периода к зимнему сопровождается резким уменьшением грозовой деятельности, а также числа генерируемых всплесков частиц.

Для других упомянутых процессов (вулканы, взрывы) такие корреляции еще предстоит найти. Возможно, будут обнаружены и другие неизвестные пока процессы, приводящие к образованию всплесков высокоэнергичных заряженных частиц.

Таким образом, всплески высокоэнергичных частиц формируются в различных солнечно-магнитосферных и геофизических нестационарных процессах. Как было показано, они являются индикаторами этих процессов и несут определенную информацию об их характеристиках. По сути, наличие такого естественного формирования в магнитосфере, как радиационный пояс, и применение ядерно-физических методов для регистрации радиационных эффектов в околоземном космическом пространстве (всплесков высокоэнергичных заряженных частиц) открывают новое направление исследований в области прикладной ядерной космофизики. Это направление связанно с дистанционной диагностикой на космических аппаратах слабых локальных возмущений частиц в геомагнитной ловушке, возникающих в нестационарных процессах солнечно-магнитосферной и геофизической природы, включая сейсмическую.

205