Нижний Новгород, Нижегородская область, Россия
УДК 53 Физика
УДК 55 Геология. Геологические и геофизические науки
Представлены расчеты интенсивности синхротронного радиоизлучения радиационного пояса (РП) с пространственным гауссовским распределением плотности электронов по L-оболочкам дипольного магнитного поля и релятивистским максвелловским распределением по энергии. Результаты вычислений находятся в хорошем согласии с измерениями интенсивности синхротронного излучения электронов искусственного РП во время ядерного эксперимента “Starfish”. Получены двумерные распределения радиояркости в координатах азимут — зенитный угол для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли. Максимумы интенсивности излучения, расположенные к западу и к востоку от меридиана, в несколько раз превышают максимальный уровень излучения в плоскости меридиана. Построены двумерные распределения интенсивности излучения в децибелах относительно уровня фонового галактического радиошума. Чтобы интенсивность синхротронного излучения в плоскости меридиана превысила уровень космического фона на 0.1 дБ (порог чувствительности риометра), необходимы изотропные потоки релятивистских электронов (Е ~ 1 МэВ) более 107 см–2с–1.
синхротронное радиоизлучение, релятивистские электроны, радиационный пояс, дипольное магнитное поле
ВВЕДЕНИЕ
Открытие в 1958 г. радиационных поясов Земли стимулировало серию работ, посвященных расчетам характеристик синхротронного радиоизлучения элек-тронов, захваченных в дипольном магнитном поле [Dyce, Nakada, 1959; Корчак, 1963; Vesecky, Peter-son, 1967]. В 1962 г. в результате высотного ядерного взрыва в околоземном космическом пространстве (эксперимент “Starfish”) сформировался искусственный радиационный пояс (РП) из высокоэнергичных электронов [Van Allen et al., 1963; Hess, 1963]. С помощью специальных приемников — риометров [Little, Leinbach, 1958; Дриацкий 1974], расположенных на экваториальных станциях, было зарегистрировано синхротронное радиоизлучение этих электронов [Ochs et al., 1963; Dyce, Horowitz, 1963; Peterson, Hower, 1963]. Из-за сложности вычислений в общем виде характеристики синхротронного излучения РП рассчитывались для простых частных случаев: а) регистрации излучения расположенной на экваторе и направленной в зенит антенной [Dyce, Nakada, 1959; Peterson, Hower, 1963]; б) регистрации излучения из-за пределов магнитосферы с больших расстояний, т. е. как от радиоастрономического объекта [Корчак 1963; Vesecky, Peterson, 1967]. Эти расчеты показали, что при обычном состоянии земного РП интенсивность его синхротронного излучения существенно меньше фонового уровня космического шума. Вместе с тем, во время сильных магнитосферных возмущений на субавроральных станциях иногда регистрировался достаточно интенсивный естественный ионосферно-магнитосферный радиошум в диапазоне частот 20–200 МГц [Chivers, Wells, 1959; Egan, Peterson, 1960; Ellyett, 1969; Eriksen, Harang, 1969], морфологически сходный с синхротронным излучением искусственного РП. По-видимому, в особых экстремальных ситуациях, таких как ядерный взрыв в магнитосфере, и, вероятно, во время сильных магнитосферных возмущений синхротронное излучение релятивистских магнитосферных электронов может составлять заметную добавку к уровню космического фона и регистрироваться наземными приемниками в широком диапазоне частот.
Практическая возможность регистрации синхротронного излучения электронов естественного РП представляет интерес с точки зрения диагностики магнитосферы и исследования процессов ускорения электронов в околоземном пространстве. Интересна также возможность мониторинга экстремальных условий на орбитах ИСЗ, поскольку именно электроны релятивистских энергий создают основной радиационный фон для бортового оборудования («электроны-убийцы») [Романова и др., 2005; Potapov, 2017]. Целью данной работы являются количественные оценки интенсивности синхротронного излучения РП с дипольной геометрией магнитного поля и релятивистским максвелловским распределением электронов по энергии, а также получение картины пространственного распределения интенсивности излучения на небесной сфере для наземного наблюдателя в зависимости от широты пункта наблюдения и конфигурации РП.
1. Аллен К.У. Астрофизические величины. М.: Мир, 1977. 448 с.
2. Астрономический календарь. Постоянная часть. М.: Наука, 1981. 704 c.
3. Вернов С.Н., Горчаков Е.В., Кузнецов С.Н. и др. Потоки частиц во внешнем геомагнитном поле // Физика магнитосферы / Под ред. Д Вильямса и Дж. Мида. М.: Мир, 1972. С. 318-344.
4. Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И. Космическое магнито-тормозное (синхротронное) излучение // УФН. 1965. Т. 87, вып. 1. С. 65-111.
5. Дриацкий В.М. Природа аномального поглощения космического радиоизлучения в нижней ионосфере высоких широт. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 224 с.
6. Корчак А.А. О синхротронном излучении заряженных частиц в дипольном магнитном поле. I. // Астрон. журнал. 1963. Т. XL. С. 994-1006.
7. Краус Д.Д. Радиоастрономия. М.: Изд-во «Советское радио», 1973. 456 с.
8. Пахольчик А.Г. Радиоастрофизика. М.: Мир, 1973. 252 с.
9. Романова Н.В. и др. Статистическая связь частоты сбоев на геостационарных спутниках с потоками энергичных электронов и протонов // Косм. иссл. 2005. Т. 43, № 3. С. 186-193.
10. Савенко И.А., Сенчуро И.Н., Шаврин П.И. О максимальных потоках электронов с энергией Е1 МэВ во внешнем радиационном поясе Земли в 1958-1971 гг. // Косм. иссл. 1979. Т. 17, вып. 1. С. 141-145.
11. Торн Р., Андреоли Л. Механизмы интенсивных высыпаний релятивистских электронов // Полярная верхняя атмосфера / Под ред. Ч. Дира, Я. Холтета. М.: Мир, 1983. С. 367-379.
12. Трубников Б.А. Излучение плазмы в магнитном поле // ДАН. 1958. Т. 118, № 5. С. 913-916.
13. Borovsky J.E., Cayton T.E., Denton M.H., et al. The proton and electron radiation belts at geosynchronous orbit: Statistics and behavior during high-speed stream-driven storms // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. V. 121. P. 5449-5488.
14. Chivers H.J.A., Wells H.W. Observations of unusual radiofrequency noise emission and absorption at 80 Mc/s // J. Atmosph. Terr. Phys. 1959. V. 17. P. 13-19.
15. Detrick D.L., Rosenberg T.J. A phased-array radiowave imager for studies of cosmic noise absorption // Radio Sci. 1990. V. 25, N 4. P. 325-338.
16. Dyce R.B., Horowitz S. Measurements of synchrotron radiation at central Pacific sites // J. Geophys. Res. 1963. V. 68, N 3. P. 713-721. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ068i003p00713.
17. Dyce R.B., Nakada M.R. On the possibility of detecting synchrotron radiation from electrons in the Van Allen belts // J. Geophys. Res. 1959. V. 64, N 9. P. 1163-1168.
18. Egan R.D., Peterson A.M. Auroral noise at HF // J. Geo-phys. Res. 1960. V. 65, N 11. P. 3830.
19. Ellyett C.D. Radio noise of auroral origin // J. Atmosph. Terr. Phys. 1969. V. 31. P. 671-682.
20. Eriksen G., Harang L. Radio noise from the ionosphere on 225 MHz during a great ionosphere disturbance // Phys. Norveg. 1969. V. 4, N 1. P. 1-4.
21. Friedel R.H.W., Reeves G.D., Obara T. Relativistic electron dynamics in the inner magnetosphere - A review // J. Atmos. Solar-Terr. Physics. 2002. V. 64, N 1. P. 57-72.
22. Hess W.N. The artificial radiation belt made on July 9, 1962 // J. Geophys. Res. 1963. V. 68, N 3. P. 667-683. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ068i003p00667.
23. Little C.G., Leinbach H. Some measurements of high-latitude ionospheric absorption using extraterrestrial radio waves // Proc. IRE. 1958. V. 46, N 1. P. 334-348.
24. Ochs G.R., Farley Jr. D.T., Bowles K.L., Bandyopadhay P. Observations of synchrotron radio noise at the magnetic equator following the high-altitude nuclear explosion of July 9, 1962 // J. Geophys. Res. 1963. V. 68, N 3. P. 701-711. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ068i003p00701.
25. Owens H.D., Frank L.A. Electron omnidirectional intensity contours in the Earth`s outer radiation zone at the magnetic equator // J. Geophys. Res. 1968. V. 73, N 1. P. 199-208. DOI:https://doi.org/10.1029/JA073i001p00199.
26. Peterson A.M., Hower G.L. Synchrotron radiation from high-energy electrons // J. Geophys. Res. 1963. V. 68, N 3. P. 723-734 DOI:https://doi.org/10.1029/JZ068i003p00713.
27. Potapov A.S. Relativistic electrons of the outer radiation belt and methods of their forecast (review) // Solar-Terr. Phys. 2017. V. 3, N 1. P. 57-72.
28. Van Allen J.A., Frank L.A., O’Brien B.J. Satellite observations of the artificial radiation belt of July 1962 // J. Geophys. Res. 1963. V. 68, N 3. P. 619-627. DOI: 10.1029/ JZ068i003p00619.
29. Vesecky J.F., Peterson A.M. Radio frequency synchrotron radiation from the Van Allen belts // J. Geophys. Res. 1967. V. 72, N 5. P. 1647-1650.
30. Yetes K.W., Wielebinski R. Observational results of radio sky spectrum // Astrophys. J. 1967. V. 149. P. 439-440.
