Динамика релятивистских электронов в магнитосфере Земли: : роль волновых процессов в ускорении и воздействие на космические аппараты

• Автор: Романова, Наталья Вячеславовна
• Шифр специальности: 25.00.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПОТОКИ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ И ВЛИЯНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ КА (ОБЗОР)
1.1. Динамика потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе Земли

1.1.1. Данные наблюдений потоков релятивистских электронов в магнитосфере

1.1.2. Теоретические подходы, описывающие механизмы ускорения электронов в магнитосфере
1.1.3. Резонансное ускорение и диффузия электронов при взаимодействии с УНЧ волнами (геосинхротрон)
1.2. Индексы волновой активности, характеризующие уровень УНЧ турбулентности в околоземной среде
1.3. Модели, прогнозирующие вариации потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты

1.4. Влияние высокоэнергичньтх частиц на функционирование космических аппаратов.

1.4.1. Основные проблемные ситуации, возникающие в работе бортовой аппаратуры КА под воздействием факторов космического окружения
1.4.2. Основные факторы космической погоды, представляющие опасность для КА.
Выводы главы
ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СВЯЗИ ВОЗРАСТАНИЙ ПОТОКОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ' ЭЛЕКТРОНОВ ВО ВНЕШНЕМ РПЗ С ПАРАМЕТРАМИ. ХАРАКТЕРИЗУЮЩИМИ СОСТОЯНИЕ МАГНИТОСФЕРЫ И СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
2.1. Применение иЬЕ-индексов в задачах космической физики
2.1.1 .Свойства межпланетного индекса волновой активности ЩЦмр
2.1.2. Свойства наземного индекса волновой активности иЬГак
2.2. Анализ вариаций потоков электронов в области геостационарной орбиты
2.2.1. Пример возрастания потоков электронов после взаимодейсвтия магнитосферы с высокоскоростными потоками солнечного ветра
2.2.1. Пример возрастания потоков электронов после взаимодействия магнитосферы с выбросами корональных масс
2.3. Анализ пространственно-временной картины ускорения электронов в магнитосфере по данным ИСЗ КОРОНАС-Ф
2.4. Статистическая связь потоков электронов в области геостационарной орбиты с космофизическими факторами за большие интервалы времени (1992-2004)
2.4.1. Интегральный иГЛ-индекс
2.4.2. Связь вариаций потоков электронов с основными параметрами космического окружения
2.5. Эмпирическая модель, прогнозирующая возрастания потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты
2.5.1. Построение модели
2.5.2. Результаты моделирования
Выводы Г лавы
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ СВЯЗИ ОТКАЗОВ НА ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ СПУТНИКАХ С ФАКТОРАМИ КОСМИЧЕСКОГО ОКРУЖЕНИЯ
3.1. Описание данных об отказах на ИСЗ
3.2. Анализ связи отказов на геостационарных и высокоорбитальных ИСЗ с факторами космического окружения
3.2.1. Связь вероятности отказов с геомагнитной и солнечной активностью
3.2.2. Связь отказов на геостационарных ИЗС с потоками релятивистских электронов и высокоэиергичных протонов
3.2.3. Связь отказов с потоками электронов с энергией от 10 кэВ до 300 кэВ.
3.2.4. Связь отказов на КА с потоками протонов с энергией от 50 кэВ до 3 МэВ
Выводы главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
Данные, использованные в работе

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
Работа посвящена исследованию динамики потоков электронов с энергией 104-107 эВ, регистрируемых в магнитосфере Земли, в зависимости от параметров, характеризующих состояние магнитного поля Земли, межпланетного магнитного поля (ММП), солнечного ветра (СВ) и оценке влияния потоков этих частиц на функционирование геостационарных космических аппаратов (КА).
Магнитосфера Земли является внешней геофизической оболочкой нашей планеты и находится под постоянным воздействием процессов, происходящих в межпланетном пространстве, передавая это воздействие на внутренние оболочки - ионосферу и атмосферу. Наличие у Земли магнитного поля приводит к захвату энергичных частиц и образованию радиационных поясов.
Внешний радиационный пояс Земли является динамичным образованием - интенсивность потоков высокоэнергичных электронов (Ю5-107 эВ) может резко возрастать и спадать во время магнитных бурь на 1-3 порядка. Механизмы ускорения магнитосферных электронов до релятивистских энергий пока не выяснены, и задача их выявления является одной из самых актуальных в геофизике. Актуальность задачи описания комплекса факторов, приводящих к возрастанию потоков релятивистских электронов, определяется тем. что эти частицы представляют серьезную опасность для функционирования КА, в связи с чем их называют «электроны-убийцы» (killer-electrons).
В бесстолкновительной магнитосферной плазме ускорение частиц преимущественно связано с взаимодействием волн и частиц. Из всех электромагнитных излучений в околоземной среде наибольшей мощностью обладают ультранизкочастотные (УНЧ) волны диапазона Рс5: 1-10 мГц. Статистические исследования роли УНЧ процессов в магнитосфере сдерживались отсутствием простого параметра, характеризующего общий уровень УНЧ турбулентности в околоземной среде. Для этой цели в Институте физики Земли РАН был предложен волновой ULF-индекс (ULF - Ultra Low Frequency по международной терминологии), характеризующий глобальный уровень волновой активности магнитного поля Земли. Оценка возможности применения этого индекса в различных задачах геофизики, в том числе в задачах, связанных с ускорением электронов в магнитосфере, до сих пор не проводилась. С использованием этого индекса в данной работе проводится оценка связи волновой активности геомагнитного поля с вариациями потоков

В работе Vassiliadis [2004] сравнивается два эмпирических метода примененных для предсказания потоков электронов: метод конечных импульсных характеристик (finite-impulse-response) и метод ARMA (autoregressive moving-average), которые используются для прогноза увеличения потоков энергичных электронов в области геостационарной орбиты. Обе модели построены для регионов L = 1-10 и электронов с энергией 2-6 MeV, особое внимание уделяется области геостационарной орбиты. В качестве входного параметра используется скорость солнечного ветра для оценки важности её вклада в вариации потока электронов в зависимости от фазы солнечной и геомагнитной активности и сезона. Показано, что для обеих моделей эффективность предсказания практически одинакова.
Во многих работах отмечено, что модели в целом чувствительны к возрастаниям интенсивности потока, но при экстремальных наблюдаемых значениях потока электронов они предсказывают меньшие значения интенсивности потоков. В большинстве работ выявляется важная особенность — нелинейная связь вариаций интенсивности потока электронов с гелиогеофизическими параметрами. При незначительном возрастании потоков электронов большинство моделей дает хорошее совпадение предсказанного и измеренного потоков по абсолютной величине, однако при экстремальных возрастаниях потока более, чем на 2-3 порядка ни одна модель не предсказывает поток, который бы совпал по абсолютной величине с измеренными. Чтоб избежать этого, в качестве выходного параметра используют логарифм потока электронов, что снижает чувствительность модели к изменениям входных параметров и делает предсказание шумовых вариаций потоков значимым наряду с предсказанием экстремальных возрастаний. На практике более важно сделать эффективное предсказание для больших значений интенсивности потока (от 103 электронов/см2-с-ср), чем отслеживать мелкомасштабные вариации. Поэтому в данной работе будет представлена модель, отслеживающая динамику больших возрастаний потоков.
Все модели, описывающие и предсказывающие динамику потоков релятивистских электронов, созданные в настоящее время имеют минимальное временное разрешение 1 сутки. Но известно, что сильные возрастания потоков этих частиц часто происходят очень резко за короткое время (несколько часов).
Кроме того, не смотря на предпринятые в некоторых работах попытки оценить важность вклада входных параметров моделей в результат, остается неясно, какие параметры оказались наиболее значимыми, и меняется ли эта значимость в зависимости от вариаций солнечной и геомагнитной активности.
Построение регрессионных статистических моделей к тому же значительно осложняется наличием внутренних корреляционных связей между параметрами межпланетной среды и