Исследование высыпаний высокоэнергичных электронов, зарегистрированных в земной полярной атмосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, доктор физико-математических наук Махмутов, Владимир Салимгереевич

• Махмутов, Владимир Салимгереевич
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Махмутов, Владимир Салимгереевич

Введение.

Глава 1. Потоки электронов в земной магнитосфере и в околоземном космическом пространстве.

1.1. Краткие сведения о физических терминах, межпланетных параметрах и геомагнитных индексах, используемых в работе.

1.2. Высокоэнергичные электроны в межпланетном и околоземном космическом пространстве

1.3. Возможности стратосферного эксперимента по космическим лучам в исследовании событий с высыпаниями энергичных электронов в земную атмосферу.

1.4. Постановка задачи и предлагаемые методы ее решения.

1.5. Выводы главы 1.

Глава 2. Стратосферный эксперимент по космическим лучам. Наблюдение высыпаний энергичных электронов в земную атмосферу.

2.1. Краткое описание методики регистрации космических лучей в земной атмосфере.

2.2. Метод выделения случаев высыпаний энергичных электронов из данных стратосферного эксперимента по космическим лучам.

2.3. Основные характеристики событий с высыпаниями высокоэнергичных электронов, установленные по данным стратосферного эксперимента.

2.3.1 Основные характеристики спектра поглощения фотонов в атмосфере.„

2.3.2 Временные вариации потока высыпающихся электронов.

2.3.3 Сравнительный анализ данных одновременных наблюдений высыпаний электронов на полярных станциях.

2.4. Особый класс событий - высыпания высокоэнергичных электронов во время солнечных протонных событий.

2.4.1 Переходные кривые космических лучей в атмосфере связанные с высыпаниями высокоэнергичных электронов в солнечных протонных событиях.

2.4.2 Энергетические спектры частиц и определение вклада вторичных фотонов.

2.4.3 Условия наблюдений высыпаний электронов во время солнечных протонных событий и возможные источники электронов.

2.4.4 Высыпание высокоэнергичиых электронов во время солнечного протонного события 23-24 марта 1991 г.

2.5 Выводы главы 2.

Глава 3. Определение основных характеристик потоков первичных электронов во время высыпаний, зарегистрированных в земной атмосфере.

3.1 Основные физические процессы, сопровождающие прохождение электронов в земной атмосфере.

3.2. Определение основных характеристик первичного потока высыпающихся электронов из данных стратосферного эксперимента.

3.2.1 Результаты расчетов процесса прохождения электронов в атмосфере. Применение исследовательского программного комплекса «СЕАМТ-4».

3.2.2 Определение энергетического спектра потока первичных электронов на границе атмосферы.

3.2.3 Сравнение энергетических спектров электронов, полученных из стратосферных данных и данных наблюдений на спутниках во время высыпаний.

3.3 Выводы главы 3.

Глава 4. Межпланетные и геомагнитные условия, сопровождающие высыпания высокоэнергичных электронов в земную атмосферу.

4.1. Высыпания высокоэнергичных электронов в полярную атмосферу в марте - мае 1994 г.

4.2. Наблюдения высыпаний высокоэнергичных электронов в обе. Мирный (Антарктида).

4.3. Межпланетные и геомагнитные условия, сопровождающие наблюдения электронных высыпаний в атмосфере. Некоторые примеры наблюдательных данных.

4.4. Выводы главы 4.

Глава 5. Долговременные и короткопериоднческие изменения частоты высыпаний высокоэнергичных электронов, зарегистрированных в полярной атмосфере.

5.1. Изменение частоты высыпаний высокознергичных электронов в 11- летнем цикле солнечной активности.

5.2. Сезонный эффект высыпаний высокоэнергичных электронов в полярную атмосферу.

5.3. 27-дневная повторяемость высыпаний высокознергичных электронов в полярную атмосферу.

5.4. Выводы главы 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование высыпаний высокоэнергичных электронов, зарегистрированных в земной полярной атмосфере»

Баллонный эксперимент по измерению потоков космических лучей в земной атмосфере начался в СССР в 1957 году под руководством академика С.Н. Вернова и А.Н. Чарахчьяна, затем был продолжен под руководством А.Н. Чарахчьяна и Т.Н. Чарахчьян и проводится в настоящее время сотрудниками лаборатории физики Солнца и космических лучей Физического Института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук под руководством проф. Ю.И. Стожкова.

Основными задачами эксперимента являются:

1) исследование долговременных и короткопериодических вариаций потоков галактических космических лучей (ГКЛ) и изучение физических механизмов, приводящих к модуляции ГКЛ в межзвездной среде и в гелиосфере;

2) исследование механизма генерации заряженных частиц на Солнце во время солнечных вспышек, процессов распространения солнечных космических лучей (CKJ1) в межпланетной среде;

3) изучение механизмов ускорения заряженных частиц в межпланетной среде, например, на фронте межпланетных ударных волн;

4) исследования возможных механизмов влияний потоков заряженных частиц, например, потоков космических лучей, на ряд атмосферных процессов (ионообразование, выпадение осадков, грозовые разряды и т. д.), получившие развитие в последние годы.

Основные методические вопросы проводимого стратосферного эксперимента по космическим лучам, результаты анализа данных стратосферного эксперимента и полученные научные результаты опубликованы в многочисленных работах, как в отечественных, так и в зарубежных изданиях (Чарахчьян А.Н., 1961, 1964; Чарахчьян А.Н. и Чарахчьян Т.Н., 1963; Чарахчьян Т.Н., 1968, 1970; Стожков, 1980; Стожков и др. 2002, 2004; Базилевская, 1985; Крайнев, 1980; Махмутов, 1983; Свиржевская, 1986; Bazilevskaya et al., 1985, 1997, 2000, 2000а, 2001, 2004; Свиржевский, 2002; Stozhkov et al., 2001, 2001a, 2001b, 2003; Ермаков и Стожков, 2003, 2003a; Базилевская, Махмутов и др., 2003а,Ь, 2005).

Целью настоящей работы является новое направление, развиваемое в лаборатории в последние годы, - исследование временных и энергетических характеристик физического явления - высыпания потоков высокоэнергичных электронов в земную атмосферу. Основным экспериментальным материалом исследований являются данные 5 измерений потоков космических лучей в атмосфере, начиная с 1957 года по настоящее время. Эти электронные высыпания наблюдаются в основном, во время геомагнитных возмущений. При этом, в ряде случаев, энергии высыпающихся электронов заключены в широком интервале энергий - от нескольких электрон - вольт (эВ) до нескольких МэВ. Электроны небольших энергий вызывают полярные сияния, всплески аврорального рентгеновского и километрового радиоизлучений и т.д. (Исаев и Пушков, 1958; Imhov et al., 2000; Morioka et al., 2002). Авроральные электроны вызывают ионизацию и свечение во время их высыпаний в земную атмосферу. Электроны с энергиями Ее=3-4 кэВ теряют свою энергию на высотах 100-110 км на возбуждение молекул азота и атомов кислорода и производят авроральное свечение в видимой и УФ области электромагнитных волн (Bailey et al., 2002, 2002а). Риометры, измеряющие космический шум на частотах в десятки МГц, чувствительны к присутствию потоков энергичных электронов. Они приводят к аномально высокому поглощению этих волн в ионосфере в полуденном секторе. Эти же электроны возбуждают атомы азота, что приводит к образованию окиси азота в термосфере. Эти молекулы окиси азота имеют свойство флюоресцировать, что позволяет оценить их концентрацию (плотность), и, затем, оценить поток высыпающихся электронов (Barth et al., 2004). При этом учитывается, что солнечное рентгеновское излучение (длины волн 1=2-20 нм), также является источником образования окиси азота в нижней термосфере. Установлено, что минимальные потоки этих электронов приходятся на время летнего солнцестояния в обоих полушариях (192 день в северном и 355 день в южном полушариях). В это время, как правило, скорость солнечного ветра низкая и низкий уровень геомагнитной активности (Barth et al., 2004).

Высокоэнергичные электроны (включая релятивистские), высыпающиеся в земную атмосферу, вследствие энергетических потерь, на высотах Н=70-100 км конвертируются в потоки вторичных тормозных гамма - квантов (фотонов) с энергиями от нескольких кэВ до нескольких МэВ, проникающих достаточно глубоко в атмосферу. Например, фотоны с энергиями Еф<0.3 МэВ, Еф=0.3-1.5 МэВ, Еф=1.5-3 МэВ и Еф>3.0

У "У

МэВ проникают в атмосферу до атмосферных уровней Х<10 г-см", Х= 10-20 г-см ,

У 'У

Х=20-30 г-см" и Х>30 г-см" (Н<25 км), соответственно. Исследованию этих событий в прошлом был посвящен ряд работ (Чарахчьян Т.Н., 1965; Чарахчьян А.Н. и др., 1965; Вернов и др. 1965; Базилевская и др. 1968). Следует также отметить работы сотрудников Полярного Геофизического института КНЦ РАН Лазутина Л.Л., и др. В частности, были выполнены залповые полеты радиозондов на Кольском полуострове во время магнитных возмущений в 1971 г. (Квашнин и др. 1972), проведен эксперимент САМБО на аэростатах (Жавков и др., 1976, 1976а, Лазутин и др., 1985).

Ряд экспериментов был осуществлен в южном полушарии на высотных аэростатах (на высотах более 30 км), запущенных на циркумполярные траектории в 1990 и 1993 г. с использованием сцинтилляторов NaJ(Tl), фотонной камеры (Nakagawa et al. 1996; Parks 1992, 1993) и германиевого спектрометра (Millan et al., 2002). Было показано, что высыпания электронов (с энергиями Е=20-120 кэВ) часто наблюдались в полосе инвариантных широт 60°-70°. Эти события имеют пространственную структуру и могут наблюдаться в виде пучков частиц в небольших пространственных областях размером ~15-20 км и меньше. Были определены энергетические спектры фотонов во время отдельных высыпаний, которые могут быть аппроксимированы степенным законом J<j,~E<j,'m, где m изменяется в пределах 0,2 -3,7. При этом потоки фотонов с энергией 50 кэВ варьируют в диапазоне 0,06-0,4 см^-с'^кэБ"1.

Известны экспериментальные наблюдения на аэростатах рентгеновского илучения, генерированного во время высыпаний энергичных электронов в районе ЮжноАтлантической магнитной аномалии (Gaines et al., 1986; Jayanti et al. 1997).

Основными задачами данной работы является:

1. Проведение обработки первичных экспериментальных данных стратосферных измерений на высокоширотных станциях, разработка методики выделения событий с высыпаниями энергичных электронов в земную атмосферу и определения основных характеристик потоков тормозных фотонов в атмосфере во время этих событий.

2. Проведение анализа пространственных и временных характеристик событий высыпаний электронов, на основе анализа данных одновременных наблюдений событий в атмосфере на разных геомагнитных долготах. Анализ временных вариаций потоков высыпающихся электронов во время отдельных случаев высыпаний. Проведение анализа данных измерений солнечного ветра, ММП и геомагнитных данных во время высыпаний.

3. Исследование 11-летних и сезонных (полугодовых) вариаций в частоте возникновения событий высыпаний электронов в земной атмосфере и установление взаимосвязи этих вариаций с процессами на Солнце, межпланетной среде и в геомагнитном поле.

4. Проведение численных расчетов процесса распространения электронов и фотонов в земной атмосфере, применительно к данным стратосферного эксперимента с целью 7 определения энергетического спектра высыпающихся электронов на границе атмосферы, по данным наблюдений в стратосфере.

5. Проведение анализа особого класса электронных высыпаний - высыпаний во время солнечных протонных событий. Разработка метода разделения протонной и электронной компонент во время таких событий и восстановления характеристик первичного потока высыпающихся электронов.

Структура работы. В 1-ой главе представлен обзор основных источников электронов в околоземном пространстве и их вариаций. Показано уникальное место стратосферного эксперимента в исследовании событий высыпающихся электронов. Изложены основные задачи работы и методы их решения.

Во 2-ой главе изложена методика выделения этих событий из большой совокупности данных стратосферного эксперимента. Представлены основные временные и энергетические характеристики этих событий, получаемые из стратосферных данных. Проанализирован особый класс электронных высыпаний наблюдаемых во время отдельных солнечных протонных событий (СПС). Показана возможность разделения протонной и фотонной компонент, регистрируемых радиозондом одновременно. Определен энергетический спектр высыпающихся электронов в этих событиях. Источником этих потоков электронов в указанных событиях, скорее всего является не земная магнитосфера, а межпланетный ударный фронт. Проведена первичная обработка и анализ большой совокупности первичных экспериментальных данных и в результате этого создан каталог зарегистрированных случаев электронных высыпаний в земной атмосфере, на основе наблюдений этих событий на станциях стратосферного зондирования Оленья (Мурманская область), обсерватория Мирный (Антарктида), Тикси, Норильск и т.д. в период 1958-2003 гг. Полученный долговременный экспериментальный ряд данных является уникальным, и по сей день не имеет аналогов в мировой практике. Следует также отметить, что в отличие от наблюдений высыпаний на околоземных космических аппаратах, в стратосферном эксперименте наблюдаются действительно высыпающиеся частицы, поскольку они, попадая в конус потерь, не возвращаются обратно в магнитосферу, и этот факт не является модельно зависимым, что имеет место при интерпретации экспериментальных данных, получаемых на некоторых космических аппаратах.

Третья глава представляет физические процессы, сопровождающие прохождение энергичных электронов и тормозных фотонов в земной атмосфере. Показаны основные 8 характеристики тормозных фотонов во время зарегистрированных высыпаний в атмосфере. Описаны результаты проведенных расчетов на базе метода Монте-Карло с использованием адаптированного приложения АТМОСОБМЮЗ, реализованного на базе программного комплекса ОЕАМТ-4. Представленные результаты вычислений позволяют восстановить первичный спектр высыпающихся электронов по данным о спектре поглощения тормозных фотонов, полученным по измерениям в стратосфере на баллонах. Анализ межпланетных и геомагнитных условий, сопровождающих наблюдения высыпаний электронов в атмосфере, и его результаты приведены в Главе 4. Показано, что высыпания высокоэнергичных электронов в земную атмосферу происходят в большинстве случаев в условиях отрицательной Вг - компоненты межпланетного магнитного поля и повышенной скорости солнечного ветра. Кроме того, V эти высыпания наблюдаются, в разных фазах геомагнитной бури, они наиболее вероятны вблизи максимумов величины планетарного геомагнитного Кр-индекса, аврорального АЕ и индексов. В это время возрастает уровень потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите. Эти временные особенности согласуются с существующими представлениями о накоплении и высвобождении энергии в земной магнитосфере, ускорением инжектированных электронов до релятивистских энергий в магнитосфере.

Исследованию долговременных и короткопериодических вариаций в наблюдениях электронных высыпаний в атмосфере посвящена Глава 5. Экспериментально показано наличие 11-летней вариации и полугодовой волны в наблюдении электронных высыпаний в атмосфере, а также приводятся свидетельства существования 27-дневной повторяемости высыпаний. Возрастание числа высыпаний электронов в атмосфере и потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите приходится на фазу спада цикла солнечной активности. В это время на Солнце увеличивается число низкоширотных корональных дыр, являющихся источниками рекуррентных потоков высокоскоростного солнечного ветра в межпланетном пространстве. Эти потоки плазмы, взаимодействуя с земной магнитосферой, приводят к усилению геомагнитной активности и, соответственно, к появлению потоков высыпающихся высокоэнергичных электронов в атмосфере. Представлена установленная по данным стратосферных наблюдений полугодовая вариация (сезонная волна) в частоте зарегистрированных высыпаний энергичных электронов в атмосфере с

2 пиками, приходящимися на апрель и август-октябрь. Проанализированы возможные источники обнаруженной вариации.

Приложение 1 представляет программу ЕЬЕСТК0ЫР11ЕС1Р1ТАТЮК.04МАС, разработанную на основе приложения АТМ0С08М1С8 исследовательского программного комплекса ОеаШ4, с помощью которой проведены расчеты процессов прохождения электронов и тормозных фотонов в земной атмосферы.

В Приложении 2 приведен Каталог зарегистрированных высыпаний электронов в атмосфере в период 1958-2003 гг., включающий основные характеристики этих событий и отдельные геомагнитные индексы.

Основные результаты, представленные к защите:

1. Однородный уникальный ряд экспериментальных данных о высыпаниях высокоэнергичных электронов в полярную атмосферу на протяжении 19-23 циклов солнечной активности, полученный в стратосферном эксперименте ФИАН (в период 1958-2003 гг.). Зарегистрировано 531 событие.

2. Методика выделения событий с высыпаниями высокоэнергичных электронов в земную атмосферу и определения основных характеристик потоков тормозных фотонов в атмосфере во время этих событий. На основе анализа данных одновременных измерений глобального и вертикального потока космических лучей разных энергий, а также используя особенности переходных кривых космических лучей в атмосфере удается надежно выделить случаи высыпаний электронов в земной атмосфере полярных широт.

3. Характеристики потоков тормозных фотонов во время электронных высыпаний. Наличие в отдельных событиях вариаций потока высыпающихся электронов на временной шкале 5-7 минут. Результат анализа данных одновременных наблюдений высыпаний в атмосфере полярных широт на разных геомагнитных долготах, свидетельствующий о протяженной по долготе (>60°) области высыпаний релятивистских электронов в некоторых событиях.

4. Метод восстановления характеристик первичного потока электронов, высыпающихся на границу атмосферы. С помощью ОЕА1МТ4 рассчитан процесс распространения электронов, генерации тормозных фотонов и их распространения в земной атмосфере применительно к данным стратосферного эксперимента. Получены расчетные энергетические спектры фотонов, спектры поглощения вторичных

10 тормозных фотонов и их угловые распределения в атмосфере при следующих условиях: а) диапазон энергий первичных электронов Ее=10 кэВ - 20 МэВ, б) распределение электронов на границе атмосферы в виде изотропного или вертикально падающего потока, в) моноэнергетический поток электронов или распределенный по экспоненциальному энергетическому спектру, с характеристической энергией спектра в диапазоне 5 кэВ -1 МэВ. Результаты получены для 21 уровня остаточной атмосферы в диапазоне Х=0-60 г-см"2, в котором наблюдается большинство электронных высыпаний анализируемого эксперимента. Рассчитаны энергетические спектры высыпающихся электронов в отдельных событиях.

5. Результаты анализа большой совокупности явлений на Солнце, в межпланетной среде и земной магнитосфере, в связи с наблюденными высыпаниями электронов. Эти результаты позволяют заключить следующее: а). Высыпания высокоэнергичных электронов в земную атмосферу происходят, как правило, в условиях отрицательной Вг — компоненты межпланетного магнитного поля и повышенной скорости солнечного ветра. Эти события наблюдались в атмосфере во время геомагнитных возмущений: в начале и главной фазах геомагнитной бури, а также на фазе восстановления. В последнем случае наблюдаются суббури или малые магнитные возмущения перед зарегистрированными высыпаниями. б). Установлен одиннадцатилетний цикл в частоте высыпаний высокоэнергичных электронов в полярную атмосферу. Его максимум сдвинут на 2-4 года относительно солнечного цикла, наблюдаемого в числе солнечных пятен Возрастание числа высыпаний высокоэнергичных электронов в атмосферу и потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите приходится на фазу спада цикла солнечной активности. В этот период на Солнце увеличивается число низкоширотных (зачастую трансэкваториальных) корональных дыр, являющихся источниками рекуррентных потоков высокоскоростного солнечного ветра в межпланетном пространстве. Эти потоки плазмы, взаимодействуя с земной магнитосферой приводят, к усилению геомагнитной активности. в). Наблюдается также полугодовая вариация (сезонная волна) в частоте зарегистрированных высыпаний высокоэнергичных электронов в земной атмосфере с 2 пиками, приходящимися на апрель и август-октябрь. Первый пик, с большей вероятностью обусловлен эффектом Рассела-МакФеррона, второй - является суперпозицией указанного выше эффекта, аксиального и равноденственного эффектов.

6. Результат, свидетельствующий о существовании особого класса электронных высыпаний - вторжений электронов во время солнечных протонных событий. Разработан метод разделения протонной и электронной компонент во время таких событий и восстановления характеристик первичного потока высыпающихся электронов.

7. Каталог высыпаний высокоэнергичных электронов, зарегистрированных в полярной атмосфере на станциях стратосферного зондирования Оленья (Мурманская обл.), обсерватория Мирный (Антарктида), Норильск и Тикси в период 1958 - 2003 гт.

Новизна основных результатов. В настоящее время не существуют аналогов однородным экспериментальным данным наблюдений высыпаний энергичных (релятивистских) электронов в земной атмосфере на протяжении почти 50 лет, что и определяет в первую очередь новизну и уникальность полученных в работе результатов. Впервые сделан вывод о распределении высыпаний высокоэнергичных электронов в цикле солнечной активности, о наличии полугодовой (сезонной) волны в появлении этих событий. Новыми являются результаты исследований высыпаний электронов во время солнечных протонных событий. Впервые проведены детальные расчеты процесса прохождения первичного потока электронов и вторичных тормозных фотонов через земную атмосферу; получены энергетические и угловые характеристики потоков вторичных фотонов на различных уровнях атмосферы применительно к стратосферному эксперименту по космическим лучам. Созданный каталог событий электронных высыпаний зарегистрированных в полярной атмосфере в период 19582003 гг. на станциях стратосферного зондирования Оленья (Мурманская обл.), обе. Мирный (Антарктида), Норильск и Тикси является уникальным и дает новые возможности исследований этого интересного явления в будущем.

Научная и практическая ценность. Полученные экспериментальные данные о высыпаниях высокоэнергичных (релятивистских) электронов в земную атмосферу на протяжении более 3-х одиннадцати летних циклов солнечной активности позволяют исследовать как само фундаментальное физическое явление и механизмы эффективного ускорения частиц, их удержания и переноса в условиях земной магнитосферы так и использовать полученные экспериментальные данные и результаты анализа для долгосрочного (в цикле солнечной активности), краткосрочного (например, сезонных

12 вариаций на протяжении года) и оперативного прогнозирования появления значительных потоков высокоэнергичных электронов в околоземном пространстве, в земной магнитосфере и атмосфере. Последнее имеет важное научное и практическое значение. В частности, эти электроны являются основной причиной нарушений функционирования бортовой аппаратуры и систем связи на космических аппаратах во время геомагнитных возмущений (Wu et al., 2000; Baker et al., 1986, 1990, 1994a). Релятивистские электроны проникают достаточно глубоко в наружные элементы и электрическую проводку, вызывая появление статических зарядов (или т.н. " глубокую диэлектрическую зарядку"- deep dielectric charging) и последующие разряды, приводя к многочисленным нарушениям (пробоям) в электрических цепях и приборах. Широко известен случай с потерей связи и нарушениями в приборах контроля на спутниках Intelsat К и ANIK Е2 во время события в 20 января 1994 г. (Baker et al. 1990,1994а).

В этой связи необходимо отметить также, что данное направление является очень актуальным, что нашло отражение в новой Международной программе "Living With А Star (NRA-03-OSS-01-LWS)", ряд проектов которой направлен на изучение физических процессов, обусловливающих связь потоков релятивистских электронов в околоземном пространстве с солнечной активностью (http://lws-trt.gsfc.nasa.gov). Потоки высыпающихся электронов оказывают негативное влияние на функционирование околоземных космических аппаратов, влияют на химические процессы в средней атмосфере, атмосферные процессы и климат. В частности, исследования последних лет показали, что потоки высыпающихся энергичных частиц (как во время солнечных вспышек, так и во время геомагнитных возмущений) оказывают существенное влияние на образование в мезосфере и нижней термосфере (область высот ~ 60-100 км) нечетных молекул NOy (NOy= N0+N02+2*N205+HN03+C1N03+N03) и озона 03. Оказывается, этот эффект от высыпающихся частиц, сравним с эффектом, производимым вариациями солнечного излучения в 11-летнем цикле солнечной активности (Goldberg et al. 1995; Aikin 1992; Callis 2001). Эти химические составляющие существенно влияют на содержание озона и переносятся из верхних слоев атмосферы на средние высоты ~ 25 км. Другими факторами, влияющими на процесс образования NOy являются потоки солнечных протонов и электронов, приходящие в земную атмосферу во время солнечных протонных событий и их образование вследствие поглощения солнечного рентгеновского, ультрафиолетового и крайнего ультрафиолетового излучения (Brausser and Solomon, 1984).

Характеристики потоков высыпающихся электронов на границе атмосферы и потоков вторичных тормозных фотонов можно установить непосредственно из наших данных баллонных измерений и использовать при проведении расчетов радиационной нагрузки на космические аппараты во время электронных высыпаний. Эти данные также необходимы для проведения модельных расчетов физических и химических процессов в земной атмосфере.

Вклад автора. Автор работы в течение более 18 лет является непосредственным участником стратосферного эксперимента по космическим лучам, проводимого в Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук. Непосредственно им проведена обработка и анализ большой совокупности первичных экспериментальных данных стратосферного зондирования на всех станциях, начиная с 1957 г. - по настоящее время. Им разработан метод выделения событий с высыпаниями высокоэнергичных электронов в земную атмосферу и определения основных характеристик потоков тормозных фотонов в атмосфере во время этих событий; им также усовершенствован метод восстановления характеристик первичного потока электронов, высыпающегося на границу атмосферы на базе поведенных расчетов с использованием исследовательского комплекса ОЕАЫТ4.

Апробация работы. Результаты, полученные при выполнении данной работы, были представлены и обсуждались на многочисленных семинарах и конференциях, как отечественных так и зарубежных: международных конференциях по космическим лучам (проходивших в Италии, 1995 г.; Германии, 2001 г.; Японии, 2003 г.), на Европейских симпозиумах по космическим лучам (Польша, 2000, Россия, 2002; Италия, 2004 г.), международных симпозиумах СОБРАЯ (Япония, 2002; Франция, 2004 г.), Российских конференциях по космическим лучам (1999, 2002, 2004 гг.), на ежегодных всероссийских семинарах по физике авроральных явлений в г. Апатиты КНЦ РАН (2001, 2003 гг.), международных конференциях по физике Солнца (Пулково, Санкт-Петербург, 2001, 2003 г.) на рабочих семинарах ИЗМИРАН, НИИЯФ МГУ, ИПФ РАН и ФИАН, а также опубликованы в отечественных и зарубежных изданиях.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Махмутов, Владимир Салимгереевич

1.5. ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 1

В данной главе кратко рассмотрены основные физические характеристики межпланетного магнитного поля и магнитосферы Земли. Рассмотрены основные популяции и источники электронов в межпланетной среде и околоземном космическом пространстве. Представлены основные свойства и структура земной магнитосферы.

Целью настоящей работы является исследование временных и энергетических характеристик физического явления - высыпания потоков высокоэнергичных электронов в земную атмосферу. Основным экспериментальным материалом исследований являются данные измерений потоков космических лучей в атмосфере, начиная с 1957 года по настоящее время. Эти электронные высыпания наблюдаются в основном, во время геомагнитных возмущений. При этом отметим следующее: энергия высыпающихся электронов заключена в широком интервале энергий - от нескольких электрон - вольт (эВ) до нескольких МэВ. Электроны небольших энергий вызывают полярные сияния, всплески аврорального рентгеновского и километрового радиоизлучений и т.д. (Исаев и Пушков, 1958; Imhof et al., 2000; Morioka et al., 2002). Авроральные электроны вызывают ионизацию и свечение во время их высыпаний в земную атмосферу. Электроны с энергиями Ее=3-4 кэВ теряют свою энергию на высотах 100-110 км на возбуждение молекул азота и атомов кислорода и производят авроралыюе свечение в видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитных волн (Bailey et al., 2002). Эти же электроны возбуждают атомы азота, что приводит к образованию окиси азота в термосфере. Эти молекулы окиси азота имеют свойство флюоресцировать, что позволяет оценить их концентрацию (плотность), и, затем, оценить поток высыпающихся электронов (Barth et al., 2004). При этом учитывается, что солнечное рентгеновское излучение (длины волн Х-2-20 нм), также является источником образования окиси азота в нижней термосфере. Известно, что минимальные потоки этих электронов приходятся на время летнего солнцестояния в обоих полушариях (192 день в северном и 355 день в южном полушариях). В это время, как правило, скорость солнечного ветра низкая и низкий уровень геомагнитной активности (Barth et al., 2004).

В нашем случае, объект исследования - высокоэнергичные электроны (включая релятивистские), высыпающиеся в земную атмосферу. Эти электроны вследствие энергетических потерь, на высотах Н=70-100 км, конвертируются в потоки вторичных тормозных гамма - квантов (фотонов) с энергиями от нескольких кэВ до нескольких

40

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ёИШРТЕКА

МэВ, которые проникают достаточно глубоко в атмосферу и несут информацию о процессах, происходящих на границе атмосферы (в магнитосфере и т.д.).

В данной главе рассмотрены возможности стратосферного эксперимента по космическим лучам для исследования указанных явлений и, исходя из этих возможностей, сформулированы основные задачи данной работы и пути их решения. Вкратце отметим, что к ним относится всесторонний анализ и обработка первичных ^ экспериментальных данных стратосферных измерений и определение основных характеристик потоков тормозных фотонов в атмосфере во время этих событий. Проведение анализа пространственных и временных характеристик событий высыпаний электронов на основе анализа данных одновременных наблюдений событий в атмосфере на разных геомагнитных долготах. Анализ временных вариаций потоков высыпающихся электронов во время отдельных случаев высыпаний. Проведение анализа данных измерений солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и геомагнитных данных во время высыпаний. Исследование 11-летних и сезонных (полугодовых) вариаций в частоте возникновения событий высыпаний электронов в земной атмосфере и установление взаимосвязи этих вариаций с процессами па Солнце, межпланетной I среде и в геомагнитном поле. Также проведение численных расчетов процесса распространения электронов и фотонов в земной атмосфере, применительно к данным стратосферного эксперимента с целью определения энергетического спектра высыпающихся электронов на границе атмосферы, по данным наблюдений в стратосфере.

Проведение анализа особого класса электронных высыпаний - высыпаний во время солнечных протонных событий. Разработка метода разделения протонной и электронной компонент во время таких событий и восстановления характеристик первичного потока высыпающихся электронов.

ГЛАВА 2. СТРАТОСФЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО КОСМИЧЕСКИМ ЛУЧАМ. НАБЛЮДЕНИЕ ВЫСЫПАНИЙ ЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ЗЕМНУЮ АТМОСФЕРУ.

В данной главе представлено краткое описание методики регистрации космических лучей в земной атмосфере. Приведены основные характеристики станций стратосферного зондирования, экспериментальные данные которых использованы в работе. Излагается методика выделения случаев высыпаний энергичных электронов в земную атмосферу из стратосферного эксперимента. Представлены основные характеристики таких событий, получаемые из стратосферных измерений.

2.1 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ РЕГИСТРАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ.

Измерение потоков космических лучей в земной атмосфере проводится с помощью стандартных радиозондов, поднимаемых на баллонах до высот 25-35 км (см. напр. Чарахчьян А.Н., 1961, 1964; Стожков Ю.И., 1980, Bazilevskaya et al., 1991; и ссылки в них). Детектор заряженных частиц радиозонда состоит из 2-х цилиндрических газоразрядных счетчиков Гейгера, составляющих вертикальный телескоп, с А1-фильтром между ними. Перед запуском каждый счетчик калибруется на контрольном стенде. Это позволяет получать однородный долговременный ряд данных в стратосферном эксперименте, начиная с 1957 г.- Международного Геофизического года. Рабочий размер счетчиков составляет 9.8 см в длину и 1.8 см в диаметре. Толщина

•л стальных стенок счетчиков составляет 0.05 г-см" , толщина ^/-фильтра равна 7 мм (2 г-см"2). Верхний одиночный счетчик регистрирует всенаправленный поток заряженных частиц: электроны с энергиями Ее> 200 кэВ и протоны Ер>5 МэВ. Телескоп регистрирует вертикальный поток заряженных частиц с энергией Ее>5 МэВ- для электронов и Ер>30 МэВ - для протонов, внутри телесного угла ~ 1 ср и не чувствителен к у-лучам. Таким образом, радиозонд одновременно регистрирует всенаправленный и вертикальный потоки заряженных частиц в атмосфере. Следует отметить, что одиночный счетчик также чувствителен к потоку гамма квантов с эффективностью ~ 1%, в то время как эффективность регистрации заряженных частиц равна ~100%. Геометрический фактор одиночного счетчика и телескопа в случае

42 изотропного распределения заряженных частиц в атмосфере составляет 15.1 см" и 17.8 см"2-ср-1, соответственно. Дополнительно, в состав радиозонда входит барограф, позволяющий определить высоту (глубину остаточного атмосферного давления - X (г-см'2)), во время подъема баллона в атмосфере.

Данные о темпе счета одиночного счетчика, телескопа и показания барографа передаются на наземный приемный пункт с помощью радиопередатчика, работающего, h в основном, на частотах 110-140 MHz. Принимаемые данные регистрируются с помощью автоматической системы приема и записи информации; имеется также возможность приема и записи информации вручную.

Таким образом, в каждом полете радиозонда получаются экспериментальные данные о распределении потоков заряженных частиц в атмосфере, в зависимости от У высоты или глубины остаточной атмосферы (X, г-см" ). На основе этих данных получаются т.н. кривые поглощения космических лучей в атмосфере, или переходные кривые. В качестве примера на рис.2.1.1 показаны данные измерений космических лучей на ст. Москва, Мурманск и Мирный 10 мая 1998 г. Слева - данные измерений всенаправленного счетчика, справа - данные вертикального телескопа. По ^ горизонтальной оси представлены величины атмосферной глубины в единицах X (г-см"

9 1 а по вертикальной оси - темп счета одиночного счетчика, N0, мин" и телескопа, NT, мин"1. Темп счета усреднен за каждые 3 минуты. Данные получены в условиях спокойной межпланетной и геомагнитной обстановки, т.е. в отсутствие солнечных протонных событий, Форбуш (Forbush) понижений интенсивности галактических космических лучей и геомагнитных возмущений (в частности, в отсутствие высыпаний энергичных электронов в атмосферу), а также в отсутствие радиоактивных облаков в атмосфере.

Для всех представленных кривых характерно монотонное возрастание темпа счета частиц до максимума (т.н. максимум Пфотцера, который наблюдается на глубинах Х=40-90 г-см"2 и Х=60-150 г-см"2 по данным одиночного счетчика и телескопа, соответствено), а затем плавное уменьшение темпа счета вплоть до границы атмосферы (Х=0). Положение максимума по глубине атмосферы (X) и его величина отличаются для разных станций стратосферного зондирования и меняются в цикле солнечной активности.

Во время солнечных протонных событий (при наличии в околоземном пространстве потоков солнечных протонов с энергиями Ер>100 МэВ) вид этих спокойных» (фоновых) кривых изменяется как по данным одиночного счетчика, так и телескопа: исчезает ярко выраженный максимум в переходных кривых и темп счета возрастает до глубин Х~0 г-см*2. Это вызвано регистрацией потоков солнечных протонов в атмосфере на соответствующих высотах. Методика выделения из стратосферных данных временных и энергетических характеристик солнечных космических лучей (CKJ1) описана подробно в (Чарахчьян Т. Н., 1970; Стожков, 1980; Махмутов, 1983; Базилевская, 1985). Также хорошо разработаны и используются методики выделения Форбуш-понижения интенсивности ГКЛ, их 27-дневных, 11-летних вариации, обнаружения радиоактивных облаков в атмосфере (Чарахчьян Т.Н., 1970; Стожков, 1980; Базилевская, 1985; Свиржевский, 2002). В данной работе, предложена методика выделения случаев высыпаний энергичных электронов в атмосферу, показана возможность определения характеристик первичного потока электронов, высыпающихся в земную атмосферу. х

S 5

600

400

200

ГЛУБИНА АТМОСФЕРЫ, Х(г*см2)

1 10 100 1000 ГЛУБИНА АТМОСФЕРЫ, Х(г*см"2)

Рис.2.1.1 Данные измерений потоков космических лучей в атмосфере 10 мая 1998 г., полученные на станциях стратосферного зондирования: Мурманск (Д), Мирный (о) и Москва (•). Слева-З-х минутные данные одиночного счетчика (темп счета, N1), справа -данные телескопа (темп счета, N2). Для всех представленных кривых характерно монотонное возрастание темпа счета частиц до максимума (т.н. максимум Пфотцера), а затем его плавное уменьшение.

Следует отметить, что наиболее вероятно наблюдение высыпаний электронов на станциях, расположенных относительно геомагнитного поля в области границы стабильного захвата заряженных частиц (например, электронов) в земной магнитосфере. Поэтому, для проведения анализа нами использовались данные измерений космических лучей в атмосфере, полученные на приполярных и полярных станциях стратосферного зондирования. В таблице 2.1 представлена информация о наземных станциях стратосферного зондирования, данные которых использованы в работе. Для каждой станции указаны географические и геомагнитные координаты, период времени проведения регулярных измерений, анализируемый в работе, величина вертикальной жесткости геомагнитного обрезания Rc (Shea 2001), величина параметра Мак-Илвайна (L в ед.-х земного радиуса Re; соответствует положению станции в зоне открытых силовых линий геомагнитного поля); полное число проведенных полетов и/или частота запусков и полное число зарегистрированных случаев высыпаний высокоэнергичных электронов.

Рис. 2.1.2. Географическое положение станций стратосферного зондирования, данные которых использованы в данной работе: 1- ст. Оленья, 2- обе. Мирный, 3- Тикси, 4-Норильск, 5- Баренцбург и 6- Восток. Основные характеристики станций приведены в таблице 2.1.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Махмутов, Владимир Салимгереевич, 2005 год

1. Акасофу С.-И., Чепмен С. Солнечно-земная физика, 4.1, 2. М.: Мир, 512 е., 384 е., 1975.

2. Акиньян С.Т., Базилевская Г.А., Ишков В.Н., Л.И. Мирошнтченко Л.И., Назарова М.Н., Переяслова Н.К., Погодин И.Е., Сладкова А.И., Ульев В.А., Черток И.М. Каталог солнечных протонных событий 1970-1979 гг. / Под ред. Логачева Ю.И. 184 с. М: ИЗМИРАН. 1983.

3. Атмосфера, Справочник (под ред. Ю.С. Седунова), Л: Гидрометеоиздат, 509 е., 1991.

4. Базилевская Г.А., Квашнин А.Н., Чарахчьян А.Н., Чарахчьян Т.Н. Аномальные потоки мягких фотонов в стратосфере во время вспышек КЛ в мае 1967 года. Труды Всес. конференции по космическим лучам, Ташкент, ч.П, вып.2, с.5-8,1968.

5. Базилевская Г.А., Махмутов B.C. Определение абсолютных потоков солнечных протонов с Е > 100 МэВ по данным измерений в стратосфере и нейтронными мониторами, Геомагнетизм и аэрономия, т. 23, № 3, с. 373-377, 1983.

6. Базилевская Г.А., Солнечные протоны с энергией больше 100 МэВ по данным измерений в стратосфере, Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, М., ФИАН, 300 е., 1985.

7. Базилевская Г.А., Махмутов B.C., Свиржевский Н.С., Стожков Ю.И., Струминский А.Б. Модуляция солнечных протонов с энергией больше 100 МэВ в марте 1991 г., Изв. РАН, сер. физ., т. 57, № 7, с. 11-14, 1993.

8. Базилевская Г.А., Махмутов B.C. Высыпания высокоэнергичных электронов в атмосферу по данным зондовых измерений космических лучей, Изв. РАН, сер. физ., т. 63, № 8, с. 1670-1674,1999.

9. Базилевская Г.А., Гоцелюк Ю.В., Денисов Ю.И., Кузнецов С.Н., Рыбаков А.Ю.,

10. Базилевская Г.А., Крайнев М.Б., Махмутов B.C., Свиржевская А.К., Свиржевский Н.С., Стожков Ю.И., Вашенюк Э.В. Солнечные протонные события по наблюдениям в стратосферном эксперименте ФИАН. Геомагнетизм и аэрономия, т. 43. № 4, с. 442-452,2003а.

11. Базилевская Г.А., Махмутов B.C., Свиржевская А.К., Свиржевский Н.С., Стожков Ю.И., Вашенюк Э.В. Высыпания электронов в полярную атмосферу Земли во время солнечных протонных событий. - Изв. РАН, сер. физ., т. 67, № 4, с. 489-491,2003b.

12. Базилевская Г.А., Махмутов B.C., Свиржевская А.К., Свиржевский Н.С., Стожков Ю.И. Долговременные измерения космических лучей в атмосфере Земли. Изв. РАН, сер. физ., т. 69, № 6, с. 835-837,2005.

13. Бондаренко В. А., Зиль М. В., Коломенский А. В., Колосов Д. Э. Спектры солнечных протонных событий в 20,21 циклах солнечной активности, МЦД-Б, 46 е., М. 1986.

14. Вернов С.Н., Лазутин Л.Л., Чарахчьян А.Н., Чарахчьян Т.Н. Внешний радиационный пояс Земли и всплески рентгеновского излучения в стратосфере. В кн. Исследование космического пространства. Наука, с. 454-460, 1965.

15. Головин Б.М., Коняхина С.С. Курносова Л.В., Логачев В.И., Разоренов Л.А.,

16. Синицина В.Г., Фрадкин М.И. Изменения интенсивности избыточного излучения на высотах 250-500 км. Краткие сообщения по физике, №11, с.26-32, 1971.

17. Дегтярев В.И., Попов Г.В., Чудненко С.Э. Динамика потоков квазизахваченныхэлектронов, инжектируемых на геостационарную орбиту во время магнитных бурь. Геомагнетизм и аэрономия, т.39, N3, с.33-40,1999.

18. Ермаков В.И., Стожков Ю.И. Космические лучи в механизме образования грозовых облаков. Краткие сообщения по физике. М.: ФИАН, № 1, с. 23-35,2003.

19. Ермаков В.И., Стожков Ю.И., Свиржевский Н.С. Основные источники ионизации атмосферы, Труды V Росс. конф. по атмосферному электричеству. Владимир: Транзит ИКС, т. I, с. 63-65,2003а.

20. Исаев С.И., Пушков Н.В. Полярные сияния, Изд-е АН СССР, Москва, 112 с., 1958.

21. Каталог солнечных протонных событий 1970-1979 гг., Акиньян С. Т., Базилевская Г. А., Ишков В. Н. и др. (под. ред. Логачева Ю. И.), М. ИЗМИРАН, 184 е., 1982.

22. Калинина О.Я., Лазутин Л.Л., Соколов В.Д. Расчет прохождения тормозного рентгеновского излучения в атмосфере от высыпания электронов с энергией 0.05-10 МэВ, Космические лучи, Москва, 25, с. 107-112,1988.

23. Коврыгина Л.М., Тверская Л.В., Об инжекции электронов в радиационные пояса во время магнитных бурь, Геомагнетизм и аэрономия, т. 18, с. 749-753,1978.

24. Крайнев М.Б. Геометрия расширения солнечной короны и эффекты в космических лучах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук, М., ФИАН, 160 е., 1980.

25. Кузьмин И.А., Лазутин Л.Л., Логинов Г.А., Пудовкин М.И., Чарахчьян А.Н., Чарахчьян Т.Н., Геомагнитные возмущения в высоких широтах в июне 1965 г., Полярные сияния, М: Наука, N 17, с. 99-110, 1968.

26. Кузьмин И.А., Лазутин Л.Л., Хлебникова Л.А. Расчет поглощения рентгеновского излучения в атмосфере Земли, Комплексные исследования полярной ионосферы, Л: Наука, с. 159-176, 1970.

27. Кузьмин И.А., Лазутин Л.Л., Агейкин В.А., Щур Л.П. Расчет поглощения рентгеновского излучения в атмосфере Земли, Морфология и физика полярной ионосферы, Л: Наука, с. 181-199,1971.

28. Кузьмин И.А. Методы измерений и расчет прохождения АРИ на разных глубинах атмосферы, Кандидатская диссертация, ПГИ Апатиты: КФ АН СССР, 180 е., 1973.

29. Кэй Д., Лэби Т., Таблицы физических и химических постоянных, Гос. Изд.-во физико-мат., литературы, Москва, 247 е., 1962.

30. Лазутин Л.Л., Ролдугин В. К. Вспышки рентгеновского излучения и полярные сияния. Изв. АН СССР, сер. физ-я, т.ЗО, №11, с. 1804-1806,1966.

31. Лазутин Л. Л., Рентгеновское излучение авроральных электронов и динамика магнитосферы, Л.: Наука, 120 е., 1979.

32. Лазутин Л. Л., Жулин И. А., Радкевич В. Энергичные частицы в магнитосфере Земли, ПГИ, Апатиты, с. 99-111, 1982.

33. Лазутин Л.Л., О структуре возмущенной магнитосферы, Космические исследования, № 5, 2004.

34. Махмутов В. С., Базилевская Г. А., Стожков Ю. И. Сезонный эффект высыпаний энергичных электронов в полярную атмосферу. - Изв. РАН, сер. физ., т. 67, № 10, с. 1449-1451,2003.

35. Махмутов В. С. Исследование энергетических спектров солнечных протонов с энергиями больше 100 МэВ в 21 цикле солнечной активности, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук, М., МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 179 е., 1983.

36. Махмутов B.C., Базилевская Г.А., Крайнев М.Б., Свиржевская А.К., Свиржевский Н.С., Связь частоты высыпаний релятивистских электронов в атмосферу с циклом солнечной активности, Изв. РАН, сер. физ., т. 65, № 3, с. 403-405,2001.

37. Махмутов B.C., Базилевская Г.А, Л. Десоргер, Е. Флюкигер Наблюдения высыпаний энергичных электронов в атмосфере в октябре 2003 г., Изв. РАН, сер. физ., т. 69, № 3, с. 881-883,2005.

38. Немец О.Ф., Гофман Ю.Ф. Справочник по ядерной физике, Изд.-во: Наукова думка, Киев, 415 с., 1975.

39. Свиржевская А.К. Энергетические спектры долгопериодических вариаций космических лучей по стратосферным данным, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук, М., ФИАН, 149 е., 1986.

40. Свиржевский Н.С. Временные и пространственные вариации заряженного излучения в атмосфере Земли. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. М., ФИАН, 292с., 2002.

41. Сегрэ Э. (ред.), Экспериментальная ядерная физика, Изд.-во иностранной литературы, М., 662 е., 1955.

42. Солнечная и солнечно-земная физика. Иллюстрированный словарь терминов под ред. Бруцека А. и Дюрана Ш., М. Мир, 255 е., 1980.

43. Сосновец Э.Н. С.Н. Вернов и развитие исследований по физике магнитосферы в НИИЯФ МГУ, в сб. Академик С.Н. Вернов - ученый Московского Университета, М: МГУ, с. 46-64, 2004.

44. Стожков Ю.И., Модуляция космических лучей солнечной активностью и общим магнитным полем Солнца, Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, М., ФИАН, 244 е., 1980.

45. Стожков Ю.И., Свиржевский Н.С., Базилевская Г.А., Махмутов B.C., Свиржевская А.К. Исследования космических лучей в атмосфере Арктики и Антарктики. Сб. Арктика и Антарктика. М.: Наука, вып. 3 (37), с. 114-148,2004.

46. Тверской Б.А. Динамика радиационных поясов Земли, М.: Наука, с.223., 1968.

47. Тверской Б.А. Основы теоретической космофизики. Избранные труды, (сост. М.Ф. Бахарева, A.B. Гетлинг, Э.Н. Сосновец, Л.В. Тверская), М: Едиториал УРСС, 376 е., 2004.

48. Тверская Л.В., О границе инжекции электронов в магнитосферу Земли, Геомагнетизм и аэрономия, т. 26, N5, с. 864-865,1986.

49. Чарахчьян А.Н., Радиозонд для измерения интенсивности космических лучей в атмосфере, Космические лучи, N3, с.134-136,1961.

50. Чарахчьян А.Н., Чарахчьян Т.Н. Вековой ход интенсивности космических лучей в стратосфере (1957-1962 гг.). Геомагнетизм и аэрономия, т. 3, № 4, с. 604-607, 1963.

51. Чарахчьян А.Н. Исследование флуктуаций интенсивности космических лучей в стратосфере, вызванных процессами на Солнце. УФН, т. 83, с. 35-62, 1964.

52. Чарахчьян А.Н., Голенков А.Г., Чарахчьян Т.Н. Случаи вторжения в стратосферу частиц внешнего радиационного пояса Земли. Геомагнетизм и аэрономия, т.5, №4, с.757-759,1965.

53. Чарахчьян Т.Н. Геомагнитные возмущения в высоких широтах в июне 1965 г., сб. Полярные сияния, Наука, Москва, №17, с.99-110, 1968.

54. Чарахчьян Т.Н., Исследование космических лучей в стратосфере, Диссертация насоискание ученой степени доктора физ.-мат. наук, М., ФИАН, 243 е., 1970.

55. Aikin, А. С., Stratospheric evidence of relativistic electron precipitation, Planet. Space Sci., v. 40,413-431,1992.

56. Akasofu, S.-I: Geomagnetic storms, substorms, and solar flares, in M. Candidi, M. Storini, and U. Villante (eds.), Sun-Earth Connection and Space Weather, Bologna, SIF Conf. Proc. 75, 181-204, 2001.

57. Arnold R.J., Geomagnetic storms and storm prediction scheme, J.Geophys. Res., v.76, N 5, p. 189-194, 1971.

58. Akasofu S.-I., Prediction of development of geomagnetic storms using the solar wind-magnetosphere energy coupling function s, Planet. Space Sci., v. 29, p. 1151-1158,1981.

59. Akasofu S.-I., Fry C.D., A first generation numerical geomagnetic storm prediction scheme, Planet. Space Sci., v. 34, p. 77-92,1986.

60. Bailey S.M., Barth C.A., Solomon S.C., A model of nitric oxide in the lower thermosphere. J. Geophys. Res., v.107, N A8, p.1206-1213, doi 10.1029/2001JA000258, 2002.

61. Bailey, S. M.; Crowley, G.; Solomon, S. C.; Baker, D. N., The Response of Thermospheric Nitric Oxide to the Geomagnetic Storm of April 2002, American Geophysical Union, Fall Meeting 2002, aNSA21B-0468,2002a.

62. Baker D.N., Blake J.B., Klebesadel R.W., Higbic P.R., Highly relativistic electrons in the Earth's outer magnetosphere, 1. Lifetimes and temporal history 1979-1984, J. Geophys. Res., v.91, p.4265-4272, 1986.

63. Baker, D.N., McPherron, R.L., Cayton, Т.Е., Klebesade, R.W. Linear prediction filter analysis of relativistic electron properties at 6.6 Re, J. Geophys. Res., v. 95. A 9. p. 15,133-15,140, 1990.

64. Baker D.N., Kanekal S., Blake T.B., Klecker В., Rostoker G. Satellite anomalies linked to electron increase in the magnetosphere. EOS, Transactions, AGU, v.75, N 35, p.401-405,1994a.

65. Baker D.N., Effects of the Sun on the Earth's environment, J. Atmosph. And Solar-Terr. Phys, v.62, p. 1669-1681,2000

66. Baranyi T., Ludmany A., Effects of solar polarity reversals on geoeffective plasma streams, J. Geophys. Res., v. 108, pp. SSH 10-1, CitelD 1212, DOI 10.1029/2002JA009553, 2003.

67. Barth C.A., Baker D.N., Bailey S.M. Seasonal variation of auroral electron precipitation. Geophys. Res. Lett., v.31, L. 4809, doi: 10.1029/2003 GL018892, p. 1-4,2004.

68. Bazilevskaya G.A., Makhmutov V.S., Charakhchyan T.N., The influence of the Earth's magnetosphere on the high-energy solar protons, Proc. 19th ICRC, La Jolla, v. 5, p. 363366,1985.

69. Bazilevskaya G.A., Krainev M.B., Stozhkov Yu.I., Svirzhevskaya A.K., Svirzhevsky N.S. Long-term Soviet program for the measurement of ionizing radiation in the atmosphere, J. Geomag. and Geoelectr. V. 43. Suppl. P. 893-900, 1991.

70. Bazilevskaya G.A., Flueckiger E., Makhmutov V.S., Mizin S.V. Omnidirectional and vertical fluxes of charged particles in the Earth's atmosphere during solar proton events, Radiation Measurements, v. 26, No.3, p.443-446, 1996.

71. Bazilevskaya, G.A. and A. K. Svirzhevskaya, On the stratospheric measurements of cosmic rays, Space Sci. Rev., v. 85, p.431-521, 1998.

72. Bazilevskaya G.A., Krainev M.B., Makhmutov V.S., Effects of cosmic rays on the Earth's environment, Journal of Atmospheric and Solar Terrestrial Physics, v. 62, No. 17-18, p. 1577-1586,2000.

73. Bazilevskaya G.A., Krainev M.B., Makhmutov V.S., Fluckiger E.O., Sladkova A.I., Storini M. Structure of the maximum phase of the solar cycles 21 and 22. - Solar Physics, v. 197, No. 1, p. 157-174,2000a.

74. Bazilevskaya G.A., Makhmutov V.S., Svirzhevskay A.K. Energetic electron precipitation in the polar atmosphere: correlation with solar and magnetospheric parameters, Proc. Chapman conf., (accepted, in press), 2004.

75. Bearth C.A., Bailey S.M., Baker D.N. Seasonal variation of auroral electron flux, AGU Fall Meeting, SM32-B, p. 1156,2003.

76. Berger, M.J. and Seltzer, S.M. Bremsstrahlung in the atmosphere, Journ. Atmosph. and Terrestr. Phys., v. 34, p. 85-108,1972.

77. Berger, M.J., Seltzer, S.M., Maeda, K. Some new results on electron transport in the atmosphere, Journ. Atmosph. and Terrestr. Phys., v. 36, p. 591-647, 1974.

78. Blake J.B., Selesnick R.S., Baker D.N., Kanekal S. Studies of relativistic electron injection events in 1997 and 1998, J. Geophys. Res., v. 106, N A9, p.19,157-19,168,2001.

79. Brasseur G., Solomon S., Aeronomy of the middle atmosphere: Chemistry and physics of the stratosphere and mesosphere, Dordrecht, D. Reidel Publishing Co., 457 p., 1984.

80. Brown J. W. and Stone E. C. High-energy electron spikes at high latitudes. J. Geophys. Res., v. 77, p. 3384-3396,1972.

81. Callis L.B. Stratospheric studies consider crucial question of particle precipitation. EOS, American Geophysical Union, v. 82, N. 27, p. 297-299,2001.

82. Chenette D. L., Conlon T. F., Simpson J. A., Observations in interplanetary space of relativistic electrons from Jupiter, The magnetospheres of the earth and Jupiter; Proc. of the Neil Brice Memorial Symp., Italy, p. 301-306, 1975.

83. Chenette D.L., Conlon T.F., Pyle K.R., Simpson J.A. Observations of Jovian electrons, Ap. J., N2, L95-L99, 1977.

84. Chenette D.L. The propagation of Jovian electrons to Earth. J. Geophys. Res., v.85, N. A5, p. 2243-2256,1980.

85. Cliver E.W., Kamide Y., Ling A.G. Mountains versus valleys: Semiannual variation of geomagnetic activity. J. Geophys, Res.,v. 105. p. 2413-2424,2000.

86. Cortie A. Sunspots and terrestrial magnetic phenomena, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. V.60, p. 52-60, 1912.

87. Desorgher L. ATMOCOSMICS Software User Manual, (http://reat.space.qinetiq.com/ /septimess/atmocos), 50 p., 2004.

88. Dubinin E. M., Podgorny I. M., Particle precipitation and radiation belt in laboratory experiments, J. Geophys. Res.,v. 79, N 4 p. 1426-1431, 1974.

89. Evans D. Precipitation electron fluxes formed by a magnetic field aligned potential difference. J. Geophys. Res., v.79, p. 2853-2858, 1974.

90. Feldman W. C., Asbridge J.R., Bame S.J., Gosling J.T., Long-term variations of selected solar wind properties: IMP 6,7, and 8 results, J. Geophys. Res., v.83, p. 2177-2189, 1978.

91. Ferreira S.E.S., Potgieter M.S., Burger R.A., Heber B., Fichtner H., Lopate C., Modulation of Jovian and galactic electrons in the heliosphere: 2. Radial transport of a few MeV electrons, J. Geophys. Res., v.106, N A12, p. 29313-29322, 2001.

92. Fichther H., Potgieter M., Ferreira S., Burger A. On the propagation of Jovian electrons in the heliosphere: transport modelling in 4-D phase space. Geophys. Res. Lett., v. 27, N 11, p. 1611-1614,2000.

93. Flueckiger E., Kobel E., Asymptotic directions for the stratospheric cosmic ray measurements at Murmansk and Mirny on 20 October 1989 and 24 March 1991, Proc. 23 th Intern. Cosmic Ray Conf., Calgary, Canada, v. 3, p. 789-792,1993.

94. Goldberg R.A., Baker D.N., Herrero F.A., Jackman C.H., Kanekal S., Twigg P.A.,

95. Mesospheric heating during highly relativistic electron precipitation events, J. Geomag. Geoelectr., v. 47, p. 1237-1247,1995.

96. Gonzalez W.D., Joselin J., Kamide Y. et al. What is a geomagnetic storm? J. Geophys. Res.,v. 99, p.5771-5792, 1994.

97. Gonzalez W.D., Gonzalez A.L., Tsurutani B.T. Dual-peak solar cycle distribution of intense geomagnetic storms. Planet. Space Sci., 38, 181-187,1990.

98. Gonzalez W.D., Tsurutani B.T., Mcintosh P.S., Clua de Gonzalez A.L. Coronal hole-active region-current sheet (CHARCS) association with intense interplanetary and geomagnetic activity. Geophys. Res. Lett., v.23, N19, p.2577-2580, 1996.

99. Gussenhoven M.S., Mullen E.G., Filz R.C., Brautigam D.H., Hanser F.A., New low-altitude dose measurements, IEEE Trans. Nuc. Sci., v. NS- 34, p.676-685, 1987.

100. Heckman G. Space Environment Topics, Solar Maximum. SE-13, 1999.

101. Herrero F.A., Baker D.N., Goldberg R.A. Rocket measurements of relativistic electrons: new features in fluxes, spectra and pitch angle distributions, Geophys. Res.Lett., v. 18, N8, p.1481-1484, 1991.

102. Hirasima Yo, Murakami H., Nakamoto A., Okudaira K., Suzuki H., Yamagami T., Ohta K., et al. A balloon observation of auroral X-ray images in the northern auroral zone. Mem. Nati. Inst. Rolar Res., Spec. Issue, v. 47, p. 44-55,1987.

103. Jordanova V. K., Thorne R. M., Farrugia C. J., Dotan Y., Fennell J. F., Thomsen M. F., Reeves G. D., McComas D. J., Ring Current Dynamics During the 13-18 July 2000 Storm Period, Solar Phys., v. 204, p. 361-375,2001.

104. Jordanova V. K., Kistler L. M., Farrugia C. J., Torbert R. B., Effects of inner magnetospheric convection on ring current dynamics: March 10-12, 1998, J. Geophys. Res., v. 106, p.29705-29720, 2001a.

105. Jordanova V. K., Effects of EMIC Waves Scattering on Ring Current Dynamics, American Geophysical Union, Fall Meeting 2001, aNSM51C-02,2001b.

106. Kanekal S.G., Baker D.N., Blake J.B., Looper M.D., Mewaldt R.A., Lopate C.A. Modulation of Jovian electrons at 1 AU during solar cycles 22-23. Geophys. Res. Lett., v. 30, N15, p. SSC1-1 -1-4,2003.

107. Kennel C. E., Petschek H. E. Limit of stably trapped particle fluxes. J. Geophys. Res., v. 71, N 1, p. 1-28,1966.

108. Makhmutov V. S., Bazilevskaya G.A., Podgorny A. I., Stozhkov Yu. I., Svirzhevsky N. S. The precipitation of electrons into the Earth's atmosphere during 1994, Proc. 24 ICRC, Italy, Rome, v.4, p.l 114-1117,1995.

109. Makhmutov V.S., Bazilevskaya G.A., Krainev M.B. Characteristics of the energetic electron precipitation into the Earth's polar atmosphere and geomagnetic conditions, Adv. Space Res., v. 31, No. 4, p. 1087-1092,2003.

110. Makhmutov V.S., Bazilevskaya G.A., Desorgher, L., Fluckiger, E.O., Precipitating Electron Events in October 2003 as Observed in the Polar Atmosphere, Adv. Spase Res., 2005 (accepted, in press).

111. Mal'tsev Yu.P. Electric Field induced in the magnetosphere by a sudden impulse, Inten. J. Geomag. an Aeronomy, v.l, N1, p.1-6, 1998.

112. Mcintosh D.H., On the annual variation of magnetic disturbance. Phil. Trans. Roy. Soc., ser. A, v. 251, p. 525-552,1959.

113. Morioka, A., Tsuchiya, F., Miyoshi, Y., Misawa, H., Oya, H., Furukawa, K., Duration of Jovian magnetospheric disturbances inferred from decametric radio storms, Earth Planets Science, v.54, p. 1277-1281,2002.

114. Morioka, A., Tsuchiya, F., Misawa, H., Modulation of Jovian electrons by the solar wind, Adv. Space Res., v. 20, p. 205-208,1997.

115. Mozer F. C., Carlson M., Hudson M., Torbet R., Paraday В., Xatteau I., Kelly M.

116. Observations of paired electrostatic shocks in the polar magnetosphere. Phys. Rev. Lett., v.38, p.292-295, 1977.

117. Nakagawa M., Yamagami T., Namiki M., Ohta S., Akiyama H., Matsuzaka Y., Okabe Y. at el. Observation of cosmic rays and auroral X-rays in the polar patrol balloon experiment. Advances in Space Research, v. 17, No. 9, p. 111-114, 1996.

118. Newell P.T., Lyons K.M., Meng C.-I., A large survey of electron acceleration events, J.Geophys. Res., v.101, A2, p. 2599-2614,1996.

119. Newell P.T., Feldstein Y.I., Galperin Yu. I., Meng Ching-I., Morphology of nightside precipitation, J. Geophys. Res., v. 101, p. 10737-10748, 1996a.

120. O'Brien T. P. and McPherron R. L., Seasonal and diurnal variation of Dst dynamics. J. Geophys. Res., v. 107, N All, p. SMP 3-1 -3-10, 2002.

121. Orlando M., Moreno G., Parisi M., Storini M., Semiannual variation of the geomagnetic actvity and solar wind parameters, Geophys. Res. Lett. v.20. p. 2271-2274, 1993.

122. Parks G. K., Winckler J. R., Acceleration of Energetic Electrons Observed at the Synchronous Altitude during Magnetospheric Substorms, J. Geophys. Res., v. 73, p.5786-5792,1968.

123. Parks G.K., Freeman T., McCarthy M., Werden S., Smith D., Lin R.P., Images and energy spectra of an impulsive X-ray burst observed in the Antarctic polar region, Antarctic journal of the USA, v. 27, N5, p.301-304, 1992.

124. Parks G.K., Werden S.H., McCarthy M.P., Pinhole X-ray cameras for imaging small-scaled auroras structures, Optical Engineering, v.32 (12), p.3164-3169, 1993.

125. Podgorny A.I., Podgorny I. M., Minami S. Plasma acceleration in the magnetotail as an origin of the electric field generation during a substorm, J. Geomag. Geoelectr., v. 40, p. 1099-1104,1997.

126. Podgorny A.I., Podgorny I. M., The mechanism of energy release and field-aligned current generation during substorms and solar flares, Proc. XXIII Annual Seminar, Kola Science center RAS, Apatity, p. 92-95,2000.

127. Pyle, K.R., Simpson, J.A., The Jovian relativistic electron distribution in interplanetary space from 1 to 11 AU: Evidence for a continuously emitting "point" source, Astrophys. J., v. 215, L89-L93, 1977.

128. Roelof E.C., Simnet G.M., Tappin S.J., The regular structure of shock-accelerated 40100 keV electrons in the high latitude heliosphere. Astronomy & Astrophys., v.316, p.481-486,1996.

129. Rees M. N. Auroral energy deposition rate. Planet. Spase Sci., v.40, N 2-3, p. 299-313, 1992.

130. Richardson, I. G., Cliver E. W., and Cane H. V. Sources of geomagnetic storms for solar minimum and maximum conditions during 1972-2000, Geophys. Res. Lett., v.28, p. 13,2569-13,2572, 2001.

131. Russel C.T. and McPherron R.L. Semiannual variation of geomagnetic activity. J. Geophys. Res., v. 78, p. 92-108,1973.

132. Shea M. and Smart D.F. Vertical cutoff rigidities for cosmic ray stations since 1955. Proc. 27th ICRC, Hamburg, Germany, Hamburg: Copernicus Gesellshaft, v. SH, p. 4063-4066,2001.

133. Shirochkov A.V., Makarova L.N., Sokolov S.N., Sheldon W.R., Simultaneous bursts of solar protons and relativistic electrons in the Earth's magnetosphere: what we can learn by studying these events, Absracts for Toulose Conference, Sept. 2-5, 2003.

134. Sletten A. & Stadsnes J., Auroral Zone X-ray events and their relation to polar magnetic substorms, J. Atmos.Terr. Phys., v. 23, 589-594,1971.

135. Sladkova A.I., Bazilevskaya G.A., Ishkov V.N., Nazarova M.N., Pereyaslova N.K., Stupishin A.G., Ulyev V.A., Chertok I.M, Yu.I. Logachev (ed.), Catalogue of solar proton events 1987-1996, Moscow: Moscow University Press, 248 p., 1998.

136. Smith E. J.; Tsurutani B. T.; Chenette D. L.; Conlon T. F.; Simpson J. A., Jovian electron bursts - Correlation with the interplanetary field direction and hydromagnetic waves, J. Geophys. Res. v. 81, p. 65-72,1976.

137. Solar-Geophysical Data, National Geophysical and Solar-Terrestrial Data Center. Boulder. Colorado. N274 etc., 1967-2004.

138. Storini M., Bazilevskaya G.A., Fluckiger E.O., Krainev M.B., Makhmutov V.S., Sladkova A.I.,The Gnevyshev gap: A review for space weather, Advances in Space Research, v. 31, No.4,p. 895-900,,2003.

139. Stozhkov Yu.I., Svirzhevsky N.S., Makhmutov V.S., Svirzhevskaya A.K., Kvashnin A.N., Glushkov I.A. About unmodulated cosmic ray spectrum and modulation region size. -Tokyo: Universal Academy Press, Inc., v. 7, p. 4077-4080, 2003.

140. Stozhkov Y.I., Ermakov V.I., Makhmutov V.S. Cosmic rays and atmospheric processes. Proc. 27th Intern. Cosmic Ray Conf., Hamburg, Germany, v. SH, p. 4157-4160,2001.

141. Stozhkov Y.I., Svirzhevsky N.S., Makhmutov V.S., Svirzhevskaya A.K. Long-term cosmic ray observations in the atmosphere. Proc. 27th Intern. Cosmic Ray Conf., Hamburg, Germany, v. SH, p. 3883-3886, 2001a.

142. Stozhkov Y.I., Svirzhevsky N.S., Makhmutov V.S. Cosmic ray measurements in the atmosphere. Preprint LPI No. 8. Moscow: FIAN, 21 p., 2001b.

143. Svestka Z., Simon P. (eds) Catalogue of solar proton events (1955-1969). D. Reidel Publ. Co., Dordrecht, 415 p., 1975.

144. Summers D., Thorne R.M., Relativistic electron pitch-angle scattering by electromagnetic ion cyclotron waves during geomagnetic storms, Volume 108, Issue A4, pp. SMP 2-1, CitelD 1143, DOI 10.1029/2002JA009489, 2003.

145. Teegarden B.J., F.B. McDonald, J.H. Trainor, W.R. Webber, Roelof E.C. Interplanetary MeV electrons of Jovian origin. J. Geophys. Res., v. 79, p. 3615-3622, 1974.

146. Thorne R. M., A possible cause of dayside relativistic electron precipitation events, J. Atmos. Terr. Phys., 36, 635-645, 1974.

147. Tsuchiya F., Morioka A., Misawa H., Jovian electron modulation by the solar wind interaction with the magnetosphere. Earth Planets Science, v.51, p. 987-996, 1999.

148. Tsyganenko N.A. A magnetospheric magnetic field model with a warped tail current system, Planet. Space Sci., v. 37, p.5-20, 1989.

149. Voss H.D., Mobilia D.W., Datlowe D.W., Gaines E.E. The precipitation ofrelativistic electrons near the trapping boundary, J. Geophys. Res., v. 96, n. A4, p. 56195629, 1991.

150. Watari S., The effect of the high-speed stream following the corotating interaction region on the geomagnetic activities, Ann. Geophysicae, v. 15, p. 662-670, 1997.

151. West R.H., Parks G.K. ELF emissions and relativistic electron precipitation, J. Geophys. Res., v. 89, p. 159-167,1984.

152. Willams D. J. and Trefall H. Field-aligned precipitation of 30-kev electrons. J. Geophys. Res., v. 81, p. 2927-2934,1976.

153. Williams D.J., A 27-day periodicity in outer zone trapped electron intensities, J.Geophys. Res., v.71, p.1815-1821,1966.

154. World Data Center for Geomagnetism, Kyoto, http://swdcwww.kugi.kvoto-u.ac.ip/index.html.

155. Wu J.-G., Eliasson L., Lundstedt H. et al. Space environment effects on geostationary spacecraft: analysis and prediction, Adv. Space Res., v.26, no.l, p.31-36, 2000.

156. Zelenyi L. M., Petrukovich A. A, Lutsenko V. N., Mogilevsky M. M. Interball mission generates results on magnetosphenic dynamics and magnetosphere-ionosphere interaction. EOS, Transactions, American Geophysical Union, v.85, N 17, p. 169-173, 2004.