ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 40, № 8, с. 575-581
УДК 524.1
АНАЛИЗ ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЙ В ПЕРИОДЫ СИЛЬНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В МАРТЕ-АПРЕЛЕ 2001 г.
© 2014 г. М. В. Кравцова*, В. Е. Сдобнов
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск
Поступила в редакцию 24.01.2014 г.
По данным наземных наблюдений космических лучей (КЛ) на мировой сети станций нейтронных мониторов во время форбуш-понижений в марте—апреле 2001 г. методом спектрографической глобальной съемки исследованы вариации жесткостного спектра, анизотропии КЛ и планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания. При совместном анализе данных наземных и спутниковых измерений, в рамках модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями гелиосферы, определены параметры жесткостного спектра КЛ, отражающие электромагнитные характеристики полей гелиосферы за каждый час наблюдений. Приведены жесткостные спектры вариаций, а также относительные изменения интенсивности КЛ с жесткостями 4 и 10 ГВ в солнечно-эклиптической геоцентрической системе координат в отдельные периоды исследуемых событий.
Ключевые слова: космические лучи, форбуш-понижение.
DOI: 10.7868/80320010814070043
ВВЕДЕНИЕ
Форбуш-понижением называется внезапное падение интенсивности потока космических лучей (КЛ) с фазой восстановления, обычно длящейся несколько дней в результате межпланетных возмущений (Форбуш, 1938; Локвуд, 1971). Исследователи с большим интересом изучают форбуш-понижения с момента их открытия в 1930 г. Эти явления достаточно сложные, нуждаются в комплексном подходе и до настоящего времени вопрос о полном понимании форбуш-понижения остается открытым.
Существуют два основных типа форбуш-понижения (Кайн, 2000). Первый тип — непериодические форбуш-понижения, вызываются межпланетными событиями, связанными с ко-рональными выбросами массы (КВМ), которые усиливают магнитное поле и имеют петлеобразную конфигурацию (Кайн, 2000; Барден, 1973). Этот тип форбуш-понижения отличается внезапным началом, достигает максимальной депрессии примерно через день и характеризуется постепенной фазой восстановления. Второй тип — периодические форбуш-понижения, имеют постепенное начало и симметричны по профилю, как правило, связаны с высокоскоростными потоками солнечного ветра (СВ) (Кайн и др., 1996; Кайн, 2000).
Электронный адрес: rina@iszf.irk.ru
Изучение форбуш-понижений, обусловленных КВМ, составляет важное направление в рамках проблемы, связанной со спорадическими явлениями в гелиосфере, ответственными за динамику плазмы СВ и межпланетного магнитного поля (ММП), геомагнитные возмущения, динамику потоков высокоэнергичных частиц и переноса энергии в системе Солнце—Земля.
Активность Солнца в марте—апреле 2001 г., сопровождавшаяся многочисленными солнечными вспышками и КВМ, привела к существенным эффектам в КЛ и магнитосфере Земли. В предлагаемой работе исследуются два форбуш-понижения, наблюдавшиеся с 31 марта по 2 апреля и 11 — 14 апреля 2001 г. на фоне сильных геомагнитных бурь. Согласно (Ванг и др., 2003) в марте—апреле 2001 г. в межпланетном пространстве наблюдались магнитные облака сложной структуры, образованные в результате последовательных КВМ. Поэтому исследуемые эффекты можно отнести форбуш-понижениям первого типа.
Мощная рентгеновская вспышка класса X.17, произошедшая 29 марта в ^09 : 57 UT в активной области 9393 (координаты N20, W19), стала источником сильной геомагнитной бури 31 марта 2001 г. (Dst-индекс 387 нТл), продолжавшейся более 24 ч, и форбуш-понижения в КЛ с небольшой амплитудой. В среднем по наблюдениям на мировой сети нейтронных мониторов понижение
интенсивности КЛ было в пределах -—(2—3%).
10 апреля 2001 г. в 05 : 26 ^ в активной области 9415 (координаты S23, W09) произошла вспышка балла Х2.3, в результате чего 11 апреля 2001 г. наблюдалась также сильная геомагнитная буря (Dst-индекс 271 нТл), и на станциях КЛ было зарегистрировано форбуш-понижение. Спад интенсивности КЛ в этот период был значительно больше, чем в событии 31 марта. На низкоширотных станциях амплитуда модуляции составляла -—8%, на среднеширотных — -—14% и на высокоширотных — -—18%. При этом следует отметить, что в обоих событиях наблюдались практически одинаковые параметры СВ (модуль ММП -30—40 нТл, а скорость СВ -700 км/с). Отличалось лишь значение Bz-компоненты ММП, 31 марта Bz-компонента изменилась до — 40 нТл, а
11 апреля составляла — 10 нТл.
ДАННЫЕ И МЕТОД
Для анализа использовались данные мировой сети станций нейтронных мониторов (42 нейтронных монитора) (ftp://cr0.irmiran.rssi.ru), исправленные на давление и усредненные за часовые интервалы, и данные космического аппарата GOES-10(http://spidr.ngdc.gov/spidr/index.html). Амплитуды модуляции отсчитывались от фонового уровня 11 марта 2001 г.
Анализ выполнен с применением метода спектрографической глобальной съемки (СГС) (Дворников и др., 1983; Дворников, Сдобнов, 2002), позволяющего по данным наземным наблюдений исследовать вариации жесткостного спектра и анизотропии КЛ, а также — изменения планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания за каждый час наблюдений.
Ранее в работах (Дворников и др., 1978а, б) было обнаружено, что в периоды форбуш-понижений в распределении частиц по питч-углам наряду с первой наблюдалась и вторая гармоника с амплитудой -3—5%. Обнаруженное явление анизо-тропизации КЛ указывает на относительно слабое рассеяние частиц полями СВ, а следовательно, и на иную, по сравнению с конвективно-диффузионной моделью (Топтыгин, 1983), природу модуляционных эффектов.
В связи с этим для интерпретации обнаруженного явления была предложена альтернативная модель модуляции (Дворников, 2002б), согласно которой определяющее влияние на функцию распределения КЛ в межпланетном пространстве оказывают эффекты, накапливающиеся при многократном вращении частиц по ларморовской окружности: дрейфовые движения, изменения питч-угла
вследствие сохранения поперечного адиабатического инварианта и изменения энергии частиц в регулярных полях СВ. В рамках данной модели сильная питч-угловая анизотропия является отражением структурных особенностей крупномасштабных полей в межпланетном пространстве (таких, например, как магнитные ловушки), обусловленных неоднородностью по гелиодолготе и нестационарностью истечения СВ в источнике, т.е. является индикатором динамических процессов в гелиосфе-ре. По данным космических аппаратов анизотропия КЛ может достигать значительной величины и наряду с первой гармоникой иметь более высокие гармоники (Ричардсон и др., 2000).
В последнее время многие исследователи (Крымский и др., 2008; Петухов, Петухов, 2009) также приходят к выводу, что наряду с турбулентным ММП большую роль в модуляции КЛ играют крупномасштабные электромагнитные поля СВ. При описании модуляции КЛ в солнечном цикле (Усоскин и др., 2005) используют "модель силового поля", этим подразумевая роль регулярных крупномасштабных полей СВ, введя в аппроксимацию первичного спектра так называемый "модуляционный параметр".
Нами для описания жесткостного спектра КЛ в широком диапазоне энергий использовалось выражение, полученное в предположении, что жест-костной спектр в Галактике описывается степенной функцией по полной энергии КЛ, а изменение их интенсивности в межпланетном пространстве происходит (из-за изменения энергии в регулярных электромагнитных полях гелиосферы) в соответствии с теоремой Лиувилля, т.е. при условии постоянства плотности частиц вдоль траектории движения в фазовом пространстве (Дворников и др., 2013).
Выражение жесткостного спектра КЛ имеет вид
= А-
е - ее
2\ 3/2
(в + Де)2 — е0
е + Ае То + ео
-1
(1)
где е — полная энергия частиц с жесткостью К, в0 — энергия покоя, Т0 — кинетическая энергия, при которой интенсивность КЛ соответствующей жесткости равна А, 7 — спектральный индекс галактического спектра КЛ, Де — изменение полной энергии частиц в электромагнитных полях гелиосферы.
Величина де показывает, на сколько изменяется энергия частицы при движении от границы ге-лиосферы до точки наблюдения. Ее можно рассчитать согласно выражению (2), которое включает параметры, характеризующие изменения энергии за счет потенциальной, поляризационной,вихревой
е
АНАЛИЗ ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЙ
577
составляющих электромагнитного поля и парамет ра Ro:
Ае =
(2)
Аерг + е - Jß (е2 - е2) + е2 +
+ е (1 - e-a/2) , если R < Rq, Aept + e(Ro) (1 - e-a/2) , если R > Rq,
где Aept = ZeU (Ze — заряд частиц, U — потенциал индуцированного электрического поля)— потенциальная составляющая; Aept делится на две составляющие: Aei — (R>b + R0), Ае2 — (R<b + Ro). Константа b = 5 ГВ; a = E2t/В2 -поляризационная составляющая (Epi — напряженность поляризационного поля, В — переменное во времени магнитное поле); в = В0/В — вихревая составляющая (В0 — напряженность фонового, а В — переменного во времени ММП); R0 — жесткость частиц.
Параметры жесткостного спектра КЛ Ае1, Ае2, a, в и R0 отражают следующие характеристики гелиосферы:
— параметр Ае1 характеризует изменения энергии КЛ за счет градиентного и центробежного дрейфов частиц в спиралевидном ММП против индуцированного электрического поля и пропорционален напряженности ММП;
— параметр Ае2 характеризует изменения энергии КЛ внутри магнитних ловушек;
— параметр a отражает влияние на спектр КЛ поляризационных электрических полей, возникающих при распространении ускоренных на Солнце частиц в неоднородных полях гелиосферы;
— параметр в отражает влияние на спектр КЛ (при магнитной жесткости частиц R < R0) нестационарных во времени мелкомасштабных магнитных полей;
— параметр R0 характеризует жесткость частиц, ларморовский радиус которых равен размерам областей с нестационарными электромагнитными полями.
РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА
На рис. 1 приведены данные наблюдений протонных интенсивностей с жесткостью 0.221 и 10 ГВ совместно с результатами расчетов с использованием модельного спектра (Дворников и др., 2013) и полученных значений его параметров; вариации изотропной составляющей интенсивности первичных КЛ с жесткостью 4 и 10 ГВ; амплитуды первой A1 и второй A2 гармоник питч-углового распределения К
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.