ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 6, с. 860-862
УДК 523.62-726
CУТОЧНАЯ ВАРИАЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ, СВЯЗАННАЯ С МАГНИТНОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНЫМИ ТОКОВЫМИ СИСТЕМАМИ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ ЗЕМЛИ © 2011 г. А. E. Левитин, Л. И. Громова, Л. А. Дремухина
Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. Н.В. Пушкова РАН, Троицк E-mail: levitin@izmiran.ru
Измерения интенсивности космических лучей, проводимые в полярных шапках (нейтронный монитор Туле, геомагнитная широта 84.8° и Мак-Мёрдо — широта —79.9°, данные за 2007—2009 гг.) используются для проверки воздействия на эту интенсивность магнитного поля, создаваемого магни-тосферными токами, текущими в области высоких широт вдоль силовых линий геомагнитного поля. Наличие такой связи в районе, где эти силовые линии практически радиальны, меняет существующее мнение о том, что частицы космических лучей в области полярных шапок имеют беспрепятственный доступ в атмосферу.
ВВЕДЕНИЕ
Измеряемое в любой точке околоземного пространства переменное магнитное поле Земли — это сумма полей от различных токовых источников: ток на магнитопаузе (ЭСР), токовая система кольцевого тока (ЭЯ), токовая система хвоста магнитосферы (ЭТ), и токовая система в высокоширотной части магнитосферы (ЭР) [1]. В ИЗМИРАН создана модель трехмерных высокоширотных токовых систем, контролируемых параметрами межпланетной среды [2]. На основе этой модели можно проводить оценку пространственно-временного распределения продольного, текущего вдоль силовых линий, геомагнитного поля тока в области высоких широт. Наличие такого тока в полярной шапке, где он направлен практически вдоль радиуса Земли, приводит к генерации магнитного поля, направленного перпендикулярно этому радиусу. Это поле реально фиксируется магнитометрами, установленными на космических аппаратах, орбиты которых проходят через область высокоширотной магнитосферы [2] . Таким образом, проходящая через полярную шапку частица космических лучей с малой энергией может не иметь беспрепятственного доступа в атмосферу. А так как интенсивность продольного тока зависит от ситуации в межпланетной среде на уровне орбиты Земли, может существовать вариация интенсивности космических лучей, регистрирующихся мониторами станций, расположенных в полярной шапке. При этом, как следует из модели ИЗМИРАН и экспериментальных магнитных данных, интенсивность существующих продольных токов в полярной шапке зависит от положительной вертикальной компоненты (Бг > 0) межпланетного магнитного поля (ММП), поэтому значительные продольные токи возникают при отсутствии известных геомагнитных
возмущений (суббури, бури), обусловленных Bz < < 0 ММП, на фоне спокойного состояния геомагнитной активности, определяемой индексами геомагнитной активности Dst, Kp, AE(AU, AL), Pc.
В настоящей работе мы, опираясь на модель ИЗМИРАН, проводим проверку возможной связи интенсивности космических лучей (нейтронные мониторы в Туле, геомагнитная широта 84.8°, и Мак-Мёрдо — геомагнитная широта —79.9°, данные за 2007-2009 гл) с Bz >0 ММП. При этом мы не включаем в рассмотрение связь с By компонентой вектора ММП, так как продольный ток, контролируемый By, в основном сосредоточен в районе каспа, тогда как продольный ток, контролируемый компонентой Bz > 0, занимает всю полярную шапку.
МОДЕЛЬ ИЗМИРАН ВЫСОКОШИРОТНЫХ ТОКОВЫХ СИСТЕМ
Модель ИЗМИРАН [2] крупномасштабных геомагнитных вариаций и токовых систем в высоких широтах была создана на основе корреляции среднечасовых значений горизонтальных (X, Y) компонент вектора магнитного поля Земли, измеренных на конкретных высокоширотных обсерваториях, с параметрами солнечного ветра: скоростью (V), плотностью плазмы (N) солнечного ветра, компонентами Bz и By вектора ММП. Через геомагнитные вариации были определены высокоширотные токовые системы, которые их создают. Каждый из параметров модели Р(Ф', MLT) описывается суммой:
Р(Ф',MLT) = Ky х By + Kz х Bz + P0±. Здесь By и Bz — компоненты вектора ММП, а коэффициенты K± и слагаемое Р0± различны в зависимо-
СУТОЧНАЯ ВАРИАЦИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
861
сти от знака В7: К+ и Р0+ отвечают ситуации в ММП В7 > 0, а К- и р- — ситуации В7< 0. Модель представляет собой совокупность наборов К± и Р0± для трех сезонов года и двух полушарий Земли, позволяющих получить амплитуды любого из параметров: потенциала электрического поля в ионосфере, ионосферного тока, поперечного и продольного токов в ионосфере. При анализе связи интенсивности космических лучей с продольными токами нас интересует единственный параметр — продольный ток, контролируемый В7 > 0 ММП.
АНАЛИЗ СВЯЗИ ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С ПРОДОЛЬНЫМИ ТОКАМИ В ПОЛЯРНОЙ ШАПКЕ
Модель ИЗМИРАН предсказывает наличие продольных токов в полярной шапке, интенсивность которых наиболее существенно зависит от величины В7 > 0 ММП. Если магнитное поле от такой системы токов влияет на космические лучи, то с ростом амплитуды В7 ММП интенсивность космических лучей, регистрируемая в полярных шапках, должна уменьшаться, т.е. должна существовать вариация космических лучей, связанная с амплитудой В7 > 0 ММП. Для проверки этого предположения были выбраны май—август месяцы трех исключительно спокойных по солнечной активности лет (2007—2009 гг.). Часовые данные мониторов космических лучей (Туле и Мак-Мёрдо) в периоды, когда в эти месяцы в течение 3 ч подряд среднечасовые амплитуды В7 > 0 ММП находились в диапазонах 1—3 и 3—5 нТл, были сопоставлены между собой.
На рисунке показаны гистограммы распределения интенсивности космических лучей на станции Туле при разных условиях в межпланетном магнитном поле. Гистограмма отражает вычисленное процентное выражение количества амплитуд каждого из указанных диапазонов интенсивности космических лучей от полного числа анализируемых среднечасовых данных, удовлетворяющих условиям отбора значений В7-компоненты: В7 = 1.7 и 3.77 нТл. По оси ординат приведены эти процентные выражения, а по оси абсцисс — диапазоны интенсивности космических лучей, которым они соответствуют. Стрелками на рисунках ограничены диапазоны интенсивно-стей около максимума числа попаданий анализируемых амплитуд, в которые попадают около 50% всех исследуемых событий. Рисунок а отражает события, при которых среднее значение В7 равно 1.71 нТл, при этом среднее значение интенсивности космических лучей (часовые значения) было 14029. Рисунок б повторяет рисунок а при В7 = 3.77 нТл, при котором среднее значение интенсивности космических лучей (часовые значения) было 13751.
Подобные гистограммы построены и для станции Мак-Мёрдо, и они демонстрируют такой же ха-
20% 10%
В7 = 1.7 нТл
I
Туле
20% 10%
13600 13800 14000 14200 Интенсивность
космических лучей
В7 = 3.77 нТл &
13600 13800 14000 14200 Интенсивность космических лучей
Гистограммы распределения интенсивности космических лучей на станции Туле при разных условиях в межпланетном магнитном поле. По оси ординат показано процентное содержание числа событий с интенсивностью космических лучей, указанных на шкале абсцисс, от полного числа анализируемых среднечасовых данных, удовлетворяющих условиям выбора значений В7 компоненты: В7 = 1.7 (а) и 3.77 нТл (б). Стрелки показывают тот диапазон интенсивностей около максимума числа попаданий анализируемых амплитуд, в который попадает около 50% всех исследуемых событий (см. текст).
рактер распределения интенсивности космических лучей при тех же значениях В7. На мониторе Мак-Мёрдо средние значения интенсивности космических лучей составляют 31385 при В7 = 1.7 нТл и 30442 при В7 = 3.7 нТл.
Оценка средних значений амплитуд интенсивности космических лучей, зарегистрированных мониторами этих станций для двух диапазонов значений В7 ММП, показывает, что эти средние амплитуды уменьшаются при росте В7 > 0 ММП. Таким образом, временная динамика продольных токов, контролируемых В7 > 0 ММП, влияет на интенсивность космических лучей, измеряемых в полярных шапках нейтронными мониторами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Спутниковые измерения в полярных шапках Земли показали, что там присутствуют токи, текущие вдоль силовых линий геомагнитного поля, которые в этих областях высокоширотного пространства практически радиальные. Согласно модели ИЗМИРАН [2], интенсивность этих токов контролируется положительной вертикальной компонентой В7 > 0 вектора ММП, продольные токи возрастают с ростом ее амплитуды. Эти продольные токи создают магнитное поле, способное влиять на интенсивность космических лучей, измеряемую в по-
а
862
ЛЕВИТИН и др.
лярных шапках. Совместный анализ данных измерений интенсивности космических лучей, проводимых в нейтронными мониторами в Туле и Мак-Мёрдо, и интенсивности продольных токов, контролируемых Бг > 0 компонентой вектора ММП, показал, что в выбранный период анализа данных (май—август 3 лет значительного минимума солнечной активности 2007—2009 гт) интенсивность космических лучей на указанных станциях уменьшается с ростом амплитуды: Бг > 0 компоненты вектора ММП. Наличие такой связи меняет мнение о том, что все частицы косми-
ческих лучей в области полярных шапок имеют беспрепятственный доступ в атмосферу.
Авторы поддерживаются РФФИ, грант № 08-0500896.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Feldstein Y.I., Levitin A.E., Kozyra J.U. et al. // J. Geo-phys. Res. 2004. V. 110(A11). P. 11214.
2. Feldstein Ya.I., Levitin A.E. // J. Geomag. Geoelectr. 1986. V. 38. P. 1143.
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.