УДК 523.62
ДИНАМИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОННЫХ СОБЫТИЙ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ
В 23-м СОЛНЕЧНОМ ЦИКЛЕ © 2012 г. И. С. Веселовский1, 2, И. Н. Мягкова1, О. С. Яковчук1
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, Москва 2Институт космических исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 15.12.2011 г.
Выявлена и проанализирована зависимость от времени энергетических спектров I(E, t) протонов в области десятков мегаэлектронвольт по наблюдениям на ИСЗ GOES в период протонных возрастаний в 23-м цикле солнечной активности. Построена аппроксимация энергетических спектров степенными функциями и найдено большое разнообразие функций I(E, t) для исследованных событий. Какая-либо универсальная зависимость спектров от времени отсутствует, однако некоторые общие черты обнаруживаются для трех групп протонных событий, что позволяет приблизиться к их эмпирической классификации в будущем с использованием ряда безразмерных масштабных параметров. Свой вклад в формирование этих закономерностей вносят динамические процессы на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере.
ВВЕДЕНИЕ
Фоновые потоки надтепловых и энергичных заряженных частиц на Солнце и в гелиосфере существуют всегда в виде хвостов у функций распределения по скоростям. Особенно сильное ускорение протонов и других ионов может иметь место во время вспышек на Солнце благодаря действию электростатических и индукционных полей, а также на фронте распространяющихся ударных волн в короне Солнца и в межпланетной среде после мощных корональных выбросов массы (КВМ). Последние движутся со сверхальве-новсой скоростью и способны ускорять всегда существующие зародышевые популяции надтепло-вых частиц, о которых пока еще имеется не так много надежной информации. Эти процессы сложны и многообразны. Они формируют величину потоков частиц, их состав, энергетическое и угловое распределение в гелиосфере, в том числе вблизи Земли. Такие увеличения протонных потоков, превосходящие заранее выбранные пороговые значения, называются "протонными событиями".
Важность исследования энергетических спектров солнечных протонных событий отмечалась в литературе в основном в связи с вопросами об источниках частиц и оценками возможных максимальных энергий и потоков (Гецелев и др., 2004; Бе1оу и др., 1995; МйтеИшсИепко, 1996; МигеИ-шсИепко и др., 2001; 2008). В настоящее время ведется поиск возможности их прогнозирования с
некоторой заблаговременностью, достаточной для практических целей предупреждения о радиационной опасности в околоземном и межпланетном космическом пространстве (Mavromikhala-ki и др., 2009; Laurenza и др., 2009; Kane, 2011). Наиболее известнный признак такой опасности — прямая магнитная связь точки наблюдения с местом вспышки на Солнце вдоль спиральных линий расчетного межпланетного поля. Западные вспышки по этой причине оказываются в среднем более эффективными.
Наблюдавшиеся в гелиосфере и магнитосфере солнечные протонные события, связанные со вспышками и корональными выбросами массы, отличаются большим разнообразием энергетических спектров и отсутствием универсальности в динамике своих основных параметров. Это разнообразие и быстрая эволюция спектров во времени объясняются процессами ускорения и распространения энергичных частиц на всех стадиях развития солнечной вспышки в короне Солнца и электромагнитного транзиента в неоднородной и нестационарной межпланетной плазме солнечного ветра, а также внутри магнитосферы.
Используемые иногда априорные представления о том, что потоки протонов в различных точках околоземного космического пространства должны быть одинаковы, в общем случае могут приводить к заметным ошибкам в интерпретации данных. Связано это с возможной анизотропией углового распределения частиц, которая бывает
Список всех протонных событий по данным ИСЗ GOES за период с 2001 по 2006 гг. "Событием" считается превышение протонного потока с энергией более 100 МэВ над уровнем 1 pfu (1 pfu = 1протон/см2 с ср). Столбцы в таблице означают: 1 — номер отобранного события; 2 — номер события по базе http://www.wdcb.ru/stp/data/cosmic.ray/G%20L%20E/A_GLE_LIST/GLEBASES.TXT наземных возрастаний потока космических лучей; 3 — дата события, 4 — начало события (день/UT), 5 — максимум (день/UT), 6 — окончание (день/UT), 7 — максимальный поток (pfu для протонов с энергией >100 МэВ), 8 — S-балл по шкале NOAA, 9 — показатель дифференциального спектра в максимуме потока протонов >100 МэВ; 10 — максимальный показатель дифференциального спектра протонов в интервале энергий 9—165 МэВ; 11 — дата вспышки на Солнце, 12 — мировое время вспышечного события, 13 — рентгеновский класс и оптический балл вспышки, 14 — координаты активной области, 15 — номер активной области по классификации NOAA
ы
U)
а\
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1 03.04.2001 03/01:20 03/07:40 03/20:50 5 3 -1.8 -3.9 02.04.2001 21:51 Х20 N18W82 9393
2 12.04.2001 12/13:05 12/17:25 12/20:10 1.5 2 -0.6 -3.5 09.04.2001 15:20 М7.9/2В S21W08 9415
3 60 15.04.2001 15/14:05 15/15:25 17/05:05 146 2 - -2.5 15.04.2001 13:50 Х14/2В S20W85 9415
4 61 18.04.2001 18/02:55 18/06:00 19/03:25 13 2 -1.9 -2.6 18.04.2001 02:14 С2 820\¥лимб 9415
5 16.08.2001 16/01:05 16/03:05 17/14:05 29 2 - -2.5 Обратная сторона Солнца
6 24.09.2001 24/14:40 25/07:55 25/19:40 31 4 -1.4 -3.6 24.09.2001 10:38 Х2/2В S16E23 9632
7 62 04.11.2001 04/16:50 06/02:20 06/23:15 253 4 -1 -3.4 04.11.2001 16:20 Х1/ЗВ N06W18 9684
8 22.11.2001 22/22:50 24/02:25 24/11:55 4.6 4 -2 -4.6 22.11.2001 23:30 M9/2N S15W34 9704
9 63 26.12.2001 26/05:55 26/07:20 26/19:35 50 2 -1.4 -3.5 26.12.2001 05:40 М7/1В N08W54 9742
10 21.04.2002 21/01:55 21/10:25 22/23:35 23 3 -0.5 -3.3 21.04.2002 01:51 X1/1F S14W84 9906
11 22.08.2002 22/03:40 22/05:10 22/06:15 1 1 -1.7 -2 22.08.2002 01:57 М5/2В S07W62 69
12 64 24.08.2002 24/01:30 24/02:10 24/18:25 29 2 -0.8 -3.5 24.08.2002 01:12 X3/1F S08W90 69
13 26.10.2003* 1 1 -3.7 -4 26.10.2003 18:19 X1/N1 N02W38 484
14 65 28.10.2003 28/11:50 29/00:15 31/01:45 186 4 -1.7 -3.6 28.10.2003 09:51 Х17/4В S16E08 486
15 66 29.10.2003 28/11:50 29/00:15 31/01:45 186 4 -1.8 -3.7 29.10.2003 20:37 Х10/2В S17W10 486
16 67 02.11.2003 02/17:40 02/19:05 03/17:20 49 3 -0.8 -4 02.11.2003 17:03 Х8.3 S17W63 486
17 05.11.2003 05/05:35 05/05:40 05/07:05 1 2 -0.7 -4 04.11.2003 19:29 Х28/ЗВ S19W83 486
18 01.11.2004 01/06:41 01/06:45 01/08:00 1 1 -1 -2.6 Обратная сторона Солнца
19 07.11.2004 10/03:20 10/03:30 11/12:55 2 2 -3.6 -4.1 07.11.2004 16:06 Х2 N09W17 696
20 68 17.01.2005 17/12:15 17/17:00 18/22:05 28 3 -1.5 -2.2 15.01.2005 23:02 Х2 N15W05 720
21 69 20.01.2005 20/06:50 20/07:10 21/18:45 652 3 - -2.5 20.01.2005 06:36 Х7 720
22 16.06.2005 16/21:25 16/23:15 17/07:30 3 1 -1 -1.3 16.06.2005 20:22 М4 N09W87 775
23 08.09.2005 08/04:05 09/19:20 11/05:45 8 3 -0.2 -3.3 07.09.2005 17:40 Х17/ЗВ S06E89 808
24 06.12.2006 07/01:15 7/16:10 09/07:35 19 3 -1.5 -2.6 05.12.2006 10:35 X9/2N S07E79 930
25 70 13.12.2006 13/03:00 13/05:25 14/11:50 88 2 - -3.2 13.12.2006 02:40 ХЗ/4В S05W23 930
26 14.12.2006 14/22:55 15/00:15 14/03:25 2 2 2 2 13.12.2006 02:40 ХЗ/4В S05W23 930
>
О Н ч о д о
и о
К »
и
и о н д
S
£
И
и о
о и
о
к=
К
h тз
* Событие 13 от 26.10.2003 очень мало, поэтому невозможно определить характеристики его развития во времени.
АРЕУ-217
60
о М о ч я
=К
3 я
л
4 се
- 1
м о
с
4|
3 я
л
3 ¡3 я я я
2 I
л
о
-е -е
я Д
4 5
Дни апреля 2001 года
Рис. 1. Поток солнечных протонов и их дифференциальный спектральный индекс в интервале энергий 9—165 МэВ в зависимости от времени (нижняя часть). Геомагнитные индексы Ар и Dst, скорость, плотность и температура солнечного ветра, напряженность межпланетного магнитного поля В, Вг, Вх, Ву с 1 по 7 апреля 2001 г. (верхняя часть) — событие 1.
6
1
2
3
7
8
иногда весьма значительной. В зависимости от характера этой анизотропии может происходить фокусировка частиц в местах более сильного поля (при вытянутой форме углового распределения относительно магнитного поля) или ослабление и отражение потоков частиц в местах с наибольшей напряженностью поля при сплющенной форме
углового распределения. Этими же процессами иногда удается объяснить наблюдение заполненных и пустых секторов межпланетного магнитного поля, а также факты накопления или отсутствие накопления вблизи ударных волн и разрывов. Кроме того, заметную роль могут играть местные механизмы ускорения частиц, разнооб-
Л <
APEV-221 200 100 Н 0 * -100 -200 800
Р
о
600 Г
В
со
н
ж
1
100 10 1
20 0 -20
10
11 12 13
Дни апреля 2001 года
14
15
- 4
о
а
е д
н и
« 3
н
л §
а
е п
о «
н
л
Нз 2
и
н
е р
е
1 о
и
Д
16
Рис. 2. То же самое, что и на рис. 1, с 9 по 15 апреля 2001 г.
5
9
разие реализации которых исключительно велико. Многообразие, сложность и недостаточная изученность солнечного корпускулярного излучения вынуждают использовать в практических приложениях статистические и вероятностные модели, в особенности когда это касается вопросов прогнозирования радиационной обстановки и различных технических стандартов (Гецелев и др., 2001).
Первые указания на разнообразие энергетических спектров и интенсивности солнечных протонных событий были получены довольно давно
при сравнении наземных и стратосферных измерений после сильных солнечных вспышек (Ча-рахчьян и др., 1961). Тогда же было высказано предположение о зависимости наблюдаемой картины в космических лучах от плазменно-динами-ческой обстановки в гелиосфере, хотя прямые доказательства этой гипотезы отсутствовали. Они были представлены на основе качественного рассмотрения с использованием спутниковых данных для ряда недавних событий без детального анализа формы энергетических спектров (Весе-ловский и др., 2011).
APEV-223
- 3
- 2
$ (D
э
к «
3
X л
а
<D
С
о «
Я
А §
К
к
<D
л
1 О 1 О
к Д
15
16
17 18 19
Дни апреля 2001 года
20
21
22
Рис. 3. То же самое, что и на рис. 1, с 15 по 21 апреля 2001 г.
В данном сообщении выполнен более подробный количественный анализ энергетических спектров с исполь
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.