ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 304-309
УДК 524.1:550.385
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЙ НА ФАЗЕ РОСТА 24-го ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ © 2014 г. В. Г. Григорьев, С. А. Стародубцев, Д. Д. Исаков
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, г. Якутск
e-mail: grig@ikfia.sbras.ru Поступила в редакцию 12.03.2013 г. После доработки 19.07.2013 г.
По измерениям спектрографа космических лучей им. А.И. Кузьмина исследован энергетический спектр форбуш-понижений, наблюдавшихся на фазе роста 24-го цикла солнечной активности в 2010—2012 гг. Использованы данные регистрации нейтронного монитора 24-NM-64 и мюонных телескопов, установленных на уровнях 0, 7, 20 и 40 м водного эквивалента. Проведенный анализ показал, что на фазе роста 24-го цикла солнечной активности наблюдается более мягкий энергетический спектр, чем в предыдущем 23-м. Сделан вывод о существовании в текущем 24-м цикле более турбулентного межпланетного магнитного поля и о преобладании диффузионного механизма в формировании форбуш-понижений интенсивности космических лучей.
DOI: 10.7868/S0016794014030067
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования энергетического спектра фор-буш-понижений проводились многими авторами [Кузьмин, 1968; Sakakibara et al., 1987; Despotash-vili et al., 1999; Wawrzynczak and Alania, 2011]. Ими была изучена и обнаружена зависимость жест-костного (или энергетического) спектра эффектов Форбуша от уровня и фазы солнечной активности, а также от знака полярности общего магнитного поля Солнца. В работе [Герасимова и др., 2000] по данным регистрации интенсивности космических лучей (КЛ) на станциях мировой сети нейтронных мониторов и мюонных телескопов Якутского спектрографа исследован энергетический спектр форбуш-понижений, наблюдавшихся в 1965—1994 гг. В ней подтверждена зависимость показателя у энергетического спектра форбуш-по-нижений от фазы солнечного цикла и установлена значимая корреляционная связь с уровнем турбулентности межпланетного магнитного поля (ММП). При этом отмечено, что изменение уровня турбулентности ММП может являться одним из основных факторов, определяющих динамику энергетического спектра форбуш-понижений. В работах [Григорьев и Стародубцев, 2011; Starodubt-sev and Grigoryev, 2011] с использованием данных нейтронных мониторов и мюонных телескопов был продолжен анализ форбуш-понижений, наблюдавшихся в 20-23-м циклах. В них показано, что энергетический спектр понижений интенсивности КЛ в 23-м цикле солнечной активности является существенно более жестким, чем в трех предыдущих циклах, и приведены свидетельства
того, что в 23-м цикле солнечной активности в области частот, соответствующих резонансному рассеянию КЛ на неоднородностях ММП, наблюдался относительно низкий уровень турбулентности солнечного ветра. На основании выше приведенного, авторами был сделан вывод, что жесткий спектр форбуш-понижений, наблюдавшийся в 23-м цикле солнечной активности, отражает существование в этот период более регулярного ММП. Это, в свою очередь, указывает на то, что в это время в межпланетной среде преобладали межпланетные поршневые ударные волны, которые могли приводить к формированию фор-буш-понижений с жестким энергетическим спектром [Крымский и др., 2009].
Целью данной работы является анализ энергетического спектра форбуш-понижений на фазе роста 24-го цикла солнечной активности.
2. СПЕКТРОГРАФ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ им. А.И. КУЗЬМИНА
Для изучения свойств энергетических спектров форбуш-понижений мы использовали 1-часовые данные регистрации Якутского спектрографа КЛ им. А.И. Кузьмина. Спектрограф расположен в пункте с географическими координатами 61°59' N 129°41' Е и высотой над уровнем моря 95 м; порог геомагнитного обрезания Е = 1.65 ГВ [Оп§огуеу й а1., 2012]. В состав спектрографа входят нейтронный монитор 24-ММ-64 и 4 однотипных мюонных телескопа, установленных на поверхности Земли — 0 м водного эквивалента (м в.э.)
и в шахте на глубинах 7; 20 и 40 м в.э., которые далее будем обозначать как МТ0, МТ7, МТ20 и МТ40. Каждый телескоп состоит из 52-х газоразрядных счетчиков СГМ-14 и на основе тройных совпадений регистрирует интенсивность мюо-нов, рожденных при взаимодействии КЛ с атмосферой Земли, из пяти направлений — вертикаль, 30 и 60° к северу и югу от зенита. По оценке авторов приборы спектрографа КЛ имеют следующие эффективные энергии: нейтронный монитор — 12 ГэВ в минимуме солнечной активности и 13.5 ГэВ — в максимуме, мюонные телескопы МТ0 - 33 ГэВ, МТ7 - 43 ГэВ, МТ20 - 64 ГэВ и МТ40 — 99 ГэВ. Здесь под термином "эффективная энергия", понимается энергия частиц, для которых наблюдаемые некоторым прибором вариации равны вариациям в первичном спектре КЛ [Крымский, 1969].
В настоящее время спектрограф функционирует в непрерывном, 1-минутном и 1-часовом режимах. С мая 2009 г. все данные о приземном давлении и интенсивности КЛ передаются в режиме реального времени на сервер базы данных Института через сеть "Наука" Якутского научного центра СО РАН. Они доступны всем заинтересованным пользователям сети Интернет посредством интерактивных запросов через WEB-сервер по адресу http://www.ysn.ru/ipm.
3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРА
Наличие нескольких приборов, расположенных в одном месте и имеющих различную энергетическую чувствительность, позволяет наиболее корректно оценивать показатель энергетического спектра форбуш-понижений.
Если ожидаемый спектр форбуш-понижения представить в виде простой степенной функции
а0Е где а0 - некоторая неизвестная постоянная, а Е- — энергетический спектр, то его амплитуда А (или изменения интенсивности КЛ 8///, наблюдаемые некоторым прибором) определяется выражением
ности КЛ 8/// для ¡-го иу-го приборов можно записать [Шафер и др., 1967]
А =
51 = | а0ЕгЩЕ) йЕ.
Здесь ЕтЬ - минимальная энергия, которую способен зарегистрировать данный прибор; Ж(Е) -коэффициенты связи [Дорман, 1957], которые зависят от фазы солнечной активности. При регистрации события двумя различными приборами, для отношения амплитуд понижений интенсив-
ц /1
| Е-1 Е) йЕ
- т 1 п_
да '
| Еу ( Е) й Е
т.е. из сравнения отношений наблюдаемых и ожидаемых амплитуд эффекта Форбуша, зарегистрированного различными детекторами, можно оценить величину показателя энергетического спектра понижения КЛ у. При этом ошибка его определения 8у для некоторого ¡-го прибора определяется выражением
5 у1 =
Аг 5 у. + А1 5 у г
где Аг - амплитуда эффекта, зарегистрированного мюонным телескопом на уровне 0 м в.э., который использовался нами в качестве реперного. Среднюю ошибку определения у для события по измерениям всего спектрографа КЛ можно найти из выражения
5 у =
1
Расчет ожидаемых отношений амплитуд проводился в интервале изменений показателя степенного спектра у от 0 до 2 с шагом 0.1 [Григорьев и Стародубцев, 2011]. При этом использовались коэффициенты связи, рассчитанные в работе [Крымский и др., 2005].
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Прошедший 23-й цикл солнечной активности во многом являлся весьма необычным. Он характеризовался аномально низким числом геоэффективных событий солнечных вспышек и коро-нальных дыр, отсутствием больших магнитных бурь [ЬМюу, 2013]. Особенно его аномальные свойства проявились во время глубокого минимума активности Солнца в 2008-2009 гг. Именно тогда были зарегистрированы наименьшие величины напряженности ММП за всю историю их
да
г
4
да
Е
306
ГРИГОРЬЕВ и др.
Амплитуда эффектов Форбуша (А) по данным спектрографа КЛ им. А.И. Кузьмина, показатель спектра (у) и величина статистической ошибки его определения (8у)
Дата ANM: % АМТО % АМТ7: % АМТ2СЪ % АМТ40: % Y Sy
04.06.2011 г. 3.4 1.6 1.2 0.9 0.8 0.75 0.09
09.06.2011 г. 1.8 0.9 0.5 0.4 0.3 1.15 0.14
10.06.2011 г. 2.5 1.5 0.8 0.5 0.4 1.25 0.08
17.06.2011 г. 3.1 2.1 1.7 1.1 0.7 0.72 0.06
23.06.2011 г. 3.4 1.5 1.2 0.8 0.4 0.88 0.09
11.07.2011 г. 2.9 1.2 0.9 0.5 0.4 0.98 0.11
05.08.2011 г. 4.7 1.8 1.1 0.9 0.8 1.05 0.08
08.03.2012 г. 12.2 4.8 3.4 2.1 1.4 1.05 0.03
03.09.2012 г. 5.4 2.9 2.1 1.2 0.7 1.03 0.04
прямых наблюдений, а в области энергий от единиц МэВ до десятков ГэВ наблюдался аномально высокий уровень интенсивности КЛ [Krainev et al., 2013; Struminsky, 2013].
Текущий 24-й цикл также во многом продолжает проявлять аномальные свойства. Начало нового цикла было весьма затянутым во времени, и явный рост числа солнечных пятен Rz и радиоизлучения (/10.7) начал проявляться только во второй половине 2009 г. До сих пор этот цикл характеризуется весьма низким числом солнечных пятен (среднемесячное значение Rz < 100). Первая вспышка класса М произошла только через год после начала цикла 19 января 2010 г. А первая умеренная геомагнитная буря, причиной которой был выброс корональной массы, зарегистрирована 5 апреля 2010 г. (Kp = 7, Dst = -81 нТл). За прошедшее время на видимой полусфере Солнца произошло 25 значительных солнечных вспышек класса M6.1-X6.9, но все они имели относительно низкую геоэффективность: за весь текущий 24-й цикл зарегистрировано только 9 интенсивных геомагнитных бурь, в которых индекс геомагнитной возмущенности Dst < -100 нТл. Результаты работы [Kane, 2012] также подтверждают, что в рассматриваемое время наблюдались мощные солнечные вспышки, сопровождавшиеся слабой геоэффективностью. Соответственно этому на фазе роста 24-го цикла наблюдалось относительно малое число форбуш-понижений с небольшой амплитудой. Было зарегистрировано только одно значительное понижение интенсивности КЛ с амплитудой ~10%, начавшееся 9 марта 2012 г.
В то же время, в рассматриваемый период происходили события, когда эффекты понижения в КЛ наблюдались и по данным мюонного телескопа на уровне 40 м в.э. Для примера на рис. 1 при-
ведена зависимость интенсивности КЛ от времени в 2011 г., когда все приборы спектрографа зарегистрировали 4; 9; 10; 17 и 23 июня 5 форбуш-понижений.
Для исследования динамики показателя спектра у в форбуш-понижениях, наблюдавшихся в период фазы роста 24-го солнечного цикла, нами выбрано 9 событий. В таблице указаны даты начала исследованных форбуш-понижений, максимальные амплитуды А, зар
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.