ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 672-675
УДК 524.1-352
ГОДОВАЯ ВАРИАЦИЯ И ГЕЛИОШИРОТНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПЛОТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
© 2015 г. А. В. Белов1, Р. Т. Гущина1, Ю.В. Балабин2
E-mail: rgus@izmiran.ru
Для сравнительно спокойных лет последних шести солнечных циклов из вариаций плотности космических лучей (КЛ) выделены годовые и полугодовые волны и изучена их связь и связь вариаций плотности КЛ с гелиоширотой Земли. Полученные гелиоширотные зависимости сильно меняются от года к году. В те периоды, когда гелиоширотная зависимость определяется наиболее надежно, она согласуется с дрейфовой моделью модуляции КЛ.
DOI: 10.7868/S0367676515050178
ВВЕДЕНИЕ
Имеется несколько причин для регулярных сезонных вариаций в данных наземных детекторов космических лучей, наиболее важные — это годовые изменения атмосферной температуры над местом наблюдения, эллиптичность земной орбиты и гелиоширотная зависимость плотности галактических КЛ. Однако если говорить о данных нейтронных мониторов, то все эти причины не приводят к большим сезонным вариациям, и такие вариации, действительно, не наблюдаются на нейтронных мониторах. В самом деле, температурный эффект в нейтронной компоненте, в отличие от мюонной мал [1], эллиптичность земной орбиты может создать значительную вариацию только при нереальных значениях радиального градиента плотности КЛ [2]. Гелиоширотная зависимость галактических КЛ существует, что окончательно доказано миссией Ulysses, и эта зависимость велика даже для высокоэнергичных протонов и ядер, вариации которых наблюдаются наземными методами [3], и должна создавать годовые и полугодовые вариации. Однако изменения гелиошироты Земли на ±7.3° в течение года недостаточны, чтобы надежно наблюдать гелио-широтный эффект на нейтронных мониторах. Трудность выделения сезонных вариаций и гели-оширотной зависимости усугубляется наложением вариаций других типов, в первую очередь фор-буш-эффектами. Тем не менее такие исследования проводились и полвека тому назад [4], ив последние годы [5].
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской академии наук, Москва.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Полярный геофизический институт Российской академии наук, Апатиты.
Цель данной работы — исследовать сезонные вариации внеземного происхождения и их возможную связь с гелиоширотой Земли за максимально возможный период. В отличие от предшественников мы используем для такого исследования не скорости счета отдельных наземных детекторов, а вариации плотности КЛ за пределами магнитосферы Земли, полученные на основе данных всей мировой сети нейтронных мониторов. Вариации плотности КЛ практически свободны от влияния атмосферной температуры и других локальных и геофизических эффектов земного происхождения и имеют высокую статистическую точность. Это позволяет надеяться на надежное выделение регулярных вариаций КЛ внутри года.
ДАННЫЕ И МЕТОДЫ
С помощью специально разработанного в ИЗМИРАНе [6] варианта метода глобальной съемки были получены жесткостные зависимости вариаций плотности КЛ за каждый месяц 1957—2013 гг. В данной работе используются среднемесячные значения вариаций заряженных частиц КЛ с жесткостью 10 ГВ. Статистическая погрешность их определения обычно несколько сотых процента и это, в принципе, позволяет выделять годовые вариации с очень малыми амплитудами. Однако понятно, что в реальных данных кроме регулярных годовых и полугодовых вариаций содержатся другие вариации как с большими, так и с меньшими характерными временами. Чтобы получить сезонные зависимости, мы брали данные за один год или за несколько последовательных лет, исключая долгопериодный тренд. Главной помехой являются форбуш-эффекты. Если в году есть месяцы с 1—2 форбуш-пониже-ниями величиной до 2%, то такой год подходит для наших исследований. Но если наблюдалась серия форбуш-понижений 5% и больше, то такой
месяц делает весь год практически непригодным для выделения сезонных или гелиоширотных зависимостей. Понятно, что все периоды высокой солнечной активности пришлось сразу исключить и анализировать только годы вблизи минимумов солнечных циклов. Заметим, что не всегда можно корректно исключить долгопериодный тренд даже в спокойные периоды. Например, почти невозможно сделать это для 1987 г., в котором рост плотности резко сменился ее спадом.
Для выделения сезонной зависимости вариации 8(0 представлялись в виде
5(0 = a + Z^sin [in + b2sin [nt ^?2 ), (1)
где T = 1 год, b1 и b2 — амплитуды годовой и полугодовой волны в вариации КЛ, а t1 и t2 времена максимума этих волн. Определив перечисленные параметры, можно изучать связь с гелиоширотой годовой и полугодовой волны по отдельности.
Поскольку известно, как гелиоширота X(t) Земли зависит от времени, можно пытаться и сразу определять гелиоширотную зависимость вариации S(^) таким образом:
5(к) = a0 + Ьк + ек2, (2)
Простейшей широтной зависимости (2) в данном случае вполне достаточно, поскольку даже если в узком широтном диапазоне, доступном Земле, существует более сложная зависимость, трудно рассчитывать ее извлечь из наших данных.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Методом наименьших квадратов были найдены b1, b2 и t1, t2 для различных спокойных лет и периодов, что позволило сопоставить поведение отдельных слагаемых выражения (1) с изменениями гелиошироты Земли. Изредка годовые вариации можно надежно выделить и при сравнительно высокой солнечной активности [7], но природа этих вариаций другая и здесь они не рассматриваются.
В левой части рис. 1 дана связь годовой волны в вариациях плотности КЛ с жесткостью 10 ГВ с гелиоширотой Земли. Мы использовали ту же форму представления результатов, что и Крымский и др. [8]. Цифры соответствуют номерам месяцев (от 1 — январь до 12 — декабрь), соседние месяцы соединены линией. В таком представлении узкий вертикально расположенный овал говорит о малых вариациях КЛ внутри года, а горизонтальный овал о вариациях слабо связанных с положением Земли. Наклон овала — свидетельство связи вариаций КЛ с гелиоширотой, как это видно, например, в 1986 г. Одновременно это означает, что экстремум широтного распределения сдвинут относительно гелиоэкватора (в 1986 г. это минимум, сдвинутый на юг). Такой сдвиг может быть
связан с широтной асимметрией гелиосферного токового слоя в данном году [8].
Но возможно и другое объяснение: за счет неравномерного распределения по полушариям Солнца центров активности (пятен, корональных дыр, мест выбросов солнечного вещества). Неравнозначность солнечных полушарий неоднократно выявлялась и обсуждалась [например, 9, 10]. Мы нашли связь с гелиоширотой в поведении среднего магнитного поля Солнца Bss, и в поведении напряженности межпланетного магнитного поля у Земли Bimf. Выяснилось, что гелиоширотная зависимость плотности КЛ, как правило, зеркально отражает зависимости Bss и Bimf. Это означает, что асимметрия полушарий существует на Солнце (и в первую очередь, в его магнитном поле), выходит в межпланетное пространство и, в конечном счете, создает асимметричную модуляцию КЛ. Полученные в этой работе результаты (только частично показанные на рис. 1) хорошо согласуются с результатами Крымского и др. [8].
Полугодовая волна плотности КЛ, связанная с гелиоширотой, более ожидаема, чем годовая. Ей способствует и дрейфовый механизм модуляции КЛ, и общая квазидипольная структура магнитного поля Солнца в минимумах солнечных циклов, и существование "королевских" зон в распределении центров солнечной активности. В нашем представлении (рис. 1, колонка 3) связи полугодовой волны с гелиоширотой соответствует серповидная структура сезонного поведения. Можно видеть, что в некоторые годы минимума у гелиоэкватора располагается минимум плотности (1975 и 1996 гг.), а в другие (1966 и 1986 гг.) -максимум плотности. Такое поведение соответствует предсказаниям дрейфовой модели модуляции КЛ, а для 1996 г. — и прямым наблюдениям Ulysses.
Результаты, полученные из анализа годовых и полугодовых вариаций, подтверждает и непосредственное моделирование гелиоширотной зависимости по формуле (2). Иногда эта зависимость велика и убедительна, как показывает рис. 2 (левая часть). Для минимума между циклами 19—20 мы видим хорошее согласие модели (2) и экспериментальных данных. Полученная зависимость значительна (до ~1%), а максимум плотности КЛ у ге-лиоэкватора согласуется с дрейфовой теорией для отрицательной полярности общего магнитного поля Солнца (A < 0). Оценка широтного градиента при максимальном удалении Земли от гелиоэк-ватора дает ~0.25 %/град, что близко к величинам, полученным из данных Ulysses для приблизительно тех же энергий, но для более высоких широт и для 90-х годов. Однако в другие периоды столь явная зависимость от широты не наблюдается. Например, в последнем минимуме солнечной активности при той же полярности (A < 0),
674
БЕЛОВ и др.
-0.10 -0.05 0 0.05 0.10
Л (Л
0.5 0 0.5 %
0.1 0 0.1 Si, %
0.5 0 0.5 Bss, ^Т
0.1 0 $2, %
0.1 %
Рис. 1. Связь с гелиоширотой Земли годовых 5i,% (1-я колонка) и полугодовых 62,% (3-я колонка) волн в плотности КЛ и годовой волны в напряженности среднего магнитного поля Солнца Bss, мкТл (2-я колонка) в различные годы низкой солнечной активности. Цифры соответствуют номерам месяцев.
что и в 60-е годы, широтная зависимость практи- причины гелиоширотной зависимости. Возмож-
чески отсутствует (рис. 2). но, именно совместное действие в одни периоды и
Полученные результаты по меньшей мере не конкуренция в другие периоды приводит к боль-
противоречат дрейфовой модели модуляции КЛ. шому разнообразию и неустойчивости гелиоши-
Но надо помнить, что есть и другие возможные ротной зависимости плотности галактических КЛ.
5
0
2
1964-1967
8
6
д 4
а
р
г
а, 2
т
о
р и 0
g
о -2
и
л
е -4
Г
©
©
10 © © ©
© © © © © ©
© © © ©
© 0©^
2007-2010
©Pj ©
©
©© © ©
©Э © ©
~ S4 ©
0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Вариация, %
0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 Вариация, %
0.6 0.8
Рис. 2. Ге
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.