ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 642-645
УДК 524.1
ИНЖЕКЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГИЧНЫХ ЧАСТИЦ В МЕЖПЛАНЕТНОЕ ПРОСТРАНСТВО
© 2015 г. И. С. Петухов, С. И. Петухов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и аэрономии имени Ю.Г. Шафера Сибирского отделения Российской Академии наук, Якутск
E-mail: i_van@ikfia.sbras.ru
Предложена модель инжекции вспышечных СКЛ из солнечной атмосферы. Распространение СКЛ в межпланетном пространстве описывается решением Кримигиса. В рамках диффузионной модели рассчитан поток вспышечных СКЛ, инжектируемых в межпланетное пространство. Результаты расчетов сопоставлены с событиями, зарегистрированными одновременно на спутниках GOES и Ulysses s в период 2000—2001 гг.
DOI: 10.7868/S0367676515050361
ВВЕДЕНИЕ
Из анализа большого количества событий СКЛ за период 1997—2006 гг. (всего 280 событий) следует, что СКЛ, регистрируемые в межпланетном пространстве, в каждом событии могут быть смесью ускоренных в процессе солнечной вспышки (вспышечные частицы) и ускоренных ударной волной от СМЕ [1]. При этом вспышеч-ные СКЛ могут составлять существенную часть общего потока. Свойства потоков вспышечных СКЛ в основном формируются при их распространении через атмосферу Солнца.
С учетом распространения частиц в межпланетном пространстве модель Кримигиса для высокоэнергичных частиц [2] воспроизводит 1) образование быстрой и диффузной компонент СКЛ; 2) сильно неоднородное угловое распределение потока СКЛ на орбите Земли; 3) немонотонное поведение и экспоненциальный спад во времени потока СКЛ в межпланетном пространстве. Модель естественным образом объясняет возможность длительного пребывания СКЛ в солнечной атмосфере, установленного из регистрации гамма-излучения в некоторых вспышках. В данной работе изучается распространение СКЛ на большие гелиошироты вследствие их диффузии в солнечной атмосфере.
МОДЕЛЬ
Исследуется инжекция вспышечных СКЛ в межпланетное пространство. Атмосферу Солнца представляет сферический слой, ограниченный
радиусами гтах и гШп и заданным уровнем турбулентности магнитного поля. В начальный момент времени задаем СКЛ как импульсный во времени и сосредоточенный в пространстве источник. Полагаем, что распространение частиц происходит посредством их пространственной диффузии. В сферической системе координат, полярная ось которой проходит через источник, решение осе-симметрично. Уравнение диффузии решается методом разделения переменных. Угловая часть решения определяется полиномами Лежандра. Часть решения, зависящая от времени и радиуса (функции уп), рассчитывается численно. Соответствующее решение имеет вид
/;.(б, о = - -
4п r2s ts
^ ( 2 n + 1 ) Pn ( cos 0) e
-n( n
-1)t d^n
д r
4 = Г1 / к* — масштаб времени, г, — радиус Солнца, к, — коэффициент диффузии частиц в солнечной атмосфере; ^ — спектр частиц в источнике; Рп — полиномы Лежандра; — набор функций для каждого полинома Лежандра. Представленная модель является обобщением модели Нг, Глиссона [3].
Интенсивность СКЛ в зависимости от времени в выбранной точке (г*) описывается решением
Кримигиса в случае коэффициента диффузии к = ке(г/ге)в, 0 < в < 1 [2] с учетом рассчитанного потока инжектированных частиц
F г (t \ 3/( 2 - в). J(r*, s, t) = 2 I -1 /;(s, т)(t - t)
M-n-Vi-V A t / J
-3/(2 - в)
(4я) rsreГЬ
exp
Г -r*- в ( te/ts) ^ l( 2 - в )2(t - T )J
dT,
yj
x
r
0
ИНЖЕКЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГИЧНЫХ ЧАСТИЦ 643
Таблица 1
№ Дата Начало вспышки Координаты вспышки Дистанция до Ulysses (а.е.) Широта Ulysses Долгота Ulysses
1 14 июля 2000 10:03 N22W07 3.2 62S E116
2 12 сентября 2000 11:31 S12W18 2.7 71S E162
3 08 ноября 2000 22:42 N10W77 2.4 80S E182
4 24 сентября 2001 09:32 S18E27 1.8 72N W31
5 04 ноября 2001 16:03 N06W18 2.1 78N W63
6 22 ноября 2001 20:18 S25W67 2.31 74N W60
7 26 декабря 2001 04:32 N08W54 2.5 67N W39
Таблица 2
№ Дата Радиус точки инжекции Коэф. диф. в атмосфере, 10 см2■с-1 Коэф. диф. в пространстве, 1022 см2 ■ с-1 Количество инжектированных частиц, 1033 в
1 14 июля 2000 2.8 0.143 0.143 160 0
2 12 сентября 2000 1.7 0.125 0.125 25 0
3 08 ноября 2000 2.4 0.157 0.357 27 0
4 24 сентября 2001 2.9 0.6 0.4 34 0
5 04 ноября 2001 2.8 0.0083 0.0016 2.1 0
6 22 ноября 2001 2.4 0.3 0.2 33 1
7 26 декабря 2001 1.8 0.143 0.143 6.2 0
где te = rs2/ke — масштаб времени; re — астрономиче-
l_+J 4+J
; r, = r/r; I = 2(2 - p)2 - e fx2 - e e~x dx -
Jn
ская единица; г* = 1 нормировка.
Модель Кримигиса пригодна для описания распространения в межпланетном пространстве достаточно энергичных СКЛ, поскольку она учитывает влияние только диффузии частиц и игнорирует влияние движения среды и адиабатических потерь энергии в расширяющемся потоке.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА И ОБСУЖДЕНИЕ
Модельные расчеты сопоставлены с измерениями потоков СКЛ на космических аппаратах GOES и Ulysses, приведенными в статье [4]. Одно из событий (15 августа 2001 года) было исключено, так как для него отсутствуют координаты вспышки. Время, угловые координаты вспышек и положение космического аппарата Ulysses приведены в таблице 1. Интенсивность СКЛ, регистрируемая в межпланетном пространстве, зависит от радиуса источника частиц, являющегося свободным параметром модели, и от расположения детекторов относительно вспышки. Для иллюстрации этих зависимостей на рис. 1 приведены интенсивности
СКЛ для параметров 1-го события в таблице 1 при разных радиусах источника..
Сопоставление расчетов интенсивности частиц в семи событиях с измерениями на космических аппаратах GOES и Ulysses приведено на рис. 2, использованные в расчетах параметры - в табл. 2. Как видно из сопоставления, расчет правильно воспроизводит фазы роста и величины максимума интенсивности, измеренные космическим аппаратом Ulysses во всех рассмотренных событиях. Для космического аппарата GOES в четырех событиях результаты расчета удовлетворительно воспроизводят данные измерений, однако в событиях 12.09.2000, 22.11.2001 и 26.12.2001 максимумы интенсивности СКЛ существенно меньше рассчитанных. Можно отметить, что запаздывание между началами фаз роста интенсивности СКЛ, регистрируемых на разных космических аппаратах, соответствует рассчитанным во всех событиях.
Известно, что активные области с сильными магнитными полями и соответственно солнечные вспышки преимущественно располагаются в окрестности солнечного экватора (см. табл. 1), поэтому можно предполагать, что потоки СКЛ, рассчитанные для однородной атмосферы, могут отличаться от измеренных потоков в этой области широт. В то же время на высоких гелиоширотах
644
И. С. ПЕТУХОВ, С. И. ПЕТУХОВ
J, отн. ед.
0.01
J, см2 ■ с ■ ср ■ МэВ 1
1 -
0.01
4 5 6 Время, отн. ед.
Рис. 1. Зависимость потока интенсивности СКЛ от радиуса источника в атмосфере Солнца: а — результаты расчета для детектора, расположенного на космическом аппарате Ulysses; б — то же для GOES. Толстая сплошная линия соответствует радиусу — 1.3 rs, толстая штрихованная линия — 1.5 rs, толстая пунктирная линия — 1.8 rs, толстая штрихпунктирная линия — 2.2 rs, тонкая сплошная линия — 2.6 rs, тонкая пунктирная линия — 2.8 rs.
вследствие более однородной атмосферы потоки СКЛ могут лучше соответствовать модельным.
В данной работе распространение вспышечных СКЛ на высокие гелиошироты объясняется пространственной диффузией частиц в короне Солнца. Для диффузии частиц требуется достаточно высокий уровень турбулентности магнитного поля, присутствие которой подтверждается ускорением частиц ударной волной от СМЕ во время ее прохождения через солнечную атмосферу. Рассматриваются другие варианты распространения СКЛ на высокие гелиошироты. В одном варианте предполагается, что в межпланетном пространстве частицы диффундируют поперек магнитного поля [5, 6]. Для объяснения наблюдений требуется, чтобы отношение поперечного коэффициента диф-
103 102 101 100 10—1 10—2 10—3
102 101 100 10—1 10—2 10—3 10—4
102 101 100 10—1 10—2 10—3 10—4
102 101 100 10— 10— 10— 10—
102 101 100 10—1 10—2 10—3 10—4
103 102 101 100 10—1 10—2 10—3 10—4
102 101 100 10—1 10—2 10—3
10
18 Июль 2000
14 15 16 17
12—16 Сентябрь 2000
18
12 13 14 15 8—12 Ноябрь 2000
16
9 10 11
24—28 Сентябрь 2001
24 25 26 27 4—8 Ноябрь 2001
28
6 7
26 Ноябрь 2001
22 23 24 25 26—30 Декабрь 2001
26
26
27
28
29 30 Возраст, сут Рис. 2. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на спутниках GOES и Ulysses для событий из таблицы 1. Пунктирные линии соответствуют измерениям на спутнике Ulysses, сплошные — GOES. Толстые линии представляют результаты расчета, тонкие — экспериментальные данные.
а
4
8
ИНЖЕКЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГИЧНЫХ ЧАСТИЦ
645
фузии к продольному было ~0.3 [7]. Возможность такой величины отношения для условий в межпланетном пространстве не доказана, однако ее полностью исключить нельзя [8]. В другом варианте предполагается, что вследствие сложного взаимодействия дифференциального вращения фотосферы и наклоненного магнитного диполя Солнца формируется межпланетное магнитное поле, значительно отличающееся от паркеровско-го [9]. В такой модели области низких и высоких гелиоширот могут соединяться магнитными силовыми линиями. Однако детальный расчет возможного образования подобного магнитного поля и распространения в нем СКЛ отсутствует [8].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках диффузионной модели рассчитан поток вспышечных СКЛ, инжектируемых в межпланетное пространство. Сопоставление результатов расчета с одновременными измерениями потоков СКЛ на космических аппаратах GOES и Ulysses в семи событиях в течение 2000—2001 гг. показало а) расчет правильно воспроизводит фазы роста и величины максимума интенсивности, измеренные Ulysses во всех рассмотренных событиях; б) результаты расчета удовлетворительно
воспроизводят измерения GOES в четырех событиях, однако, в трех событиях максимумы интенсивности СКЛ существенно меньше рассчитанных; в) запаздывание между началами фаз роста интенсивности СКЛ, регистрируемых на разных космических аппаратах, соответствует рассчитанным во всех событиях.
Исследование выполнено за счет гранта Российского
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.