научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА И АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПЕРИОДЫ СОЛНЕЧНО-ПРОТОННЫХ СОБЫТИЙ 11 И 15 ИЮНЯ 1991 Г Астрономия

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА И АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПЕРИОДЫ СОЛНЕЧНО-ПРОТОННЫХ СОБЫТИЙ 11 И 15 ИЮНЯ 1991 Г»

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 41, № 9, с. 573-580

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА И АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПЕРИОДЫ СОЛНЕЧНО-ПРОТОННЫХ

СОБЫТИЙ 11 И 15 ИЮНЯ 1991 г.

© 2015 г. М. В. Кравцова*, В. Е. Сдобнов

Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск

Поступила в редакцию 24.02.2015 г.

По данным мировой сети нейтронных мониторов методом спектрографической глобальной съемки, исследованы энергетические спектры и анизотропия космических лучей (КЛ) во время возрастаний интенсивности КЛ, обусловленных событиями на Солнце 11 и 15 июня 1991 г. При совместном анализе данных наземных и спутниковых измерений в рамках модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями гелиосферы определены параметры жесткостного спектра КЛ, отражающие электромагнитные характеристики полей гелиосферы за каждый час наблюдений. Приведены спектры КЛ, а также относительные изменения интенсивности КЛ в солнечно-эклиптической геоцентрической системе координат в отдельные моменты этих событий.

Ключевые слова: космические лучи, наземное возрастание интенсивности космических лучей (GLE).

DOI: 10.7868/S0320010815090041

ВВЕДЕНИЕ

Солнечная вспышка представляет собой процесс выделения энергии в атмосфере Солнца в основном в виде электромагнитного излучения и является наиболее мощным проявлением солнечной активности. Часто во время мощных вспышек происходит ускорение заряженных частиц солнечной плазмы до высоких энергий. Часть таких частиц испускается в межпланетное пространство и называется солнечными космическими лучами (СКЛ). В наиболее мощных событиях поток и энергия СКЛ настолько велики, что вызывают возрастание интенсивности космических лучей (КЛ) на поверхности Земли: так называемые события GLE (Ground Level Enhancements — наземное возрастание КЛ). Появление GLE связано, как правило, с солнечными вспышками класса X и быстрыми корональными выбросами массы (КВМ) (со скоростью >1000 км/с), которые являются потенциальными источниками ускорения частиц.

GLE явления достаточно редкие, но не единичные. Изучением GLE занимаются десятки исследователей, входящих в различные научные сообщества по всему миру. В каталоге наземных возрастаний интенсивности КЛ с 1942 г. по настоящее время зафиксировано 72 события, каждое из которых вносит важные детали в выявление механизма ускорения частиц Мирошниченко,

Электронный адрес: rina@iszf.irk.ru

2001, и ссылки там). В работах Вашенюка и др. (2010), Мишева и др. (2014) по данным мировой сети нейтронных мониторов для отдельных GLE рассчитывались энергетические спектры протонов, в предположении, что они описываются степенной или экспоненциальной функцией от энергии.

В 1991 г. отмечался максимум солнечной активности, на Солнце возникали активные области, от которых можно было ожидать вспышки. В период 1 — 15 июня 1991 г. произошли шесть интенсивных вспышек, из которых пять — превышали класс Х12.5.

В данной работе исследуются два возрастания интенсивности КЛ (GLE51 и GLE52), зарегистрированные наземной сетью станций нейтронных мониторов 11 и 15 июня 1991 г., связанные с одной и той же активной областью на Солнце. Исследуемые события выделяются тем, что в них впервые было обнаружено длительное высокоэнергичное 7-излучение, которое зафиксировано с помощью чувствительных детекторов на борту космических обсерваторий ComptonGRO и ГАММА-1 (Канабах и др., 1993; Акимов и др., 1993; Кочаров и др., 1994). Длительность 7-излучения 11 июня была больше, чем 15 июня. Эти результаты стали сенсацией в области солнечно-земной физики (Струминский, 2003). Эти же GLE изучались в работе Смарта и др. (1994), где предполагалось, что дифференциальный спектр по жесткости частиц является

степенным, и определены его показатели в отдельные моменты указанных событий. Полученные в работе Смарта и др. (1994) результаты расчетов по наземным измерениям интегральных спектров протонов сравнивались с данными наблюдений на космических аппаратах в области энергий ниже ^500 МэВ, и отличие одних данных от других достигало 2 порядка.

Возрастание интенсивности КЛ 11 июня 1991 г., зарегистрированное наземной сетью станций (GLE51), было вызвано мощной солнечной вспышкой класса X12/3B (координаты N31, W17) в активной области (AR) 6659. В линии Ha начало вспышки в ~01 : 56 UT (Solar-Geophysical Data, 1991). По 5-мин данным нейтронных мониторов на высокоширотной станции Апатиты (жесткость геомагнитного обрезания Rс в этом пункте равна 0.6 ГВ) и на среднеширотной станции Иркутск ^с = 3.66 ГВ) максимальная амплитуда возрастания интенсивности КЛ наблюдалась в 03 : 45—03 : 50 UT и составила ^7.9% и 3.0% соответственно (ftp://cr0.izmiran.rssi.ru).

GLE52 (15 июня 1991 г.) было связано с мощной солнечной вспышкой класса 3В/Х12+ (координаты N33 и W69), произошедшей 15 июня 1991 г. в AR 6659. По данным космического аппарата GOES-7 начало вспышки в линии Ha зарегистрировано в ^08 : 10 UT (Solar-Geophysical Data, 1991). По 2-мин данным нейтронных мониторов GLE началось позднее в ^08 : 42 UT. Наблюдаемые временные профили вариаций интенсивности КЛ на различных станциях мировой сети КЛ существенно отличаются друг от друга. Так, на высокоширотных и среднеширотных станциях (с Rс < ^2—3 ГВ) наблюдалось возрастание интенсивности КЛ на ^5—57% в ~09 : 40 UT. Максимальное значение повышения интенсивности КЛ зарегистрировано на антарктической станции Южный Полюс ^с = 0.09 ГВ) и составило 56.9%. На станциях с более высокими жесткостями геомагнитного обрезания в этот же период наблюдается спад интенсивности. Следует отметить, что повышение интенсивности КЛ произошло на фазе восстановления форбуш-понижения, начавшегося после геомагнитной бури 13 июня 1991 г.

Исследование энергетического спектра и анизотропии КЛ в широком диапазоне энергий важны для понимания механизмов ускорения частиц в солнечных вспышках и распространения солнечных частиц в межпланетной среде.

ДАННЫЕ И МЕТОД

Для анализа использовались данные мировой сети станций нейтронных мониторов, исправленные на давление и усредненные за часовые

интервалы. Амплитуды модуляции отсчитыва-лись от фонового уровня 3 марта 1991 г. Использовались данные 44 нейтронных мониторов и данные с космического аппарата GOES-7 (http://spidr.ngdc.gov/spidr/index.html) (протоны в семи энергетических интервалах 0.8—4, 4—9, 9—15, 15-40, 40-80, 80-165 и 165-500 МэВ).

Анализ выполнен с применением метода спектрографической глобальной съемки (СГС) (Дворников и др., 1983; Дворников, Сдобнов, 2002). В отличие от существующих методов, метод СГС позволяет использовать для анализа весь имеющийся комплекс наземной регистрирующей аппаратуры (мировую сеть нейтронных мониторов, расположенных на разных уровнях в атмосфере Земли, а также наземные и подземные мезонные телескопы и т.д.). Данное обстоятельство дает возможность наряду с фазами первой и второй гармоник питч-угловой анизотропии определять жесткостной спектр изотропной составляющей и анизотропии КЛ, по фазе второй гармоники получать информацию об ориентации межпланетного магнитного поля (ММП), а также определять изменения планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания за каждый час наблюдений в периоды возмущений геомагнитного поля. Достоверность информации, получаемой методом СГС по данным мировой сети станций КЛ, подтверждается ее сопоставлением с наблюдаемыми параметрами ММП и магнитосферы Земли.

Геомагнитное поле в июне 1991 г. было сильно возмущено. К сожалению, в этот период практически нет данных о ММП, получаемых космическими аппаратами. Тем не менее мы можем использовать анизотропию и значения параметров жесткостного спектра (Кравцова, Сдобнов, 2014), определенные за исследуемый период, и говорить об изменениях ММП. В рамкам модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями гелио-сферы сильная питч-угловая анизотропия является отражением структурных особенностей крупномасштабных полей в межпланетном пространстве (таких, например, как магнитные ловушки), обусловленных неоднородностью по гелиодолготе и нестационарностью истечения солнечного ветра (СВ) в источнике, т.е. является индикатором динамических процессов в гелиосфере. Возрастание амплитуд первой и второй гармоник питч-угловой анизотропии КЛ должно наблюдаться при изменениях напряженности ММП (Дворников и др., 2013).

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

На рис. 1 приведены данные наблюдений протонных интенсивностей с жесткостью 0.108 и 2 ГВ

Дни

Рис. 1. (а), (б) — Данные наблюдений протонных интенсивностей с жесткостью 0.108 и 2 ГВ (треугольники), кривые — результаты расчетов с использованием модельного спектра и полученных значений его параметров; (в), (г) — вариации изотропной составляющей интенсивности первичных КЛ с жесткостью 4 ГВ и 10 ГВ; (д), (е) — амплитуды первой Аг и второй А2 гармоник питч-углового распределения КЛ с жесткостью 4 ГВ; (ж)—(л) — значения параметров жесткостного спектра КЛ (До, Дех, Де2, а, в), определенные за исследуемый период.

совместно с результатами расчетов с использованием модельного спектра (Дворников и др., 2013) и полученных значений его параметров (Кравцова, Сдобнов, 2014); вариации изотропной составляющей интенсивности первичных КЛ с жесткостью 4 и 10 ГВ; амплитуды первой Л1 и второй Л2 гармоник питч-углового распределения КЛ с жесткостью 4 ГВ; значения параметров жесткостного спектра КЛ (Е0, Ае1, Ае2, а и в).

Во временных профилях интенсивности КЛ различных энергий существуют различия в поведении, и данные наблюдений хорошо согласуются с расчетами (см. рис. 1а, б). Коэффициент корреляции между наблюдаемыми и расчетными величинами для частиц с жесткостью 0. 108 ГВ и 2 ГВ составляет 0.93 и 0.75 соответственно.

На основе сравнения временных вариаций параметров жесткостного спектра с временными профилями интенсивности протонов можно заключить, что первоначально возрастание интенсивности частиц низких энергий перед GLE обусловлено генерацией поляризационных электрических полей (возрастание параметра а), которое началось в середине 10 июня и в конце 14 июня, затем, наряду с ускорением поляризационными электрическими полями, происходит ускорение КЛ за счет

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Астрономия»