научная статья по теме К ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ПО ПОТОКАМ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДРОБНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ Физика

Текст научной статьи на тему «К ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ПО ПОТОКАМ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДРОБНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 646-649

УДК 524.1-352

К ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ПО ПОТОКАМ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ДРОБНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ © 2015 г. В. В. Учайкин, Р. Т. Сибатов, А. Н. Бызыкчи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный университет E-mail: vuchaikin@gmail.com, ren_sib@bk.ru, azy.baza@gmail.com

Распространение частиц солнечных космических лучей в межпланетном магнитном поле рассматривается как случайное блуждание вдоль магнитно-силовых линий с конечной (в отличие от других расчетов) скоростью свободного движения и неэкспоненциальным (степенного типа) распределением свободного пробега. Пропагатор представляется в виде суммы прямого (нерассеянного) потока (сингулярная часть решения) и многократно рассеянного потока (регулярная часть). В асимптотике больших времен регулярная часть описывается уравнением с материальной производной дробного порядка. На основе полученных авторами аналитических выражений для пропагаторов выполнены численные расчеты потоков энергетических частиц, ускоренных ударными волнами от солнечных вспышек. Предложенная в данной работе модель показывает лучшее согласие с данными Улисса и Вояджера-2, чем расчеты по модели Перри и Зимбардо, и может быть рекомендована для интерпретации результатов дальнейших экспериментов.

DOI: 10.7868/S0367676515050427

Простейшей моделью распространения частиц солнечных космических лучей (СКЛ) при их рассеянии на неоднородностях межпланетного магнитного поля является модель изотропной диффузии [1]. В частности, до недавнего времени считалось, что обычное диффузионное уравнение удовлетворительно описывает кинетику и время наступления максимума потока частиц с заданной энергией Е [2, 3]. Однако новые экспериментальные данные [4—6] и численные расчеты распространения частиц в присутствии магнитной турбулентности [7—10] показали существование режимов аномальной диффузии, отличающихся от нормального (гауссова) режима формой диффузионного пакета и зависимостью его ширины А (г )от времени:

Д(0 ж гу, V < 1/2 (субдиффузия) или V > 1/2 (супердиффузия). Авторы работ [11—14] рассматривают одномерную аномальную диффузию как случайное блуждание с асимптотически степенным распределением р(2) ж %-а-1, 0 < а < 2 которое иногда называется фрактальным блужданием.

Следует отметить, что результаты численных расчетов [7—9] свидетельствуют о супердиффузионном режиме продольного (по отношению к линиям магнитного поля) распространения частиц, причем параметры супердиффузии определяются отношением ларморовского радиуса к корреляционной длине, а также уровнем и анизотропией турбулентности.

Перри и Зимбардо [4—6] анализировали наборы данных по потокам частиц, ускоренных межпланетными ударными волнами, связанными с областями коротационного взаимодействия, которые были зафиксированы космическими аппаратами Улисс и Вояджер-2. Они предложили процедуру вычисления временного профиля энергетических частиц, используя формализм пропагаторов (плотностей распределения О(х, г) вероятностей продольного смещения частицы за время ?). Авторы работы [4] обосновывают, что источник ускоренных в межпланетных ударных волнах частиц, связанный с областями коротационного взаимодействия, может быть описан с помощью функции

fsh(z, E, t) = /0(E)5(z - ysht),

(1)

где /0(Е) — плотность распределения энергии частиц, инжектируемых фронтом ударной волны, УвЬ — скорость ударной волны. После подстановки гауссова пропагатора

G(z, t) =

1

exp

2

z

4Dt

(2)

и функции источника /¿(г, Е, г) в формулу для временного профиля частиц

г ад

/(г, Е, г) = jdf | - г', г - /г', Е, О (3)

0 -ад

К ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ПО ПОТОКАМ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

647

авторы [4, 5] получают экспоненциально убывающую функцию

/ (0, Е, ?) = /(Е) ехр

Б

(4)

Здесь г — это расстояние вдоль поля от фронта ударной волны, Б — коэффициент продольной диффузии, А? = ?ск -1 — разница между временем достижения детектора ударной волной и моментом наблюдения. Этот результат согласуется с результатами наблюдений для протонов (Е ~ 760-4900 кэВ), представленных в работе [5]. Однако профили, представленные в [5] для электронов (40—1200 кэВ) и в [6] для электронов и протонов, демонстрируют степенной хвост, не согласующийся с (4).

Для описания супердиффузионного режима Перри и Зимбардо [4—6] использовали довольно грубую аппроксимациию решения, полученную в [11]:

^ ?) = Ь-ОГг> г

(5)

дробно-дифференциальной модели, в которой процесс этот выглядит как последовательность мгновенных перелетов, перемежаемых долгими пребываниями в состоянии покоя [14]. Распределение пробегов между этими событиями характеризуется степенным, а не экспоненциальным законом, что, во-первых, лучше соответствует автомодельному характеру турбулентной среды вообще и межпланетным магнитным полям в частности и, во-вторых, представляет траектории промежуточного (между баллистическим и броуновскими) типа. Наличие параметра модели а е (0,2]. позволяет в широком диапазоне менять свойства этих траекторий, отражающих, в конечном итоге, свойства межпланетной среды.

Продольный пропагатор связан с частотой столкновений м>(г, t) соотношением

0(1, ?) =

= |[и>(г -и?,? - т) + у2м>(г + и?,? - т)]Р(ит)<^т,

(6)

где Ь — константа и 1 < а < 2 — параметр фрактальных блужданий. С использованием этого пропагатора авторы [4—6] приходят к степенной зависимости

/(0, Е, ?) = |0(0 - г', ? - /(г', Е, О^'Л' « (Д?)1-а, 1 < а < 2.

Использованная аппроксимация позволила авторам лишь установить сам факт наличия аномальной кинетики (т.е., определить степенной характер долговременной асимптотики), но воспроизвести предасимптотическую часть оказалась неспособной.

В настоящей работе представлены некоторые результаты расчетов этих процессов, выполненных на основе нашей модели [12], адекватно описывающей не только "хвосты" наблюдаемой кинетики, но и предасимптотическую часть. Напомним основные положения нашей модели, отличающие ее от стандартной дробно-дифференциальной модели. Движение заряженных частиц СКЛ рассматривается как случайное блуждание частиц вдоль линий магнитного поля с постоянной скоростью и, меняя время от времени направление движения. Наличие конечной скорости свободного движения частиц радикальным образом отличает нашу модель от стандартной

где Р(г) = ^ р(г')^г' — дополнительная функция

распределения пробега. После совершенного пробега частица движется в положительном направлении с вероятностью у1 и в отрицательном направлении с вероятностью у 2 = 1 - у1. Если частица начинает движение из начала координат в момент времени ? = 0, интегральное уравнение для функции плотности вероятности w(z, ?) имеет форму

у(1,?) =

|[у1^(г -и?,? - т) + у2м>(г + и?,? - т)] х

(7)

х р(ит)йт + 8(г)5(?)

Подстановка (7) в (6) приводит к представлению решения 0(г, ?) в виде суммы сингулярной части 00(г, ?), сконцентрированной в точках г = ±vt (концентрация частиц, не менявших своего направления), и регулярной части 08 (г, ?), -V ? < г <v ?, представляющей многократно рассеянные частицы. За пределами отрезка [-V ?, V ?] пропагатор обращается в нуль. Разрешая представленную систему уравнений с помощью преобразования Фурье—Лапласа в асимметричном случае мы имеем для случая (0 < а < 1, бесконечное математическое ожидание пробега):

0

0

0^ (г, ?) =

28т па

У1У2(1 - г VО2?2)

а-1

пи? у2(1 - г/и?)2а + у2(1 + г/и?)2а + 2у1у2(1 - г 2/и2?2)а со§ па ае (0,1).

648

УЧАЙКИН и др.

Плотности распределения такого типа были получены Ламперти в рамках модели бинарного процесса восстановления и использовались в статистической

Операторы

физике слабо неэргодических систем. Функция (8) представляет асимптотическую часть регулярного компонента решения уравнения (подробнее см. [12])

Y2 [dt + vdz) +Y1 vdz)

G(z, t) =

t-

Г(1 - а)

[y2S(z + ut) + Y1§(z - ut)].

(9)

Г(1 -а) \dt dz.

dt ± u| ) Gfct)=rrb(l ± Udz) JG(z - ut - T)(t - TrdT, 0 <а <

Ж/(см2 ■ c ■ cp ■ МэВ)

101

1O0

101 =

—I_I_I_I I I I I_I_I_I_I_I I I I I_I_I_I

12

101

102 At, часы

10'

10-

10

101

101

102 At, сут

Сопоставление наших решений (штриховая линия и штрихпунктир) с результатами модели [4] (сплошные линии) и экспериментальными данными (точки): а -временные зависимости потоков электронов. Точки восстановлены авторами [4] по данным Улисса (22 января 1993 года, 5 а. е.) для электронов с энергиями в диапазонах 42—65 кэВ (х) и 65-112 кэВ (О); сплошные линии — степенные зависимости (11) с а = 1.62 и а = 1.47; б - временные зависимости потоков протонов; точки восстановлены авторами [4—6] по данным Улисса (22 января 1993 г., 5 а. е.) для диапазонов 761-1223 кэВ (Л),1223-4974 кэВ (о); и по данным Вояджера-2 (2006-2007 гг., 83.7 а. е.) для диапазонов 540-990 кэВ (О), 990-2140 кэВ (V), 21403500 кэВ (•); сплошные линии - зависимости (11) с а = 1.80; 1.85 и 1.90.

представляют собой материальные производные дробного порядка.

Для второго случая: 1 < а < 2 асимптотическое решение выражается через устойчивую плотность

G(z, t) = (Kt)-1/a g ((z - Po0(K0-1/a; a; p). (10)

Здесь K = — sin ——, g(z; a, p) — устойчивая m 2

плотность Леви [14]. Соотношение (10) может быть переписано в форме обратного преобразования Фурье—Лапласа, которое приводит к диффузионному уравнению с дробными операторами:

cv[

m

dp(z, t) dt

Y1-»Da ■

■ v(Y1 - Y2) - Y2 zD'+œ

dp(z, t)

dz

] p(z, t) = 8fe)ô(t).

Здесь Da и г- левосторонняя и правосторонняя производные Римана-Лиувилля дробного порядка, с - масштабный параметр степенного распределения пробегов, X - средний пробег.

Фронтальный всплеск потока космических лучей, даваемый сингулярным компонентом

г) = ^^[ - иг) + 5(г + иг)], приводит к временному профилю степенного типа

МЕ)(суУа УА ~а

/ (0, E, t) = ■

2(и - Vj-a Г(1 - а)' показатель которого (-а ) отличается на единицу от

асимптотики для (10): f(0, E, t) к YsJ\, (1 < a < 2 ). В пространственно-временной области, удаленной от всплеска, основную роль играет регулярный компонент решения, который и был использован в дальнейших расчет

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