научная статья по теме МОДИФИКАЦИЯ БАЗОВОЙ МОДЕЛИ ГЕЛИОСФЕРНОЙ МОДУЛЯЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДИФИКАЦИЯ БАЗОВОЙ МОДЕЛИ ГЕЛИОСФЕРНОЙ МОДУЛЯЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 667-669

УДК 524.1

МОДИФИКАЦИЯ БАЗОВОЙ МОДЕЛИ ГЕЛИОСФЕРНОЙ МОДУЛЯЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

© 2015 г. С. К. Герасимова, Г. Ф. Крымский, П. А. Кривошапкин, П. Ю. Гололобов, С. А. Стародубцев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и аэрономии имени Ю.Г. Шафера СО РАН, Якутск

E-mail: s_k_gerasimova@ikfia.sbras.ru

В ранее разработанной базовой модели модуляции космических лучей постулировались линейный рост и спад напряженности турбулентного магнитного поля в 11-летнем солнечном цикле. В данной работе рассмотрен процесс генерации турбулентности в солнечном ветре, обусловленный взаимодействием быстрых и медленных потоков. Интенсивность взаимодействия зависит от угла наклона нейтрального токового слоя в солнечном ветре. Рассмотренный механизм генерации турбулентности оправдывает основные предположения о поведении самой турбулентности в солнечном цикле, положенные ранее в основу базовой модели.

DOI: 10.7868/S0367676515050221

ВВЕДЕНИЕ

В работе [1] нами была предложена теория модуляции галактических космических лучей (КЛ) для энергий ~1 ГэВ на основе максимально упрощенной модели гелиосферы с единственным параметром к, который меняется с циклом солнечной активности (СА). Таким параметром является отношение регулярного и турбулентного магнитного поля в солнечном ветре, которое принималось одинаковым во всем объеме гелиосферы. Сумма этих полей считалась постоянной, а турбулентное поле менялось линейно со временем в периоды подъема и спада СА. В модели токовый слой гелиосферы совпадал с плоскостью солнечного экватора. В максимуме СА магнитное поле считалось чисто турбулентным.

Такая модель в целом удовлетворительно описывает модуляцию КЛ, наблюдаемую по измерениям как нейтронных мониторов [1] и на баллонах в стратосфере [2, 3], так и мюонных телескопов [4].

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЫСТРОГО

И МЕДЛЕННОГО СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА

Рассмотрим механизм, который управляет поведением регулярного и турбулентного поля. При этом, чтобы изменения теории были минимальными, будем считать радиальную компоненту регулярного поля в северной и южной полусферах однородной, не зависящей от гелиошироты и долготы, а отношение полей будем усреднять по сфере и относить ко всему объему гелиосферы.

Параметр к, полученный в результате таких усреднений, определяет величину модуляции КЛ

высоких энергий, поступающих к Земле извне по двум каналам: с высоких широт и вдоль низкоширотного слоя. В соответствии с [1] функция распределения КЛ испытывает вариации с циклом СА:

/„(к) = Ь0(+4к2 - 2кв~+ы)1т2 + 1) ± ,

2 к +1

/ = +Ь0к2 (2 ±х/к У(к2 + 1),

где индексы к, Iсоответствуют высокоширотному и низкоширотному каналам, а верхний и нижний знаки отвечают положительной и отрицательной полярностям общего магнитного поля Солнца (регулярное поле в северном полушарии направлено от Солнца и к Солнцу соответственно). Па-

2

раметр Ь0 = (у + 2)ир —+-/>, где / — фоновая

V р к

(немодулированная) функция распределения КЛ, у = 2.5 — показатель спектра КЛ, и = 400 км • с-1 — средняя скорость солнечного ветра, с — скорость

света, р1 = вИ^Щ/с, И = 3.5 • 10-5 Гс — радиальная компонента регулярного магнитного поля на орбите Земли, Щ « 1.5 • 1013 см — радиус земной орбиты, р — импульс частиц, X = 4.6 — логарифм радиуса гелиосферы, выраженного в астрономических единицах. Совместное действие высокоширотного и низкоширотного каналов

/•„ч /„(к) /(к)

модуляции создает вариацию / (к) = .

/„(к) + /(к)

Ключевой элемент в базовой модели модуляции — уровень магнитной турбулентности в солнечном ветре, которая возникает как результат взаимодействия быстрого потока с медленным.

668

ГЕРАСИМОВА и др.

5I/I, % 5

няя скорость солнечного ветра, а ю — угловая скорость вращения Солнца. Угол у между нормалью к контактной поверхности и радиусом-вектором г

находится из

* 2 tg w

= _ (и

\ю r

2

cos 200 + cos 20 Столкновение быстрого ветра с медленным тем сильнее, чем меньше угол. Нормальная к поверх-

Ли u_ т"*

_______ ____^_____________ и = cos— ■ Если

она больше альфвеновской, то возникает ударная волна. Энергия, выделяемая в ударной волне, сначала преобразуется в энергию турбулентности, а затем переходит в тепло. Напряженность

турбулентного поля Hturb = 412яр, так как показатель адиабаты равен 4/3. Напряженность регуляр-

ного поля равна H = H

R22 (о>Я

+

Ч

sin 0, где H*

25 '..................................................

1970 1976 1982 1988 1994 2000 2006 2012

t, год

Зависимость интенсивности космических лучей, зарегистрированных нейтронным монитором на станции Оулу, Финляндия (сплошная кривая) и модельные расчеты (штрихпунктир) от времени.

Положим, что быстрый ветер, исходящий из высокоширотных областей Солнца, занимает большую часть северной и южной полусфер, а медленный — низкоширотный слой в телесном угле <§ 4п, который совпадает с магнитным экватором Солнца. На протяжении магнитного цикла он отклоняется от плоскости солнечного экватора, а в максимуме активности отклонение становится максимальным. Кривая, описывающая "кувырок" магнитного диполя Солнца в 22-летнем цикле и показывающая изменение полярного угла его оси, известна из результатов работы [5]. Полярный угол магнитного полюса положим равным 0 0. Если каждый раз брать тот полюс, который находится в северной полусфере, то будем иметь 0 < 0О < я/2.

Рассмотрим взаимодействие быстрого и медленного потоков в северной полусфере. Границу быстрого и медленного солнечного ветра — контактную поверхность — расположим в плоскости магнитного экватора, а сам экватор будем считать отклоненным от гелиоэкватора. Тогда вблизи Солнца контактная поверхность будет описываться уравнением cos ф = ctg0octg0. Долготный угол ф отсчитывает-ся от меридиана, противоположного тому, на котором располагается ось магнитного диполя. С удалением от Солнца контактная поверхность искривляется и описывается уравнением cos^ — — юг/и) = ctg 0octg 0, здесь и = (и+ + и_)/2 — сред-

V V и

радиальная компонента регулярного магнитного поля на орбите Земли, а параметр к = Н/НШгЬ теперь является функцией от (0, ф). В тех направлениях, в которых не образуется ударная волна, этот параметр становится бесконечным, но это не является препятствием для вычисления осредненного к, поскольку применяется гармоническое осреднение, т.е. производится осреднение обратной величины. При этом величина к-1 интегрируется по сфере и относится к 4я. Результат зависит от угла наклона солнечного магнитного диполя 0О.

Описанный здесь способ получения эффективного к не учитывает одного важного обстоятельства. Магнитный поток, выходящий из Солнца в северное и южное полушария, меняется с изменением угла 0О, поскольку в каждом из них существует поле противоположного знака. Поэтому среднее поле Н необходимо умножить на фактор к1 = (1 - 20О/п). Тогда в период максимума солнечного цикла, когда 0 0 = я/ 2, эффективное регулярное поле исчезает. С учетом этого необходимо ввести поправки в величину к и параметр ръ входящий в коэффициент Ь0. Обе эти величины должны быть умножены на тот же фактор к1. В период минимума, когда 0О = 0, параметр к становится бесконечным из-за отсутствия источника турбулентности. В базовой модели [1] постулировалось существование остаточной турбулентности, в результате чего параметр к был ограничен и согласно данным наблюдений ктах = 5. Оставим это предположение в силе и в данном случае. В качестве иллюстрации на рисунке приведены интенсивность КЛ с 20 по 24 циклы СА и соответствующие этому модельные расчеты. Они выполнены для частиц с эффективной энергией 13 ГэВ. Из рисунка видно, что теория корректно воспроизводит известную картину модуляции галактиче-

2

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015

МОДИФИКАЦИЯ БАЗОВОЙ МОДЕЛИ ГЕЛИОСФЕРНОЙ МОДУЛЯЦИИ

669

ских КЛ: острые и плоские максимумы в различных циклах СА чередуются в правильном порядке, а глубина модуляции не противоречит наблюдениям. Из рисунка также следует, что до максимума 23-го цикла эксперимент и теория удовлетворительно согласуются между собой, а в последующем между ними наблюдается значительное расхождение. Это может быть понято, если принять во внимание, что помимо уровня турбулентности солнечного ветра модуляция КЛ зависит также и от напряженности регулярного магнитного поля. Значительное уменьшение этой величины в 23-м цикле активности Солнца и привело к данному расхождению. Увеличение значения параметра к до 15 устраняет это несоответствие [4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, для каждого момента времени в течение 22-летнего магнитного цикла СА мы можем вычислить наклон солнечного диполя 0 0, параметр к и величину модуляции///0. А предложенный в этой работе механизм генерации турбулентности оправдывает предположения о поведении самой турбулентности в солнечном цикле, положенные ранее в основу базовой модели ге-лиосферной модуляции КЛ.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 12-02-98506-р_восток-а, 12-02-98507-р_во-сток-а, 13-02-00585-а, 13-02-00989-а), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 31, гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ (НШ-3269.2014.2). Мы благодарим проф. И. Усос-кина за любезно предоставленные данные нейтронного монитора станции Оулу (Финляндия).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А., Мамрукова В.П., Герасимова С.К // ЖЭТФ. 2007. Т. 131. Вып. 2. С. 214.

2. Свиржевская А.К., Свиржевский Н.С., Стожков Ю.И. // Изв. РАН. Сер. физ. 2009. Т. 73. № 3. С. 354.; Svirzhevskaya A.K., Svirzhevsky N.S., Stozh-kov Yu.I. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2009. V. 73. № 3. P. 337.

3. Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А., Герасимова С.К. и др. // Письма в Астрон. журн. 2012. Т. 38. № 9. С. 681.

4. Крымский Г.Ф., Гололобов П.Ю., Кривошапкин П.А. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98. Вып. 12. С. 867.

5. Bravo S., StewartG. // Astrophys. J. 1995. V 446. P. 431.

5 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015

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