ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 639-641
УДК 524.1-52:523.9
О ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПИТЧ-УГЛОВОГО РАССЕЯНИЯ ВБЛИЗИ 0 ~ 90° © 2015 г. В. М. Остряков
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение профессиолнального образования Санкт-Петербургский государственный политехнический университет E-mail: Valery.Ostryakov@mail.iojfe.ru
Известно, что квазилинейная теория питч-углового рассеяния частиц МГД-турбулентностью приводит к особенностям вблизи питч-углов 9 = 90°. В работе предложен простой способ измерения коэффициента питч-угловой диффузии в этой области, который основан на регистрации анизотропии потока обратнорассеянных вспышечных частиц. Эта возможность обусловлена взаимным геометрическим расположением области вспышки, части архимедовой спирали, по которой распространяются вспышечные частицы, и регистрирующего прибора. Наиболее надежно эта схема может работать для протонов от распада солнечных нейтронов для окололимбовых вспышек. В этом случае будут регистрироваться только протоны, испытавшие обратное рассеяние вблизи 9 = 90°, тогда как интенсивность прямого потока будет сильно ослаблена. Измерение временного хода анизотропии частиц в такой геометрии (при известном источнике) позволит выбрать наиболее адекватную модель их рассеяния в области питч-углов 9 = 90°.
DOI: 10.7868/S0367676515050348
ВВЕДЕНИЕ
Теория распространения в межпланетной среде заряженных частиц от солнечных вспышек имеет давнюю историю, насчитывающую более полувека. Первоначальные подходы были довольно простыми и сводились, как правило, к уравнениям одномерной пространственной диффузии для сферически-симметричных случаев с источниками, расположенными на поверхности Солнца [1]. Коэффициенты диффузии в таких моделях и их зависимости от свойств частиц, гелиоцентрического расстояния и других параметров задавались феноменологически, исходя из соответствия наблюдаемым данным. Дальнейшее развитие теории привело к необходимости учитывать и более сложные эффекты, такие как конвекцию, адиабатическое замедление в расширяющемся потоке солнечного ветра, питч-угловое рассеяние, фокусировку частиц в неоднородном межпланетном магнитном поле и т.д. [2]. Это, в частности, обусловливалось и более обширной бурно развивающейся экспериментальной базой по измерению свойств потоков частиц от Солнца: их временных профилей, энергетических спектров и анизотропии. Такие свойства довольно успешно могут быть объяснены на основании существующих по настоящее время моделей.
Одним из параметров в подобном моделировании является коэффициент питч-угловой диффузии частиц D , где ц = cos 9 — косинус питч-угла. Этот параметр может быть вычислен на основе квазилинейной теории резонансного взаимодей-
ствия частиц с волнами различных типов. Он определяет анизотропную стадию вспышечных событий и, в конечном итоге, дает величину продольного пробега частиц, поэтому численное его значение важно в целом для теории распространения частиц в межпланетном пространстве.
В настоящей заметке предложена схема эксперимента, в котором временной ход анизотропии вспышечных частиц зависит главным образом от интенсивности их рассеяния в области ц = 0, что дает возможность оценки этого важного параметра и, следовательно, выбора наиболее адекватной модели рассеяния у этой границы.
КОЭФФИЦИЕНТ ПИТЧ-УГЛОВОЙ ДИФФУЗИИ
Простые соображения позволяют сделать качественную оценку коэффициента питч-угловой диффузии, не зависящую от питч-угла: ~ и/€, где и — скорость частицы и € — транспортный пробег вдоль магнитного поля. Точные вычисления величины Бцц, основанные на квазилинейной теории, неоднократно проводились разными авторами для различных типов волн (см., например, раннее рассмотрение [3] и последние расчеты [4, 5]). Эта процедура привела к особенности вблизи границы ц = 0 (Бцц ^ 0 для крутых спектров турбулентности) и, как следствие, дала неограниченную величину среднего пробега частиц в межпланетном пространстве вдоль поля. Этот факт имеет решающее значение при рассмотрении анизотропной
639
3*
640
ОСТРЯКОВ
Схема возможного наблюдения (в позиции ф) вспы-шечных частиц при их питч-угловом рассеянии в "обратную" полусферу (9 > 90°) за счет нелинейного взаимодействия с рассеивающей турбулентностью. Наиболее благоприятные условия измерений могут быть обеспечены протонами от распада нейтронов от солнечных вспышек.
стадии движения частиц, а именно: асимптотика Вцц ^ 0 при ц ^ 0 не позволяет частицам из одной полусферы по питч-углу попадать в другую полусферу, что противоречит многочисленным экспериментам, ни в одном из которых подобных особенностей зарегистрировано не было. Более того, анизотропная стадия солнечных событий оказывается значительно короче (часы) последующей изотропной стадии. Эта проблема получила в свое время даже специальное название — проблема рассеяния при ц = 0 [6] и дала начало некоторой дискуссии в научной литературе. Для ее решения привлекались различные типы нелинейных процессов (в том числе и на феноменологическом уровне), учитывался следующий (второй) порядок малости в квазилинейном подходе, вводилось предположение о нестационарности турбулентности, учитывалось уширение резонан-сов и др. (Обсуждение этих эффектов для галактических космических лучей см. в [7].) Однако все эти подходы носили исключительно теоретический характер, поэтому проведение измерений коэффициента диффузии по питч-углу вблизи
границы ц = 0 могли бы стать ограничивающим (или даже решающим) фактором при выборе соответствующей теоретической модели рассеяния.
СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Ясно, что для оценки коэффициента диффузии по питч-углу необходимо изучение анизотропной стадии распространения частиц, которая, как уже указывалось, является короткой. Обычно вспы-шечные частицы представляют собой смесь прямого и обратнорассеянного потоков протонов, трудно различимых в реальных условиях. К ним добавляются частицы с "соседних" силовых линий за счет поперечной пространственной диффузии. Поэтому выбор соответствующей геометрии, способной исключить прямой поток, имел бы важное значение для обсуждаемой оценки величины Бцц . Такая геометрия представлена на рисунке. Из этого рисунка видно, что регистрирующая аппаратура должна находиться в теневой области вспышки (другими словами, изучаться должны залимбовые — или близкие к таковым — солнечные события). При этом первичные ускоренные протоны в основной своей массе распространяются вдоль силовой линии А архимедовой спирали, значительно удаленной от силовой линии В, на которой расположен регистрирующий аппарат. Это приводит к тому, что попадающие на прибор частицы должны были испытать поперечную (относительно межпланетного магнитного поля) диффузию, которая на порядок слабее продольной. Если же в качестве регистрируемых частиц рассматривать протоны от распада нейтронов вспышечного происхождения, то можно рассчитать количество частиц, попадающих на данную силовую линию без дополнительного рассеяния вне ее [8]. При этом частицы, попавшие на эту линию, будут иметь исключительно питч-углы ц > 0 (вспышка около-лимбовая!). Следовательно, их регистрация возможна только после рассеяния вблизи 9 = 90°, т.е. после переброса частицы в полусферу с ц < 0. Заметим, однако, что регистрация нейтронов от вспышки (и протонов от их распада) — не частое событие. До сих пор известно несколько таких вспышек, в которых по опережающему приходу были идентифицированы распадные протоны в области энергий десятки—сотни МэВ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в настоящей работе предложен простой метод регистрации обратнорассеянных вспышечных частиц в межпланетном пространстве, который основан на взаимном расположении регистрирующего прибора, источника частиц (вспышечная область) и области их распространения на соответствующей силовой линии архимедовой спирали. Наиболее эффективными
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015
О ВОЗМОЖНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА
641
для такого эксперимента будут нейтроны, генерируемые во вспышках. Их распад в районе силовой линии, на которой расположен регистрирующий прибор, приводит к тому, что (распадные) протоны, прибывающие на несколько часов раньше первичных протонов, изначально должны иметь ц > 0, поэтому их регистрация в области тени (а в этой области уже ц < 0, см. рисунок) с неизбежностью будет следствием перехода частиц через границу ц = 0. Таким образом, измерение временного хода анизотропии распадных протонов даст возможность оценить значение коэффициента питч-угловой диффузии в этой области. Последнее обстоятельство, по-видимому, поможет выбрать наиболее адекватную модель рассеяния частиц около границы ц = 0, так как разные модели приводят к различной зависимости Бцц от ц в области малых значений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дорман Л.И., Мирошниченко Л.И. // Солнечные космические лучи. М.: Наука, 1968. С. 468.
2. Топтыгин И.Н. // Космические лучи в межпланетных магнитных полях. М.: Наука, 1983. С. 304.
3. Jokipii R. // Astrophys. J. 1966. V. 146. P. 408.
4. Srinivasan S., Shalchi A. // Astrophys. Space Sci. 2014. V. 350. № 1. P. 197.
5. Tautz R.C., Shalchi A., Schlickeiser R. // Astrophys. J.
2008. V 685. L165.
6. Shalchi A. // Nonlinear cosmic ray diffusion theories. Astrophys. and Space Science Library. DOI: 10.1007/978-3-642-00309-7_3, Berlin Heidelberg: Springer-Verlag,
2009.
7. Федоренко В.Н., Остряков В.М. // Астрофизика. 1987. Т. 26. № 2. С. 285.
8. Курганов И.Г., Остряков В.М. // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32. № 3. С. 149.
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.