ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 7, с. 978-980
УДК 523.165
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОННЫХ СОБЫТИЙ
© 2007 г. В. М. Дворников, М. В. Кравцова, А. А. Луковникова, В. Е. Сдобнов
Институт солнечно-земной физики СО РАИ, Иркутск E-mail: sdobnov@iszf.irk.ru, dvornikov@iszf.irk.ru
По временным вариациям параметров жесткостного спектра КЛ исследованы динамические процессы в межпланетном пространстве и установлено, что изменение электромагнитных характеристик гелиосферы начинается до спорадических явлений на Солнце. В частности, показано, что перед спорадическими явлениями происходит генерация локальных поляризационных электрических полей, понижение напряженности магнитных полей в мелкомасштабных структурах гелиосферы, а также возрастание разности потенциалов между полюсом и плоскостью эклиптики. Использование совокупности данных признаков позволяет осуществлять прогноз солнечных протонных событий с заблаговременностью от нескольких часов до нескольких десятков часов с высокой степенью оправдываемости.
ВВЕДЕНИЕ
Осуществление прогноза солнечных протонных событий (СПС) сопряжено со значительными трудностями, обусловленными рядом осложняющих обстоятельств, основным из которых является отсутствие теоретически обоснованных алгоритмов решения данной задачи. По этой причине невозможно определение необходимых и достаточных признаков для распознавания предвспы-шечной ситуации на Солнце. Но даже в том случае, если бы эта задача была решена, возникли бы трудности с предсказанием локализации потоков ускоренных частиц в межпланетном пространстве, а следовательно, с предсказанием их попадания на Землю. Пожалуй единственно возможной ситуацией, при которой задача прогнозирования СПС может быть решена, является ситуация, когда накопление энергии вспышки происходит вследствие динамики токовых систем, не только локализованных в солнечной короне, но и простирающихся до некоторых расстояний в гелиосфере. В этом случае целесообразно попытаться на основе диагностики гелиосферы по эффектам в космических лучах (КЛ) обнаружить предвестники СПС, тем более что такая диагностика осуществляется на силовых линиях межпланетного магнитного поля (ММП), которые связывают в данный момент Землю с соответствующими областями на Солнце. Указания на существование таких ситуаций получены в [1-3]. Реализация данной возможности и есть цель предлагаемой работы.
ДАННЫЕ И МЕТОД
Для анализа использованы среднечасовые данные наблюдений интенсивности протонов в энер-
гетических диапазонах 4-9, 9-15, 15-40, 40-80, 80165 и 165-500 МэВ, полученные на спутнике GOES-10 [4] и данные о вариациях интенсивности КЛ различных жесткостей, полученные методом спектрографической глобальной съемки (СГС) [5] по наземным измерениям на мировой сети нейтронных мониторов (38 станций).
При анализе для описания жесткостного спектра КЛ в широком диапазоне энергий использовалось аналитическое выражение, полученное в предположении, что жесткостной спектр в Галактике описывается степенной функцией от жесткости КЛ, а изменение их интенсивности в межпланетном пространстве происходит (из-за изменения энергии в регулярных электромагнитных полях гелиосферы) в соответствии с теоремой Лиувилля, т.е. при условии постоянства плотности частиц вдоль траекторий движения в фазовом пространстве [6]. Параметры спектра Д£ь Де2, а, в и Я0 отражают следующие характеристики гелиосферы: параметр Дех характеризует изменения энергии КЛ за счет градиентного и центробежного дрейфов частиц в спиралевидном ММП против индуцированного электрического поля и пропорционален напряженности ММП, а Де2 - в полях корональных выбросов массы (КВМ) и пропорционален напряженности поля в КВМ и скорости СВ. Параметр а = = В/В0, В0 - напряженность фонового, а В - переменного во времени ММП, отражает влияние на спектр КЛ (при магнитной жесткости частиц Я < < Я0) нестационарных во времени магнитных полей, а параметр а = Е2р1/В2 - поляризационных электрических полей Ер1, возникающих при распространении ускоренных частиц в неоднородных полях гелиосферы. Предположение о существова-
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОННЫХ СОБЫТИЙ
979
нии таких полей основано на лабораторных экспериментах Линдберга по изучению движения пучка ускоренной плазмы в искривленном магнитном поле ([7 и ссылки там]). В частности, в данной работе показано, что в определенном диапазоне параметров пучка, когда плазма попадает в область искривленного поля, происходит разделение зарядов вследствие дрейфа электронов и протонов в противоположные стороны и возникают поляризационное электрическое поле, ортогональное магнитному полю; деполяризующие продольные токи и продольные электрические поля, под действием которых происходит аномальное отклонение пучка; пучок из цилиндрического превращается в плоский, а деполяризующие токи искажают первоначальное магнитное поле.
Естественно предположить, что через такие поля происходит обмен энергией между ускоренными частицами и фоновыми частицами плазмы солнечного ветра и КЛ в гелиосфере, в результате чего происходит трансформация жесткостного спектра фоновых КЛ. Данное обстоятельство было учтено при выводе аналитического выражения для жест-костного спектра, используемого при анализе.
Таким образом, определяя параметры дифференциального жесткостного спектра КЛ по данным его измерений в широком диапазоне энергий за каждый час наблюдений, можно осуществлять мониторинг электромагнитных характеристик ге-лиосферы и их динамики.
С использованием изложенной методики был выполнен мониторинг межпланетной среды за период октябрь-ноябрь 2003 г. и за 2004 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА
На рис. 1 на трех верхних панелях треугольниками представлены данные наблюдений протонных интенсивностей в энергетических интервалах 4-9 МэВ (0.108 ТВ), 9-15 Мэв (0.223 ТВ) и 5 ТВ, а сплошными кривыми - результаты расчетов с использованием модельного спектра и полученных значений его параметров; на четвертой панели -значения Dst-индекса. На четырех нижних панелях приведены среднечасовые значения параметров жесткостного спектра Ае1, а, в и Я0, определенные за исследуемый период.
На основе сравнения временных вариаций параметров жесткостного спектра КЛ с временными профилями интенсивности КЛ низких энергий (первые две панели на рис. 1) можно заключить, что накануне солнечных протонных событий происходят изменения электромагнитных характеристик гелиосферы. В частности, можно видеть, что за несколько часов или десятков часов перед СПС происходит генерация локальных поляризационных электрических полей (возрастание параметра а), понижение напряженности магнитных полей в
Протоны • ( см2 • с • ср • MB)
,-1
^2 |i I I I 11 I I I 11 I I I 11 I I 11 I I I 11
1001 0.223 ГВ
Ю-2 10-4
10-5
8 • 10-6 6 • 10-6 4 • 10-6
I I м I I I I I I I I I I I I I I I
5 ГВ
111111111111111111111
Dst, нТл 0
-200 -400 ■
R0, ГВ
3 2
1 0
Ае1, ГэВ
111111111111111111111
1.2 0.8 0.4 а 0.24 0.20 0.16 ß
2
1 0
5 10 15 20 25 30 5 10 15 20 25 30 октябрь ноябрь
2003 г.
Рис. 1. Временные профили интенсивности КЛ с R = = 0.108, 0.223 и 5 ГВ (сплошная линия - расчет, треугольники - данные наблюдений), Dst-индекса и параметров жесткостного спектра КЛ R0, Ае^ а, ß за период октябрь-ноябрь 2003 г. Вертикальными линиями на верхней панели отмечены моменты появления предикторов СПС.
мелкомасштабных структурах гелиосферы (уменьшение параметра в), а также возрастание напряженности крупномасштабного спиралевидного ММП (параметр Аг1).
Данное обстоятельство позволяет надеяться на возможность прогноза СПС при мониторинге электромагнитных характеристик гелиосферы (в режиме реального времени) по эффектам в космических лучах.
Совокупность этих трех признаков была использована для эпигноза СПС на двухмесячной выборке данных в октябре-ноябре 2003 г. и на годовой выборке 2004 г. На верхней панели рис. 1 вертикальными линиями отмечены моменты реа-
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 7 2007
4*
980
ДВОРНИКОВ и др.
Протоны • ( см2 • с • ср • MB) 102-
10
10
100
200
300
Дни 2004 г.
Рис. 2. Временной профиль интенсивности КЛ в энергетическом диапазоне 4-9 МэВ в 2004 г. Пунктирными вертикальными линиями отмечены моменты появления предикторов СПС.
лизации указанных признаков, являющихся предикторами для СПС. На рис. 2 представлена аналогичная информация за 2004 г., которая демонстрирует высокую (около 90%) степень оправдываемости разработанной методики прогноза.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Диагностика электромагнитных условий в межпланетном пространстве по эффектам в КЛ
позволяет осуществлять прогноз солнечных протонных событий с заблаговременностью от нескольких часов до нескольких десятков часов с высокой степенью оправдываемости, что указывает на адекватность используемой модели модуляции и на достоверность получаемой информации о динамических процессах в гелиосфере.
Данная работа поддержана комплексным интеграционным проектом СО РАН-2006 № 3.10 и программой Президиума РАН "Нейтринная физика" в рамках проекта "Исследование модуляционных эффектов космических лучей методом наземного и стратосферного мониторинга".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Володичев H.H., Кужевский Б.М., Нечаев О.Ю., Савенко H.A. // Косм. исслед. 1985. Т. 23. Вып. 5. С. 748.
2. Дворников В.М., Сдобное В.Е., Сергеев A.B. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1984. Т. 48. № 11. С. 2140.
3. Дворников В.М., Сдобное В.Е., Сергеев A.B. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1988. Т. 52. № 12. С. 2435.
4. http://spidr.ngdc.gov/spidr/index.html
5. Dvornikov V.M., Sdodnov VE. // J. Geophys. Res. A. 1997. V. 102. № 11. P. 24209.
6. Дворников В.М., Кравцова М.В., Сдобное В.Е. // Байкальская международная молодежная научная школа по фундаментальной физике. Иркутск, 2005. С. 167.
7. Алъвен X. Космическая плазма. M.: Мир, 1983. 213 с.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 7 2007
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.