ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 2, с. 156-162
УДК 551.510
СОЛНЕЧНОЕ ПРОТОННОЕ СОБЫТИЕ В ДЕКАБРЕ 2006 г.
© 2009 г. В. М. Дворников, В. Е. Сдобнов
Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск e-mail: dvornikov@is7f.irk.ru; sdobnov@iszf.irk.ru Поступила в редакцию 31.07.2008 г. После доработки 10.11.2008 г.
По данным наземных измерений интенсивности космических лучей (КЛ) на мировой сети станций методом спектрографической глобальной съемки исследованы вариации жесткостного спектра и анизотропии КЛ в декабре 2006 г. Показано, что 13 декабря в 04:00 UT наблюдалась наибольшая степень анизотропии (до ~50%) с максимальной интенсивностью частиц с жесткостью 4 ГВ в антисолнечном направлении (асимптотическое направление —25°, ~160°). При совместном анализе наземных и спутниковых измерений протонов в энергетическом интервале от единиц МэВ до десятков ГэВ определены параметры жесткостного спектра КЛ, которые отражают электромагнитные характеристики полей гелиосферы за исследуемый период. На основе анализа результатов дано объяснение наблюдаемой анизотропии и вариаций КЛ в широком энергетическом диапазоне.
PACS: 96.50.S
1. ВВЕДЕНИЕ
Декабрь 2006 г. характеризуется целой серией событий на Солнце, связанных с активной область 0930. В частности, на космическом аппарате ООЕ8-11 5 декабря в 11:40 иТ было зарегистрировано возрастание потоков протонов в энергетическом диапазоне 0.8—4 МэВ, вызванных вспышкой на Солнце (Х9), с координатами 807, Е68, произошедшей 5.12.06 (начало в 10:21, время максимума в 10:35 и конец вспышки в 10:45 иТ). Начало возрастания потоков более энергичных частиц произошло значительно позднее (примерно в 16—17 иТ) [http:sgd.ngdc.noaa.gov/sgd/].
Солнечная вспышка (Х3), произошедшая 13 декабря, началась в 02:17 иТ в области с координатами 805, W23, сопровождалось корональ-ным выбросом массы (КВМ) и солнечным протонным событием (СПС). Начало возрастания интенсивности низкоэнергичных частиц было зарегистрировано на ИСЗ ООЕ8-11 в 03:25— 03:30 иТ. Начало возрастания интенсивности высокоэнергичных космических лучей (КЛ) 13 декабря 2006 г. было зарегистрировано наземной сетью нейтронных мониторов (ОЬЕ) в 02:50 иТ. Эти события вызвали возмущения в межпланетной среде, а также в ионосфере и магнитосфере Земли, самые значительные из которых произошли 6 и 15 декабря. В частности, 15 декабря наблюдалась сильная геомагнитная буря (Лй--150 нТл).
Целью предлагаемой работы является изучение проявлений всего этого комплекса явлений в межпланетном пространстве по вариациям жест-костного спектра космических лучей (КЛ), параметры которого, в соответствие с моделью моду-
ляции регулярными электромагнитными полями гелиосферы [Dvornikov et al., 2006], отражают электромагнитные характеристики межпланетной среды.
2. ДАННЫЕ И МЕТОД
Для анализа использовались усредненные за часовые интервалы времени и откорректированные на геометрический фактор данные наблюдений интенсивности протонов в энергетических диапазонах 4-9, 9-15, 15-40, 40-80, 80-165 и 165-500 МэВ, полученные на спутнике GOES-11 [http://spidr.ngdc.gov/spidr/index.html]. Данные о вариациях интенсивности КЛ более высоких энергий были получены методом спектрографической глобальной съемки (СГС) [Dvornikov and Sdobnov, 1997] по наземным измерениям на мировой сети нейтронных мониторов (32 станции). Метод СГС позволяет получать информацию о вариациях углового и энергетического распределения первичных КЛ за пределами магнитосферы Земли, а также об изменениях планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания (ЖГО) за каждый час наблюдений. Были проанализированы вариации жесткостного спектра, анизотропии и изменения пороговых жесткостей геомагнитного обрезания за период с 1 по 31 декабря 2006 г. относительно базового уровня 10 июня 2004 г.
Для описания жесткостного спектра КЛ в широком диапазоне энергий использовалось выражение, полученное в работе [Dvornikov et al., 2006].
J( R) = A
' ,2 2л ■ ( е - б о )
(б + Де)2 - е0_
3/2
е + Де
е
- 7(е + Д е ) 2 - е0 - л/(е2 - е2) л/(е2" е0) ■
(1)
где е — полная энергия частиц; е0 — энергия покоя; A и у — спектральные индексы галактического спектра; Де — изменения энергии частиц в электромагнитных полях гелиосферы, определяемые выражением:
Де(R) = Део + Дб1[ 1 -f(R, b + Ro)] +
+ Дб2[ 1 -f(R, b + Ro)]f(R, Ro) + (2)
+ [е( 1 - ea/2) + е - (7Р(Б2 - е0) + е0)f(R Ro),
Уравнение (1) получено на основе теоремы Ли-увилля в предположении, что в рассматриваемом диапазоне энергий отсутствуют источники частиц солнечного происхождения (СКЛ). В том случае, когда это предположение нарушается, выражение (1) не описывает наблюдаемый спектр частиц и по этим расхождениям можно идентифицировать приход СКЛ.
Выражение (2) было получено из решения уравнения движения частиц в общем виде в дрейфовом приближении [Морозов и Соловьев, 1963] в предположении, что наряду с индуцированным электрическим полем, в гелиосфере могут генерироваться поляризационные и вихревые электрические поля. Указания на возникновение таких полей были получены в лабораторных экспериментах Л. Линдберга [см. Альвен, 1983 и ссылки там].
Параметры спектра Де1, Де2, а, р, и R0 отражают следующие характеристики гелиосферы: R0 — параметр, характеризующий масштаб структур -ных образований в гелиосфере с нестационарными электромагнитными полями, параметр Де1 характеризует изменения энергии КЛ за счет градиентного и центробежного дрейфов частиц в спиралевидном межпланетном магнитном поле (ММП) против индуцированного электрического поля и пропорционален напряженности ММП, а Де2 — в полях КВМ и пропорционален напряженности поля в КВМ и скорости солнечного ветра (СВ) [Dvornikov and Sdobnov, 2002]. Параметр р = = В/В0, B0 — напряженность фонового, а B — переменного во времени ММП, отражает влияние на спектр КЛ (при магнитной жесткости частиц R < R0) нестационарных во времени магнитных полей, а
параметр а = E2pl /В2, — поляризационных электрических полей Epl. Квазиступенчатые функции f(R, R0), f(R, b + R0) введены для придания веса
тому или иному механизму изменения энергии частиц в энергетических интервалах: [0.108, Я0], [Я0, Я0 + Ь] и [Я0 + Ь, да] ГВ, где Ь = 5 ГВ. Эти функции стремятся к 1 при Я < Я0 или Я < Ь + Я0 и к нулю — при Я > Я0 или Я > Ь + Я0, соответственно. Выражение для квазиступенчатой функции и ее параметры, а также константа Аб0, учитывающая остаточную модуляцию для низкоэнергичных частиц были определены эмпирически в работе [Дворников, 2007].
Параметры жесткостного спектра и анизотропии КЛ определялись за каждый час наблюдений на всем исследуемом периоде.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА
На рис. 1, на трех верхних панелях, треугольниками представлены данные наблюдений протонных интенсивностей в энергетических интервалах 4—9 МэВ (0.108 ГВ), 9-15 МэВ (0.149 ГВ) и 5 ГВ, в скобках указана средняя для данного интервала жесткость частиц, а сплошными кривыми — результаты расчетов с использованием модельного спектра и полученных значений его параметров. На четвертой панели представлены среднечасовые значения амплитуды первой сферической гармоники, а на пятой - второй гармоники в угловом распределении частиц с жесткостью 4 ГВ. На следующих четырех панелях представлены параметры жесткостного спектра Аб1, Аб2, а, р и Я0, определенные за исследуемый период. Далее, на четырех панелях нанесены, соответственно, модуль ММП, углы ¥ и А, характеризующие ориентацию вектора ММП в межпланетном пространстве, а также скорость СВ. На нижней панели представлены значения изменений ЖГО при Яс = = 4 ГВ совместно с Лй-индексом.
На рис. 2 приведены временные профили интенсивности КЛ с жесткостями, указанными на графиках, за период с 10 по 20 декабря.
На рис. 3 представлены дифференциальные жесткостные спектры КЛ в отдельные моменты времени исследуемого периода совместно с фоновым спектром КЛ. Результаты расчетов модельного спектра в моменты времени, указанных на графиках, обозначены кривой 2, а треугольники - данные наблюдений. Расчетный фоновый спектр показан кривой 1, а данные наблюдений — точками.
На рис. 4 приведены относительные изменения интенсивности КЛ с Я = 4 ГВ в зависимости от асимптотических направлений в солнечно-эклиптической геоцентрической системе координат для различных моментов времени 13 декабря 2006 г. в период наблюдения ОЬЕ.
х
Y
х
PQ
о
л
(D
н о
M
<D О
CS
S о
И о
H
о л
С8 х 10-6-
*90 а зо
^-30 ^-90 *1000г
> 600-
M
^ 200L
_|_I_I_I_I_L
J_I_I_I_I_I_I_L
_l_I_I_l_
_l_I_I_L_
PQ
0.3 0
-0.3 -0.6
V -Dst
0 Ê -80 *
t
-160*
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Декабрь, 2006 г.
Рис. 1. Три верхние панели, треугольники — данные наблюдений протонных интенсивностей в энергетических интервалах 4—9 МэВ (0.108 ГВ), 9—15 МэВ (0.149 ГВ) и 5 ГВ, сплошные кривые — результаты расчетов с использованием модельного спектра и полученных значений его параметров. Четвертая панель — среднечасовые значения амплитуды первой сферической гармоники. Пятая — среднечасовые значения амплитуды второй гармоники в угловом распределении частиц с жесткостью 4 ГВ. Панели 6—9 — параметры жесткостного спектра Лв^ Лв2, а, ß и Щ. Панели 10—13 — модуль ММП, углы W и X, характеризующие ориентацию вектора ММП в межпланетном пространстве, а также, — скорость СВ. Нижняя панель — значения изменений ЖГО при Rc = 4 ГВ совместно с Dst-индексом.
Декабрь, 2006 г.
Рис. 2. Временные профили интенсивности КЛ с различными жесткостями за период с 10 по 20 декабря.
T-J0-1
CQ
о
И10-3
M
<D
о
CS
s
310-5
Ii
О
H
о
л ~ С10-7
I
pq
510-1
л
(D H
° а
M 10-3
<D О
S
О
Ii
О
H
о л
(10
-5
-7
С 10
В
I10-1
л
<D H
О _
M 10-3
о
о
es
S
s4 с
Ii10-5
о н о
л -С10-7
I
pq
10
л
н10-1
M
<D
c2 Ю-3 S о
g10-5
H
о
л „ С 10-7
101 10 -1 10 -3 10 -5
10-7 0.1
10 -1
10
-3
10
-5
........1 ........1
.1 1 10
к = /Т\ V
=■
=- 04 UT 13.12.06
......... .........
.1 ш 1 10
10-7 0.1
10 -1
10
10
-3
10
10
-5
r ▲ ▲
à \a
: / V
f
r
=■ 05 UT 13.12.06 **
7 ■ 1 ........ ........
0.1 1 10
10
-1
10
-3
10
-5
10
-7
R, ГВ
R, ГВ
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.