ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 627-630
УДК 524.1-52:523.9
СОЛНЕЧНЫЕ ПРОТОННЫЕ СОБЫТИЯ В ЦИКЛАХ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ 21-24
© 2015 г. Г. А. Базилевская1, Ю. И. Логачёв2, Э. В. Вашенюк3, Е. И. Дайбог2,
В. Н. Ишков4, 5, Л. Л. Лазутин2, Л. И. Мирошниченко2, 4, |М. Н. Назарова И. Е. Петренко6, Г. М. Сурова2, О. С. Яковчук2
E-mail: bazilevs@sci.lebedev.ru
Показано, что, несмотря на низкую солнечную активность на фазе роста и максимума цикла 24, число солнечных протонных событий (СПС) с энергией протонов Е > 10 МэВ и Е > 100 МэВ в этом цикле мало отличается от числа таких же событий в предшествующих циклах 21—23. При этом наблюдается дефицит наиболее мощных событий типа GLE, которые характеризуются высокими значениями потока протонов с Е > 100 МэВ. Отношение числа СПС с Е > 10 МэВ и Е > 100 МэВ к числу солнечных пятен в цикле 24 выросло вдвое по сравнению с циклами 21—23, а относительное число GLE вдвое уменьшилось. Характеристики вспышек и выбросов корональной массы, ассоциированных с протонными событиями с Е > 100 МэВ, в цикле 24 практически не отличаются от аналогичных параметров в цикле 23.
DOI: 10.7868/S0367676515050142
ВВЕДЕНИЕ
Энергичные солнечные частицы, или солнечные космические лучи (СКЛ), регистрируются в межпланетном и околоземном пространстве после мощных взрывных энерговыделений на Солнце. Энергия СКЛ во много раз превосходит энергию других солнечных частиц и излучений, достигая иногда десяти ГэВ и выше. В этом случае СКЛ генерируют каскады в атмосфере Земли и регистрируются наземными установками, представляя собою особый класс событий СКЛ — так называемые наземные возрастания (ОЬБ). Эти события представляют большой интерес как для выяснения механизмов ускорения и распространения заряженных частиц на Солнце и в межпланетной среде, так и для определения радиационной опасности в околоземном пространстве. Текущий 24-й цикл солнечной активности отличается дефицитом на-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение Российской академии наук Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), Москва.
2 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ).
3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Полярный геофизический институт Кольского научного центра Российской академии наук (ПГИ КНЦ РАН).
4 Федеральное государственное бюджетное учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пуш-кова РАН (ИЗМИРАН).
5 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук.
6 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова".
земных возрастаний. На апрель 2014 г. (64-й месяц с начала цикла 24), зарегистрировано всего два таких события (17.05.2012 г. и 06.01.2014 г. [1, 2]), тогда как в предыдущих циклах за тот же период было зарегистрировано от 7 до 13 событий. Мы анализируем солнечные протонные события (СПС) и сопровождающие их явления на Солнце на протяжении 21—24 циклов активности, обращая внимание на наиболее мощные СПС.
СТАТИСТИКА СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОННЫХ СОБЫТИЙ
Начиная с 1970 г., СПС, в которых наблюдались протоны с энергией Е > 10 МэВ и потоком J > 1 рГи (1 рГи = 1 см-2 • с-1 • ср-1), собраны в каталогах под редакцией Ю.И. Логачева [3]. Эти каталоги содержат также данные о родительских вспышках и других сопутствующих явлениях и являются однородными рядами данных, поскольку критерии отбора событий оставались неизменными во время работы над Каталогами с начала 1980-х годов. Однородность длительных временных рядов — это необходимое условие статистических исследований, поэтому данная работа базируется на [3], хотя для сравнения привлекались результаты других каталогов [4—7]. Помимо опубликованных каталогов данная работа содержит результаты текущей работы авторов по анализу событий 23-го и 24-го солнечных циклов — с 1997 г. по апрель 2014 г. (64-й месяц 24-го солнечного цикла).
Первое событие 24-го цикла с потоком солнечных протонов в максимуме временного профиля
628 БАЗИЛЕВСКАЯ и др.
Таблица 1. Статистика СПС за первые 64 месяца циклов 21—24
Начало Месяц 64 Число событий за 64 месяца
ОЬБ N(>100 МэВ) N(>10 МэВ)
21 1976.5 1981.71 8 37 84
22 1986.8 1992.04 13 55 105
23 1996.4 2001.63 7 30 50
24 2009.0 2014.29 2 37 64
/(>10 МэВ) > 1 р& произошло в августе 2010 г., в 20-м месяце после начала цикла. Для сравнения активность СКЛ в цикле 21 началась в 3-м месяце после начала цикла, а в циклах 22 и 23 — в 8-м и
ЩБ > 10 МэВ)
160
140
120
100
80
60
40
20 ■ 1
0
ЩБ > 10 МэВ)
160 -
140 -
120 -
100 -
80 -
60 - |
40
20
50 100
ЩБ > 100 МэВ)
0 10 20
N ОЬБ
Рис. 1. а — соотношение между числом событий с протонами с Е >10 МэВ и Е >100 МэВ в циклах 21 (крестики), 22 (серые кружки), 23 (светлые треугольники) и 24 (черные кружки). Для цикла 24 взяты данные по апрель 2014 г; б — то же , но для событий с протонами с Е >10 МэВ и числа ОЬБ.
19-м месяцах соответственно. Несмотря на слабое, по сравнению с предыдущими циклами, развитие пятнообразовательной активности, число СПС с протонами с энергией выше 10 МэВ и выше 100 МэВ - N(>10 МэВ) и N(>100 МэВ) на фазе роста и максимума цикла 24 вполне сравнимо с предыдущими циклами, тогда как число ОЬБ заметно меньше. Данные о солнечной активности и числе СПС за первые 64 месяца циклов 21-24 представлены в табл. 1 и 2.
Чтобы учесть, что цикл 24 слабее предыдущих циклов по числу пятен [8], можно использовать накопленное за 64 месяца число пятен и отнести к нему число СПС. Накопленное число событий в данный месяц представляет собой сумму событий за время, прошедшее с начала цикла. Результаты даны в табл. 2. Видно, что относительное число СПС с Б >10 МэВ и Б > 100 МэВ заметно возросло в цикле 24, тогда как относительное число ОЬБ упало.
Соотношение между накопленными числами СПС с Б >10 МэВ и Б > 100 МэВ в циклах 21-24 показано на рис. 1а, откуда видно, что все циклы достаточно похожи и цикл 24 не отличался по этому параметру от предыдущих циклов. События с Е >10 МэВ и Б > 100 МэВ начинаются примерно одновременно, с разницей менее полугода, и соотношение между ними сохраняется в течение цикла. События ОЬБ в циклах 21, 22, 23 и 24 начались через 15, 33, 18 и 40 месяцев после начала цикла соответственно. Это видно на рис. 1б, где показано соотношение между накопленными числами СПС с Б > 10 МэВ и ОЬБ. Видно, что это соотношение подобно для циклов 21 и 23, а в циклах 22 и 24 генерация ОЬБ запаздывала по сравнению с СПС (Е >10 МэВ). В цикле 22, в котором долгое время не было ОЬБ, соотношение между ними и СПС (Е >10 МэВ) быстро достигло значения, близкого к циклам 21 и 23. В цикле 24 первое наземное возрастание СКЛ произошло на 41-м месяце цикла, и к 64-му месяцу их всего 2, причем официально признано только 17.05.2012 г.
Считая, что цикл 23 был типичным по характеристикам СПС и наиболее полно отражен в данных о возможных источниках солнечных протонов, дальнейшее рассмотрение ограничим циклами 23 и 24. Сосредоточим внимание на СПС с
а
СОЛНЕЧНЫЕ ПРОТОННЫЕ СОБЫТИЯ В ЦИКЛАХ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ 21-24
629
протонами Е >100 МэВ, которые включают в себя GLE, и попытаемся найти различия в характеристиках СПС(>100 МэВ) для циклов 23 и 24. Распределение событий на интервал потока для /(>100 МэВ) оказалось более крутым в цикле 24 (kJ-13), чем в цикле 23 (к/-11). Кроме того, в цикле 24 вообще отсутствовали события с /(>100 МэВ) > > 100 pfu. В распределении 23-го цикла такие события составляли более 5%. Следует заметить, что именно GLE характеризуются высокими значениями /(>100 МэВ). Таким образом, дефицит GLE в цикле 24, по-видимому, отражает отсутствие интенсивных потоков протонов с E > 100 МэВ.
ВСПЫШКИ И КВМ, СВЯЗАННЫЕ С СОБЫТИЯМИ, В КОТОРЫХ НАБЛЮДАЛИСЬ ПРОТОНЫ С Е >100 МэВ
Известно, например, [9-10], что наиболее вероятными источниками ускоренных частиц, регистрируемых после взрывных энерговыделений на Солнце, являются вспышки и корональные выбросы массы (КВМ). Как правило, частицы генерируются вспышками, имеющими рентгеновский класс >M5 [11, 12]. Уменьшение числа таких вспышек наблюдалось, уже начиная с цикла 23. Максимальное сглаженное по 7 месяцам число вспышек балла M в 22 и 23 циклах было ~50 и ~30, вспышек балла Х было ~6 и ~2. В течение первых 64 месяцев цикла 24 максимальное сглаженное число вспышек балла М было ~9, а вспышек балла X ~ 0.6 [13]. При этом характеристики вспышек, связанных с генерацией протонов с энергией >100 МэВ, практически не изменились: средний балл рентгеновских вспышек в первые 64 месяца для 23-го и 24-го циклов M5 и М8.
Корональные выбросы массы, ассоциированные с солнечными событиями с протонами c Е >100 МэВ, имеют высокие скорости (в среднем >1200 км • с-1) и большой угол раствора (около 70% из них "гало"). Доля КВМ со скоростью >1200 км • с-1 очень мала. В цикле 23, по измерениям [14], она составила 1.87%, а за 64 месяца цикла 24 - 0.73%, т.е. сократилась в 2.5 раза. В то же время параметры КВМ, связанных с СПС, в которых наблюдались протоны с Е > 100 МэВ, в первые 64 месяца циклов 23 и 24, различаются не очень сильно: средняя скорость в 23-м цикле 1460 ± 73 км • с-1, в 24-м цикле 1235 ± 89 км • с-1. В работе [15] высказано предположение, что уменьшение числа GLE при одновременном сравнительно малом уменьшении общего числа СПС в цикле 24 связано с увеличением угла раствора КВМ, которое вызвано падением полного (магнитного и плазменного) давления в окружающей среде. Уменьшение альвеновской скорости ведет
J(E > 100 МэВ), pfu 1000
100 10 1 0.1
0.01
0.001 10
1000 Г
100
10-6 10-4 10-2 Мощность вспышки, В ■ м-2 5
0.001
0.01
100
1000 10000 Скорость КВМ, км ■ с-1
Рис. 2. а — поток солнечных протонов с Е >100 МэВ в максимуме временного профиля СПС в зависимости от мощности родительской вспышки для солнечных циклов 23 (светлые треугольники) и 24 (серые квадраты), ОЬБ отмечены черными кружками; для цикла 24
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.