ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 5, с. 602-606
УДК 523.165
ЖЕСТКОСТНОЙ СПЕКТР И АНИЗОТРОПИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПЕРИОД СПОРАДИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ В ИЮЛЕ 2000 г.
© 2013 г. М. В. Кравцова, В. Е. Сдобнов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Иркутск
E-mail: sdobnov@iszf.irk.ru; rina@ iszf.irk.ru
По данным наземных наблюдений космических лучей (КЛ) на мировой сети станций и космических аппаратах методом спектрографической глобальной съемки в период GLE 14 июля 2000 г., а также во время сильной магнитной бури, связанной с корональным выбросом массы (CME), сопровождавшим солнечную вспышку, исследованы жесткостной спектр и анизотропия галактических КЛ. Показано, что в рассмотренный период жесткостной спектр КЛ в диапазоне от 1 до ~20 ГВ не описывается одной степенной функцией от жесткости частиц, а распределение КЛ по направлениям прихода к Земле динамично во времени и зависит от их энергии.
DOI: 10.7868/S0367676513050323
ВВЕДЕНИЕ
14 июля 2000 г. после 10:30 иТ на высоко- и среднеширотных нейтронных мониторах было зарегистрировано повышение интенсивности космических лучей (ОЬЕ). Это повышение связано с солнечной вспышкой класса 3В/Х5.7, которая произошла в 10:30 иТ в активной области 9077 с гелиокоординатами N22°, '07°. Возрастание интенсивности космических лучей (КЛ) 14 июля произошло на фоне форбуш-понижения, которое началось 13 июля 2000 г. Данное событие исследовалось в ряде работ [1—3], где приведены временные профили интенсивности и анизотропии КЛ на станциях мировой сети, показатели спектра КЛ в предположении, что он описывается степенной функцией, а также питч-угловое распределение энергичных протонов на границе магнитосферы Земли. 15 июля на Земле началась сильная магнитная буря и очередное понижение интенсивности КЛ, которые связывают [4] с корональным выбросом массы (СМЕ), сопровождавшим солнечную вспышку. В это время скорость и модуль магнитного поля солнечного ветра (СВ) достигали ~1100 км • с-1 и ~60 нТл соответственно, а Э81-индекс в период главной фазы магнитной бури на Земле достигал--300 нТл, понижение интенсивности КЛ, наблюдаемое на высокоширотных нейтронных мониторах достигало ~ -15%, на среднеширотных---10%.
ДАННЫЕ И МЕТОД
Для аппроксимации экспериментальных значений выбран жесткостной спектр КЛ на орбите
Земли, представленный в [5], который хорошо описывает данные в широком диапазоне энергий.
В работе использованы часовые данные наблюдений интенсивности протонов, полученные на спутнике ООЕ8-11 в энергетических диапазонах 4-9, 9-15, 15-40, 40-80, 80-165 и 165-500 МэВ [6]. При более высоких энергиях использована информация о вариациях первичного спектра КЛ, полученная методом спектрографической глобальной съемки (СГС) [7, 8]. Амплитуды модуляции от-считывались от фонового уровня 6 июля 2000 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА И ВЫВОДЫ
14 июля 2000 г. в 10:30 иТ началось повышение интенсивности КЛ, зарегистрированное наземной сетью высокоширотных нейтронных мониторов. На станциях космических лучей, расположенных в пунктах с жесткостями геомагнитного обрезания более ~3.5 ГВ, повышение интенсивности КЛ не наблюдалось (рис. 1а). На рис. 1б показаны рассчитанный методом СГС временной ход амплитуд вариаций первичных КЛ с жесткостью 4 и 10 ГВ, а также амплитуды первой (рис. 1в) и второй (рис. 1г) сферических гармоник питч-угловой анизотропии для частиц с жесткостью 4 ГВ. Видно, что в период наземного возрастания интенсивности КЛ заметного увеличения амплитуды первой гармоники для частиц с жесткостью Я = 4 ГВ не наблюдается, в то же время в 11:00-12:00 иТ амплитуда второй гармоники питч-угловой анизотропии для частиц с жесткостью Я = 4 ГВ возрастает до ~10%, т.е. наблюдается двунаправленная анизотропия КЛ. Это свидетельствует о том, что
Земля в это время находилась в петлеобразной структуре ММП.
На рис. 2 сплошными линиями представлены жесткостные спектры первичных протонов в диапазоне энергий 1—20 ГВ, к которому наиболее чувствительны нейтронные мониторы, полученные по данным измерений космического аппарата ООБ8-11 и мировой сети нейтронных мониторов с учетом выражения для жесткостного спектра из [5] для разных моментов времени в период наземного возрастания интенсивности КЛ. Штриховыми кривыми на графиках показаны спектры в спокойный период (6 июля). Видно, что превышение интенсивности над спокойным уровнем произошло до жесткостей ~ 4—5 ГВ, а при более высоких энергиях продолжается форбуш-понижение, которое началось 13 июля. Из рисунка видно, что спектры не описываются одной степенной функцией от жесткости во всем жесткостном диапазоне. Только в диапазоне ~ от 10 до 20 ГВ спектры можно описать одной степенной функцией от жесткости в период с 10:00 до 24:00 иТ 14 июля с показателем у--2.4. Наиболее близки к степенной функции от жесткости в диапазоне 1—20 ГВ — спектры в 10:00 и 11:00 иТ (показатель степени у = = —2.3, —2.7 соответственно). В более позднее время можно описать степенной функцией спектр в диапазоне жесткостей от 1 до ~2, 2.5 ГВ.
В таблице приведены показатели степенной функции при аппроксимации первичного спектра КЛ на орбите Земли от жесткости частиц в этих диапазонах. В диапазоне жесткостей 1-2.5 ГВ показатель жесткостного спектра у около -9, а в конце 14 июля верхняя граница этого диапазона снижается.
На рис. 3 представлены относительные изменения интенсивности КЛ (относительно 6 июля 2000 г.) с жесткостями 2, 4 и 10 ГВ в солнечно-эклиптической геоцентрической системе координат для различных моментов времени в начальные моменты ОЬБ.
Из рисунка видна сложная динамика изменений интенсивности КЛ различных энергий по направлениям прихода частиц. Если повышенный
20
10
0
10
20
40
20
< 0
л 20
40
80
60
40
20
0
16
12
8
4
0
- Апатиты а
- - Новосибирск
, 1 . 1 1
я = 4 ГВ
я = 10 ГВ
Ей-
■М
А^ЛЫк аЖМ
11
13
Июль 2000
15
17
Рис. 1. а - амплитуды вариаций интенсивности нейтронной компоненты КЛ, наблюдаемые на станциях Апатиты (Яс = 0.6 ГВ), Новосибирск (Яс = 2.78 ГВ), Иркутск (Яс = 3.66 ГВ); б - амплитуды вариаций первичных КЛ; в, г - амплитуды первой и второй сферических гармоник анизотропии КЛ для частиц с жесткостью 4 и 10 ГВ.
поток частиц с жесткостью 2 ГВ в 10:00 иТ идет из направления ~330°, ~30° и для этих частиц двунаправленная анизотропия не наблюдается, то для частиц более высоких энергий наблюдается двунаправленная анизотропия. В следующий момент времени топология распределения интенсивности КЛ различных энергий по направлениям прихода частиц для всех энергий подобна. Повышенный поток частиц наблюдается как из северного направления, так из южного, но из южного он гораздо слабее. В 12:00 иТ картина распределения КЛ по направлениям прихода частиц
Показатели степени при аппроксимации первичного спектра КЛ на орбите Земли степенной функцией от жесткости частиц 14 июля 2000 г.
Время, иТ 12 13 14 15 16 17 18 20 22 24
Жесткостной диапазон, ГВ 1-2.5 1-2.5 1-2.5 1-2.5 1-2.5 1-2.5 1-2.5 1-2.5 1-2.0 1-1.8
У -8.8 -9.3 -8.5 -8.6 -8.6 -8.7 -8.8 -8.8 -8.6 -8.8
в
г
9
604
КРАВЦОВА, СДОБНОВ
Частиц • см 2 • c 1 • ср 1 • МВ 1
100
10-
10-4>
10-
100г
10
10-4
10-6 100
101010-6 100
10-2 10-4 10-6
к
¡■\ 14.07.2000
г \ 13:00 UT
\
; \
1
"..... ' ' ' ' 1 ........
L
f. 14.07.2000
г \ 19:00 UT
r-V
î
"и . .
L
г 14.07.2000
г \ 20:00 UT
! \
1 ^ V4
11 II ...... ........
i 14.07.2000
г\ 21:00 UT
- \
1 чч
. .
1 10 100 1 10 100 1 10 100
Я, ГВ
Рис. 2. Спектры КЛ на орбите Земли (сплошная линия). Штриховая линия - спектр КЛ в спокойный период - 6 июля 2000 г. Треугольники - данные наблюдений.
подобна картине распределения в 10:00 иТ, только двунаправленная анизотропия наблюдается для частиц с жесткостью 2 и 4 ГВ, а для частиц с жесткостью 10 ГВ двунаправленная анизотропия не наблюдается.
В период форбуш-эффекта 15—16 июля, вызванного корональным выбросом массы, сопровождавшим солнечную вспышку, жесткостной спектр амплитуд вариаций не является степенной функцией от жесткости частиц. Модуляция ча-
Я = 2 ГВ
Я = 2 ГВ
% 300
Я = 2 ГВ
360
200
Я = 4 ГВ
%
40
360
240 , 180 ^ 120 ^
Я = 10 ГВ
%
0
Л -80
240
180 120 V
360 300 -15
360
20
360
360
0
Л -80
0
0
14.07.2000 10:00 иТ
14.07.2000 11:00 иТ
14.07.2000 12:00 иТ
0
Рис. 3. Относительные изменения интенсивности КЛ с жесткостями 2, 4 и 10 ГВ в солнечно-эклиптической геоцентрической системе координат (X - широта в градусах, ¥ - долгота в градусах).
стиц максимальна в диапазоне жесткостей от ~3 до ~8 ГВ, причем сначала экстремум смещается по мере развития эффекта в сторону более низких жесткостей, а на фазе восстановления смещение идет в сторону увеличения жесткостей.
Повышенные значения амплитуд первой сферической гармоники и двунаправленной анизотропии КЛ (см. рис. 1) свидетельствуют о том, что Земля находилась в области с усиленной напряженностью ММП, образованной прохождением
коронального выброса массы (СМЕ) с соответствующей петлеобразной структурой ММП, что послужило причиной форбуш-эффекта и сильного геомагнитного возмущения. Рассчитанный по модели кольцевого тока, текущего в западном направлении по параллелям на сфере с силой, пропорциональной косинусу широты [9], радиус кольцевого тока (в единицах радиуса Земли) в отдельные моменты 16 июля 2000 г. не изменялся и был равен 5, а Э81-индекс изменялся —300 до
606
КРАВЦОВА, СДОБНОВ
—200 нТл. Можно предположить, что в этот период изменялась только сила кольцевого тока.
Из изложенного выше можно сделать вывод, что в период ОЬЕ 14 июля 2000 г. жесткостной спектр КЛ в диапазоне от 1 до ~20 ГВ не описывается одной степенной функцией от жесткости частиц, а распределение КЛ по направлениям прихода к Земле динамично во времени и зависит от их энергии. В период форбуш-эффекта жесткост-ной спектр вариаций не является степенной функцией от жесткости частиц.
Данная работа поддержана программой Президиума РАН "Физика нейтрино и нейтринная астрофизика"
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.