научная статья по теме ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ ВЗАИМОЗАВИСИМОСТИ ПЕРВОЙ ГАРМОНИКИ АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ ВЗАИМОЗАВИСИМОСТИ ПЕРВОЙ ГАРМОНИКИ АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2013, том 53, № 5, с. 601-610

УДК 524.1-352

ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЙ ВЗАИМОЗАВИСИМОСТИ ПЕРВОЙ ГАРМОНИКИ АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ © 2013 г. М. А. Абунина, А. А. Абунин, А. В. Белов, Е. А. Ерошенко, В. А. Оленева, В. Г. Янке

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН(ИЗМИРАН), г.Троицк, г. Москва e-mail: abunina@izmiran.ru Поступила в редакцию 22.01.2013 г.

В межпланетном пространстве существуют выделенные направления, определяемые скоростью солнечного ветра и положением силовых линий межпланетного магнитного поля, что приводит к неоднородному распределению фаз и амплитудно-фазовой взаимозависимости первой гармоники анизотропии космических лучей. Для исследования долгопериодных изменений анизотропии космических лучей использованы характеристики первой гармоники анизотропии, определенные за каждый час методом глобальной съемки по данным мировой сети нейтронных мониторов в период 1957—2010 гг. За каждый год этого периода получены долготные распределения векторной анизотропии космических лучей и взаимосвязь ее амплитуды и фазы. Результаты ясно демонстрируют изменения анизотропии, обусловленные магнитным солнечным циклом и циклом солнечной активности. Исследованы также распределения анизотропии при различных скоростях солнечного ветра. Выделяются и обсуждаются периоды со специфическим поведением анизотропии космических лучей. Полученные изменения анизотропии космических лучей согласуются с конвективно-диффузионной моделью анизотропии.

DOI: 10.7868/S0016794013050027

1. ВВЕДЕНИЕ

В солнечном ветре около Земли постоянно наблюдается анизотропия галактических космических лучей (ГКЛ), большая часть которой может быть представлена вектором. Величина и направление этого вектора (первой сферической гармоники анизотропии) хорошо описывается конвективно-диффузионной моделью, предложенной Крымским [Крымский, 1964; Крымский и др., 1981; Forman and Gleeson, 1975]. Одним из следствий конвективно-диффузионной модели является амплитудно-фазовая взаимозависимость первой гармоники анизотропии, вначале полученная теоретически [Belov, 1987], а позднее подтвержденная экспериментально [Belov et al., 1991, 1993].

Долгопериодные изменения анизотропии космических лучей (КЛ) изучались во многих работах, например, [Чирков, 1986; Moraal, 1976; Krymsky et al., 2003; Belov et al., 2006; Крымский и др., 2009]. Уже в начале 50-х гг. прошлого столетия стало известно, что усредненные характеристики вектора анизотропии ГКЛ изменяются с 11- и 22-летней периодичностью [Elliot, 1952]. Позже Скотт Форбуш [Forbush, 1969] обнаружил, что долгопериодные изменения анизотропии отображают основные солнечные циклы.

При выделении и изучении долговременных изменений анизотропии чаще всего использовались данные отдельных наземных детекторов КЛ, из которых выделялась солнечно-суточная вариация, и исследования велись на среднесуточной базе. Крымский и др. [2007] рассмотрели долговременные изменения анизотропии в диапазоне энергий 10—200 ГэВ, ее параметры определялись и по солнечно-суточным вариациям, и методом глобальной съемки по данным мировой сети нейтронных мониторов за 1965—2000 гг. В работе [Белов и др., 2006] авторы использовали среднечасовые характеристики анизотропии КЛ, полученные по данным всей мировой сети нейтронных мониторов и исследовали долговременное поведение первой гармоники анизотропии отдельно в сравнительно спокойные и возмущенные периоды.

Во всех вышеперечисленных работах исследуется изменение амплитуды и фазы анизотропии. Цель данной работы — провести систематические исследования долгопериодных изменений амплитудно-фазовой взаимозависимости и фазового распределения анизотропии в спокойные и возмущенные периоды, во время различных полярностей общего магнитного поля Солнца (с июля 1957 по январь 1958 г., с августа 1971 по ноябрь 1979 г. и с августа 1991 по ноябрь 1999 г. — пе-

1957-2010 гг.

40000

30000

20000

50 100 150 200 250

Фаза анизотропии (долгота), град

300

350

10000

Рис. 1. Амплитудно-фазовая взаимозависимость солнечно-суточной анизотропии Аху и ее фазовое распределение за 1957-2010 гг.

0

риоды с положительной полярностью; с января 1960 по август 1969 г., с июля 1981 по декабрь 1989 г. и с января 2001 по декабрь 2010 г. — периоды с отрицательной полярностью) и при разных скоростях солнечного ветра. Использованы данные за 54 года (1957—2010 гг.) — пять солнечных циклов. За каждый год этого периода получены долготные распределения векторной анизотропии космических лучей и взаимосвязь ее амплитуды и фазы.

2. ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

В работе использовалась созданная в ИЗМИРА-Не база данных по вариациям космических лучей. Вариации плотности и анизотропии КЛ с жесткостью 10 ГВ были получены вариантом метода глобальной съемки (GSM) [Belov et al., 2005] по данным сети нейтронных мониторов. Эта база данных включает различные показатели межпланетной среды (параметры солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и др.), космических лучей (плотность, анизотропия и др.), а также индексы геомагнитной активности и солнечные параметры. Мы использовали среднечасовые характеристики из базы данных для КЛ с жесткостью 10 ГВ. При работе с данными не использовались часы, во время которых наблюдались наземные возрастания (GLE). В данной работе мы проанализировали составляющую векторной анизотропии КЛ в плоскости земного экватора (ось х направлена от Солнца), имеющую амплитуду Аху и фазу ф (угол вектора анизотропии с осью х, отсчитываемый против часовой стрелки). Для сопоставления с

теоретическими моделями предпочтительнее эклиптическая система координат. Однако для перехода в эту систему требуется точно знать Az-со-ставляющую анизотропии, а абсолютную величину Az получить не просто [Belov et al., 1990].

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 3.1. Средние распределения.

На рисунке 1 за 1957—2010 гг. представлено фазовое (долготное) распределение первой гармоники анизотропии КЛ и зависимость ее амплитуды от фазы. Чтобы получить приведенные точки, долготы были разбиты на интервалы по 10°, и искомые значения получены путем усреднения внутри каждого интервала. Максимум распределения фаз (распределения количества часов наблюдения определенной фазы за все время, ^max) приходится приблизительно на 95°, т.е. на направление с востока. Приблизительно там же находится максимум амплитуды анизотропии (Axymax).

Эти гладкие зависимости — результат усреднения за большой период. Здесь объединены данные за 468313 часов, что объясняет малые величины стандартных статистических погрешностей, приведенных на рисунке.

Полученное общее распределение существенно неоднородно, что соответствует предсказаниям упрощенного варианта конвективно-диффузионной модели анизотропии [Belov, 1987]. Это совпадение, в первую очередь, означает, что основную часть времени сохраняется квазиспи-

ральная структура межпланетного магнитного поля, а скорость солнечного ветра относительна стабильна. Разумеется, эти факты хорошо известны и не нуждаются в дополнительном подтверждении со стороны КЛ. Однако следующее следствие полученного неравномерного распределения касается только КЛ. Это распределение свидетельствует о существенном преобладании положительного градиента плотности КЛ и о том, что этот градиент, как правило, имеет небольшую величину. Максимум фазового распределения (8.76%) на рис. 1 оказался в секторе 90-100°. Можно выделить область между 40 и 130°, в которой находится большинство точек (60.4% всего времени), в этой же зоне находятся наибольшие значения амплитуды. Область минимальных значений количества часов расположена между 210 и 300° (6.3% всех точек), а наименьшие амплитуды анизотропии находятся между 180 и 270°.

Определим степень неоднородности фазового и амплитудно-фазового распределения следующим образом:

N90 - N90 ■

£ ^ шах ^ "шп

О» =

N90 + N90 ■

1 ' иш1п

О = ^90шах - А9 0шт А 90шах + А 90тт

(1а)

(1б)

где ^90шах — это наибольшее количество часов в секторе шириной 90°, N90^, соответственно, наименьшее количество часов в секторе шириной 90°; A90шax и A90шin — наибольшая и наименьшая суммы значений анизотропии в секторе шириной 90°. Величины и 5A могут меняться от 0 (полностью однородное распределение) до 1. Для всего периода (рис. 1) получилось 5^ = 0.81, 5A = 0.2. Эти значения (особенно 5Л) свидетельствуют о существенно неоднородном распределении.

3.2. Временные зависимости.

Ясно, что в различные периоды результаты могут быть различными, например, в зависимости от магнитного цикла Солнца или цикла солнечной активности. Чтобы проверить это предположение, были получены амплитудно-фазовые зависимости и фазовые распределения для каждого года в отдельности.

На рисунке 2 показаны временные зависимости параметров анизотропии, отмеченные на рис. 1. На верхней панели представлено положение максимума фазового распределения анизотропии, на второй панели сверху показана доля часов, приходящихся на максимум распределения. На двух нижних панелях построены аналогичные зависимости для максимальной величины и фазы максимума амплитудно-фазовой зависимости анизотропии.

На представленном рисунке можно явно выделить 11-летние вариации в распределении максимума анизотропии и частоты появления определенной фазы, и 22-летние вариации в изменении фазы для обоих параметров. Таким образом, эти параметры ведут себя подобно амплитуде и фазе первой гармоники анизотропии [РогЪшИ, 1969; Бе1оу й а1., 1991, 2006; Swinson, 1995; Ктушзку й а1., 2003].

Интересно, как со временем меняется степень неоднородности фазового распределения. Оказалось, что величина З^рис. 3), вычисленная для каждого года по формулам (1а, 1б), изменяется в пределах от 0.53 (для 1958 г.) до 0.96 (для 2007 г.), что говорит о высокой неоднородности распределения во все годы. Сектор с максимальной плотностью (N90^) в различные годы располагался в долготной зоне от 0 до 150°, а с минимальной — в пределах от 180 до 320°. Сектор с минимальной величиной анизотропии ^90^) располагался в пределах от 130 до 350°. Сектор с максимальной величиной

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.

Показать целиком