ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 7, с. 1022-1024
УДК 523.165
ФЛУКТУАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И МЕЖПЛАНЕТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ОКРЕСТНОСТИ ФРОНТОВ МЕЖПЛАНЕТНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН
© 2007 г. С. А. Стародубцев1, А. В. Григорьев1, В. Г. Григорьев1, И. Г. Усоскин2, К. Мурсула3
E-mail: starodub@ ikfia.ysn.ru; galex@ikfia.ysn.ru
Изучаются спектральные характеристики флуктуаций космических лучей и межпланетного магнитного поля в области предфронта межпланетных ударных волн, где часто регистрируются когерентные флуктуации космических лучей с энергиями от ~10 кэВ до ~1 ГэВ. Сделан вывод, что спектр флуктуаций космических лучей подвержен модуляции быстрыми магнитозвуковыми волнами, генерированными потоками низкоэнергичных космических лучей отраженных и/или ускоренных на фронтах ударных волн.
Многолетние наблюдения показывают, что регистрируемая на Земле и в космосе интенсивность космических лучей (КЛ) изменяется на временных масштабах от минут до десятилетий и даже более. Флуктуации (или короткопериодные от нескольких минут до нескольких часов вариации) интенсивности КЛ наименее изучены среди них, хотя по наземным наблюдениям они были обнаружены почти 40 лет назад [1]. Сейчас уже нет оснований сомневаться в их межпланетном происхождении [2]. В настоящее время об их свойствах многое известно, но тем не менее для более полного понимания явления флуктуаций КЛ необходимо установление их физической природы. Существенную помощь в разрешении этой проблемы может оказать одновременное изучение флуктуационных явлений в КЛ различных энергий и в параметрах плазмы СВ в окрестности межпланетных ударных волн (МУВ) - наиболее энергичного проявления вспышечной и корональной активности Солнца.
В данной работе исследуются флуктуации КЛ и ММП в окрестности 177 фронтов МУВ, зарегистрированных космическим аппаратом (КА) АСЕ с 1998 по 2003 г. К анализу привлечены 5-мин данные потоков протонов КЛ J, зарегистрированные установленным на борту АСЕ прибором EPAM/LEMS30, в восьми дифференциальных каналах P1: 0.047-0.065, P2: 0.065-0.112, P3: 0.1120.187, p4: 0.187-0.310, p5: 0.310-0.580, p6: 0.5801.060, p7: 1.060-1.910 и p8: 1.910-4.750 МэВ, а также 4-мин данные модуля ММП B, плотности n и скорости U плазмы СВ. Кроме того, используются
1 Институт космофизических исследований и аэрономии им.
Ю.Г. Шафера СО РАН, Якутск.
2Геофизическая обсерватория Соданкюля (отделение
Оулу), Университет Оулу, Финляндия. Департамент физических наук, Университет Оулу, Финляндия.
5-мин исправленные на давление данные N нейтронных мониторов высокоширотных станций КЛ - Тикси, Апатиты и Оулу с геомагнитными порогами обрезания 0.53, 0.65, 0.81 ГВ соответственно.
Поскольку амплитуды флуктуаций в диапазоне частот от ~10-4-1.67 ■ 10-3 Гц всех изучаемых физических величин малы, для их выделения применялись методы спектрального анализа, в результате чего по стандартной методике [3] рассчитывались плотности спектров мощности Р и коэффициенты когерентности у между различными физическими величинами. Отметим, что последние нужно понимать как обобщение коэффициентов корреляции на частотную область.
Поток КЛ, измеряемый на поверхности Земли и в межпланетном пространстве, достаточно условно можно разделить на две популяции, которые имеют различную природу: КЛ высоких энергий (от ~100 МэВ и выше) в основном имеют галактическое происхождение, а более низкоэнергичные рождаются в гелиосфере. Как известно, они по-разному взаимодействуют с МУВ, что отражается в их вариациях на различных временных масштабах. Более 75% изучаемых здесь событий прохождения МУВ сопровождались значительными повышениями потоков низкоэнергичных КЛ. Это либо солнечные КЛ, либо КЛ, связанные с фронтом МУВ и ускоренные и/или отраженные от него. На рис. 1 показан типичный пример регистрации такой МУВ и производимые ею эффекты в КЛ на Земле и в космосе. Источником МУВ послужила вспышка на Солнце балла Х1/2В, произошедшая 19 октября 2001 г. в 16.30 иТ в активной области 9661 с координатами N15W29. После нее в 16.50 иТ на Солнце был зарегистрирован выброс корональной массы типа гало. В 22.25 иТ на орбите Земли наблюдалась вспышка солнечных КЛ с
ФЛУКТУАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И МЕЖПЛАНЕТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
1023
Ер >10 МэВ (http://umbra.nascom.nasa.gov/SEP/seps.ht-т1). Из рис. 1 видно, что за 2 суток до прихода МУВ на КА наблюдалось значительное повышение потоков низкоэнергичных частиц 3. Во время прихода МУВ в 16.12 иТ 21 октября 2001 г. на КА зарегистрирован всплеск, а на Земле одновременно с ним отмечены классические предпонижение и предвозрастание интенсивности КЛ. После прохождения фронта МУВ как на КА, так и на Земле наблюдается понижение интенсивности КЛ во всех энергиях. Обратная МУВ от этого источника зарегистрирована в 00.13 иТ 22 октября 2001 г. Отметим, что за несколько суток до прохождения МУВ параметры ММП и плазмы СВ соответствовали невозмущенным условиям.
Происходящие изменения в спектрах флуктуа-ций КЛ перед приходом МУВ иллюстрирует рисунок 2. Из него видно, что до начала возрастания потока низкоэнергичных КЛ у спектры флуктуа-ций КЛ в области энергий от десятков кэВ до нескольких ГэВ показывают наличие хаотических флуктуаций на различных частотах. Непосредственно с началом регистрации роста потока низкоэнергичных частиц в области предфронта спектры флуктуаций КЛ существенным образом перестраиваются, показывая наличие когерентных флуктуаций в области частот 10-3 Гц независимо от энергии частиц. При этом рассчитанные коэффициенты когерентности уР1Р6 между энергетическими каналами р1 и р6 возрастают почти до единицы. Таким же образом ведут себя коэффициенты когерентности у для данных наземных станций КЛ. Поскольку спектр флуктуаций КЛ напрямую связан со спектром флуктуаций ММП, это обстоятельство прямо указывает на то, что в окрестности предфронта МУВ значительно возрос вклад быстрых магнитозвуковых волн в наблюдаемый спектр турбулентности СВ. Спектральный анализ модуля МмП показывает, что в течение этого события также с началом роста потока штормовых частиц плотность энергии МГД-волн в указанной выше области частот постепенно возрастает. При этом ее значение увеличивается на порядок величины от 3 • 10-13 до 3 • 10-12 эрг • см-3, достигая своего максимума 4 • 10-11 эрг • см-3 непосредственно за фронтом МУВ.
Детальное изучение всех 177 событий регистрации МУВ показало, что рост уровня турбулентности СВ перед приходом МУВ наблюдался в 121 случае, при этом значительные потоки низкоэнергичных частиц, связанные с ударным фронтом, отмечались в 116 случаях. Проведенные оценки уровня турбулентности показывают, что плотность энергии МГД-волн возрастает от невозмущенного фонового уровня на один-три порядка величины (от ~10-13 до ~10-10 эрг • см-3) за 6-18 часов до прихода ударного фронта. В некоторых случаях он сравним с плотностью энергии невозмущенного
60 40
20 I
Я 30 w 20
CQ 10 0
3 106
f 104 о 102 1° 10° g 10-2 ^10-4
Апатиты ¡wi*1^
11500 14001
и
S
1300 ? п
1200 s
-1100
_I_I_I_I_I_I__I_
15 16 17 18 19 20 21 22 23 Октябрь, 2001
Рис. 1. Вариации параметров плазмы СВ (п и и), модуля ММП (В), космических лучей на КА АСЕ (Т) и на станции КЛ Апатиты N во время события 21 октября 2001 г. Пунктиром показан фронт МУВ.
P, (%)2/Гц 107 106 105 104 103 102
101 YP1P6 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 10-4
10
_|_I I I I 111
10-2 10-4
10-
10-2 V, Гц
Рис. 2. Вверху - спектры флуктуаций КЛ наблюдаемых на КА АСЕ (канал P1 (тонкая линия) и P6 (жирная линия)), а также на станции Апатиты (нижняя кривая) для спокойного интервала времени 00.00-23.55 UT 17 октября (слева) и в области предфронта 16.0516.00 UT 20-21 октября (справа). Внизу показаны коэффициенты когерентности у флуктуаций КЛ для каналов P1 и P6, соответствующие приведенным выше спектрам.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 7 2007
1024
СТАРОДУБЦЕВ и др.
крупномасштабного ММП в0: е0 = В20 (8п) Максимальный уровень турбулентности (до ~10-10 эрг ■ см-3) наблюдается непосредственно за ударным фронтом. Проведенный анализ позволяет заключить, что общая картина распределения МГД-турбу-лентности в окрестности фронтов МУВ выглядит следующим образом. На квазипараллельных участках предфронта МУВ наблюдается область (в виде "языка" размером ~0.1 а.е.) повышенного уровня МГД-турбулентности, что согласуется с выводами [4]. Она может быть образована в результате генерации МГД-волн потоками низкоэнергичных КЛ 3 с энергиями 0.01-1 МэВ [5-9], которые либо могут быть солнечного происхождения, либо эффективно ускоряться на этих участках фронта МУВ. Есть все основания полагать, что при этом заметный вклад в наблюдаемый спектр турбулентности СВ кроме альфвеновских вносят также и быстрые магнитозвуковые волны [5, 7, 9]. Некоторое запаздывание по времени от начала роста потока КЛ до начала роста уровня турбулентности может быть объяснено различием скоростей распространения энергичных частиц и МГД-волн в СВ. Поскольку МУВ распространяются со сверхзвуковой скоростью, генерированная КЛ турбулентность будет сноситься за фронт МУВ, что наблюдается в виде резкого скачка плотности энергии МГД-волн. Для того чтобы понять общую картину возникновения флуктуаций КЛ в области предфронта МУВ нужно принять во внимание известные свойства МГД-волн. Альфве-новские волны - это поперечные волны, рассеяние заряженных частиц КЛ на них характеризуется резонансной частотой, которая связана с величиной ларморовского радиуса (или энергией) КЛ. Магнитозвуковые волны, наоборот, продольные. Поскольку их частота определяется частотой колебаний плотности плазмы СВ, в которую вморожено ММП, то КЛ, распространяясь преимущественно вдоль силовых линий магнитного поля, будут испытывать колебания с частотой колебаний плазмы СВ независимо от величины ларморовского радиуса (или энергии), поэтому большая величина когерентности для частиц существенно разных энергий прямо указывает, что именно быстрые магнитозвуковые волны модулируют поток КЛ в широкой области энергий во всем изучаемом диапазоне частот и являются причиной возникновения флуктуаций КЛ.
Таким образом, иа основании проведенного ис
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.