научная статья по теме ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В 24-М СОЛНЕЧНОМ ЦИКЛЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В 24-М СОЛНЕЧНОМ ЦИКЛЕ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 676-680

УДК 524.1-352

ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В 24-м СОЛНЕЧНОМ ЦИКЛЕ

© 2015 г. Ю. В. Балабин1, А. В. Белов2, Р. Т. Гущина2

E-mail: rgus@izmiran.ru

В данных мировой сети нейтронных мониторов (НМ) обнаружена годовая вариация космических лучей (ГВКЛ) амплитудой >1% и минимумом в летние месяцы. Вариация наблюдается на протяжении 2011—2013 гг. практически на всех нейтронных мониторах (НМ): экваториальных, среднеши-ротных, полярных. Она присутствует и в изменениях плотности КЛ, полученных методом глобальной съемки. Выявленная аномальная вариация имеет внеземное происхождение, но не связана с изменениями гелиошироты Земли. Похожая, но меньшая вариация была в 1973—1976 гг., а затем пропала почти на 40 лет. Рассмотрены возможные причины этого явления. Показано, что в тот же период 2011—2013 г. наблюдаются квазигодовые вариации межпланетного магнитного поля (ММП), параметров солнечного ветра и солнечного магнитного поля. Они хорощо согласуются с выявленными вариациями КЛ.

DOI: 10.7868/S0367676515050105

ВВЕДЕНИЕ

Причинами, приводящими к возникновению ГВКЛ, являются годовые изменения метеорологических факторов, годовые изменения солнечной активности (СА) и изменения пространственного положения Земли относительно гелиоэкватора [1]. Выполненное в работе [2] детальное исследование ГВКЛ показало возможность получения информации о распределении интенсивности КЛ в плоскости, перпендикулярной плоскости эклиптики, и соответственно получения связи гелиоширотного распределения СА с наблюдаемой на Земле интенсивностью КЛ. В работе [3] при изучении эффектов взаимодействия гелиомагнитосферы с галактическим полем в КЛ найден гелиоширотный градиент плотности КЛ, связанный с асимметрией гелиосферы. Гелиосферная модуляция КЛ высоких энергий с построением базовой модели модуляции КЛ в циклах СА с учетом деформации нейтрального слоя рассмотрена в работе [4]. Амплитуда выделенной здесь годовой вариации в КЛ в минимумах циклов СА не достигала 1% и объяснялась различием магнитного дрейфа частиц в зависимости от направления общего магнитного поля Солнца. Известно [5], что годовая вариация может создаваться геометрическими факторами, например эллиптичностью земной орбиты. Однако все перечисленные причины не способны

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Полярный геофизический институт Российской академии наук, Апатиты.

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской академии наук, Москва.

создать большую годовую вариацию, что подтверждается многолетними экспериментальными наблюдениями, поэтому нас заинтересовали и удивили признаки необычайно большой величины ГВКЛ в 2011—2013 гг. Исследование этой аномалии особенно интересно в связи с необычностью СА в последнем десятилетии. В рекордно глубоком минимуме 23/24 циклов СА и во время фазы роста СА в 24-м цикле выявлены особенности изменения различных характеристик СА и гелио-сферы по сравнению с соответствующими эпохами предшествующих циклов. Эти аномалии отражаются в долговременной модуляции КЛ [6]. Не исключено, что те же аномалии приводят к созданию ГВКЛ.

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

При анализе данных станции Баренцбург была замечена ГВКЛ в данных НМ. Это побудило провести более тщательное исследование, применить метод наложения эпох с целью выделения и подробного изучения этой вариации. Оно показало, что на протяжении 2011—13 гг. ГВКЛ действительно присутствует и составляет около 2%. После этого осуществлен поиск подобной вариации в данных других станций НМ. Были собраны данные более чем 40 станций с различными пороговыми жесткостями, начиная от низкоширотных станций и заканчивая полярными станциями в период от начала последнего минимума СА в 2007 г. до 2013 г. [7—9]. Станции были разбиты на группы: низкоширотные (Яе > 7 ГВ), среднеширотные (7ГВ > Яе > > 4 ГВ), высокоширотные (4 ГВ > Яе > 2 ГВ) и приполярные (Яе < 2 ГВ). Дополнительно анализировались данные о межпланетной среде и ММП.

ГОДОВЫЕ ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

А10у, % к 2009 г.

164--& ^^—:----!--- -!—

I г | | | 1 / 1 к

86-

- Ч—I—В-Ъ

I 1| I

I I! I I I ! I I 3 I I !

3 4

Периоды

677

1

\Дл\Л

/ п Н/ V

' /

/» Ч/«! |

»7*

"•I

г4

9 0 0

с^ 5 к

# 7

2011-2013

■Т958—20Тв'

10 12 Месяцы

60

Т20

Т80

240

300

360 Дни

0

2

3

2

0

Рис. 1. Средняя годовая волна КЛ по группам станций: низкоширотных (1 — черная линия, использовано 27 годовых профилей), среднеширотных (2 — серая линия, 24 профиля), сумма приполярных (южных и северных) станций (3 — штриховая линия, 51 профиль). Вверху в центре: ГВКЛ для близких к минимумам СА пяти периодов. Внизу справа: вариация плотности КЛ (10 ГВ) в 2011—2013 гг. и в 1958—2010 гг. без периодов высокой СА.

В дополнение к данным отдельных НМ использованы среднемесячные вариации плотности КЛ, полученные в результате обработки данных всей сети НМ и других детекторов.

ВАРИАЦИИ КЛ

Метод наложения эпох выявляет ГВКЛ в период 2011—13 гг. ГВКЛ присутствует и имеет одну и ту же фазу практически на всех станциях. Минимум вариации приходится на середину года для всех станций и для них выявлена синхронность и одинаковость амплитуд ГВКЛ. Для сравнения определены годовые вариации на нескольких выбранных станциях в контрольный период 2007— 09 гг. и показано, что никакой ГВКЛ в этом интервале не обнаруживается. На рис. 1 приведены средние ГВКЛ по группам станций (низко- и среднеширотных, южных и северных приполярных), откуда можно сделать оценку амплитуды вариации для групп станций. На низкоширотных

станциях амплитуда ГВКЛ составляет ~1.2%, на среднеширотных — 1.7%, на полярных — около 2.2%. Отметим, что в периоды максимума СА многочисленные Форбуш-понижения искажают результат и такой анализ теряет смысл. Найденная нами в 2011—13 гг. ГВКЛ имеет минимум в середине года, а максимум — в начале и в конце года. Выделенная ГВКЛ существует достаточно долго и приходится она не на минимум, а на фазу роста СА в 2011—13 гг.

Внеземное происхождение исследуемого эффекта становится очевидным, если рассмотреть вариацию плотности КЛ за пределами магнитосферы, полученную методом глобальной съемки. В данной работе мы использовали долговременную вариацию для КЛ с жесткостью 10 ГВ (А10У), полученную в результате обработки (по ранее предложенной методике [10]) данных всей сети наземных наблюдений КЛ (~40 НМ) и результатов зондирования стратосферы [11]. На рис. 1 внизу справа — усредненная годовая вариации

А10Удля спокойного состояния гелиосферы — из всего периода 1958—2010 гг. были исключены годы высокой СА и аналогичная вариация А10Удля 2011—2013 гг. Видно, что до последних лет средняя годовая волна А10У практически отсутствует, а в начале 24-ого цикла (2011—2013 гг.) размах вариаций внутри года достигает ~3% (минимум — летом, максимум — зимой). В поведении А10Ув 2011—2013 гг. выделяется минимум в июне и июле. И можно спросить, не является ли этот минимум результатом наложения значительных форбуш-понижений, случайно пришедшихся на летний период. По-видимому, это не так. В эти годы было мало больших форбуш-понижений, только 5 из них имели величину >5% (для 10 ГВ). Из этих 5 событий — четыре пришлись на февраль-апрель, а два — на март. В марте 2012 г. наблюдалось большое (>11% для 10 ГВ) форбуш-по-нижение текущего цикла. Именно форбуш-пони-жения объясняют локальный минимум на кривой А10У в марте. Летний же минимум, скорее, следствие долгопериодных вариаций. Для сравнения были получены ГВКЛ для 5 периодов СА, в основном близких к минимумам СА (рис. 1 в центре вверху). Кроме 2011—2013 гг. достаточно отчетливо проявляется годовая вариация с минимумом летом в 1972—1976 гг., но ее амплитуда меньше. Годовая вариация в 1986—1987 гг. имеет летом не минимум, а максимум, она, по-видимому, связана со специфическим поведением КЛ в 1987 г., когда резко изменился знак производной плотности КЛ по времени.

СОЛНЦЕ ИЛИ ГЕЛИОСФЕРА?

То, что ГВКЛ наблюдается и имеет близкие фазы на разных станциях, свидетельствует об ее внеземном происхождении. Это обстоятельство и вариации плотности КЛ позволяют считать, что годовая вариация КЛ на наземных детекторах в 2011—2013 гг. имеет внеземную природу. Таким образом, исключается целый класс возможных объяснений за счет локальных условий. Другое традиционное объяснение, связывающее годовую волну с широтным распределением КЛ во внутренней гелиосфере, также противоречит фактам. Рассмотрим распределение плотности КЛ в плоскости, перпендикулярной плоскости эклиптики. Из вариаций плотности КЛ с жесткостью 10 ГВ А10Убыла выделена годовая гармоника, и ее среднемесячные значения сопоставлены с гелиоши-ротой Земли. Это было сделано для 2010 г. и для усредненных вариаций в 2011—2013 гг. Получено, что в 2010 г. имеется небольшая годовая волна (~0.2%) и существует зависимость от гелиоши-роты, а в период 2011—2013 гг. исчезает гелиоши-ротная зависимость, а годовая вариация (минимум — летом, максимум — зимой) существенно увеличивается. Из этого результата можно сделать

два вывода: 1) при переходе от 2010 г. к 2011 г. сезонная зависимость КЛ резко изменяется и годовая вариация аномально возрастает; 2) аномально большая годовая вариация 2011—2013 гг. не связана с изменением пространственного положения Земли относительно гелиоэкватора.

Поскольку традиционные механизмы не подходят для объяснения выделенной годовой вариации, нужно искать что-то другое, и можно предложить два типа гипотез: пространственную и временную. Пространственные объяснения означают квазистационарную асимметрию относительно Солнца потока КЛ в окрестностях орбиты Земли. Стационарность здесь понимается как независимость от вращения Солнца, существование асимметрии достаточно долгое время (на протяжении нескольких лет) и сохранение своей ориентации относительно звезд. Это предполагает существенную асимметрию области модуляции КЛ и самой гелиосферы. Центр области модуляции должен быть при этом не на Солнце, а ближе к Земле в летние месяцы. Азимутальная аси

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