ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 7, с. 968-971
УДК 537.591.5
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ В КРУПНЫХ СОБЫТИЯХ НА УРОВНЕ ЗЕМЛИ 1956-2005 гг.
© 2007 г. Э. В. Вашенюк1, Ю. В. Балабин1, Б. Б. Гвоздевский1, Л. И. Мирошниченко2
E-mail: vashenyuk@pgi.kolasc.net.ru
С помощью оригинальной методики, включающей решение обратной задачи, из данных мировой сети станций нейтронных мониторов получены параметры релятивистских солнечных протонов (РСП) и исследована их динамика в 12 крупных событиях СКЛ на уровне земли, которые произошли в период 1956-2005 гг. Показано существование в потоке РСП двух популяций частиц: быстрой и запаздывающей, различающихся энергетическими спектрами, питч-угловыми распределениями и, очевидно, имеющими различные источники на Солнце.
ВВЕДЕНИЕ
Мировая сеть станций нейтронных мониторов может быть использована в качестве многонаправленного спектрометра для определения характеристик потока релятивистских солнечных протонов (РСП) в межпланетном пространстве. Описана разработанная авторами [1] и в последнее время усовершенствованная методика, с помощью которой параметры РСП: жесткостной спектр, направление вектора анизотропии и питч-угловое распределение определяются путем решения обратной задачи при сравнении расчетных откликов нейтронных мониторов с наблюдаемыми. С использованием этой методики проводится анализ 12 крупных событий РСП, которые произошли в период с 1956 по 2005 г. Настоящая работа является продолжением работы авторов [2] за счет включения в рассмотрение суперсобытия 23.02.1956 г. и более детального анализа события 20.01.2005 г.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ ПО ДАННЫМ НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
С помощью методов математического моделирования, включающих оптимизацию, параметры РСП могут быть получены из данных сети станций нейтронных мониторов [2, 3]. Для такого анализа необходимы измерения не менее, чем на 25-30 станциях нейтронных мониторов. Процесс определения параметров первичных РСП состоит из нескольких этапов: 1) расчет асимптотических конусов приема для исследуемых станций нейтронных мониторов с помощью вычисления траекторий частиц (используется модель Цыганенко 2001 [4]) различных жесткостей, падающих на детектор под разными азимутальными и наклонными углами;
1 Полярный геофизический институт, Апатиты.
2 ИЗМИ РАН им. Н.В. Пушкова, г. Троицк Московской обл.
2) вычисление откликов нейтронных мониторов на анизотропный поток солнечных протонов с заданными параметрами; 3) определение методом наименьших квадратов (оптимизация) параметров потока релятивистских протонов за пределами магнитосферы Земли путем сравнения рассчитанных откликов нейтронных мониторов с наблюдаемыми.
Выражение для функции отклика нейтронного монитора на анизотропный поток солнечных протонов имеет вид [2, 3]
20 ГВ
(т;г) = X ^К)К)(К))А(К)(1)
1 Ко
где (АЫ/Щ - процентное возрастание скорости счета N1 на НМ-станции с номером 1, J^(R) = J0R-дифференциальный спектр по жесткости переменным наклоном, у* = у + Ау(К - 1), где у - показатель степенного спектра при К = 1 ГВ, Ау - скорость приращения у на 1 ГВ, J0 - константа нормализации, £(К) - удельная функция сбора, ^(0(К)) ~ ~ ехр(-02/С) - питч-угловое распределение РСП с характеристическим параметром С, направление оси анизотропии задается координатами Ф и Л в системе GSE), А (К) = 1 для разрешенных и 0 для запрещенных траекторий. Таким образом, шесть параметров анизотропного потока солнечных протонов за пределами магнитосферы Земли (Ф, Л, J0, у, Ау, С) определяются при решении обратной задачи (оптимизации) путем сравнения расчетных откликов наземных детекторов с наблюдаемыми. В настоящей работе проведено систематическое исследование 12 крупных событий СКЛ на уровне Земли, для которых можно было применить в полном объеме описанную выше методику. В результате такого анализа получены наборы параметров РСП в последовательные моменты времени, позволяющие проследить их динамику. В качестве примера ниже приводится описание динамики энерге-
тических спектров в двух наиболее крупных наземных событиях СКЛ.
СОБЫТИЕ 23.02.1956 г.
Событию СКЛ на уровне земли 23.02.1956 г. самому крупному за всю историю изучения СКЛ, было посвящено много работ как в прошлом [5, 6], так и в настоящее время [7, 8]. Мы предприняли здесь анализ этого события с помощью методики, описанной выше. Событие СКЛ 23.02.1956 г. было связано со вспышкой балла 3, гелиокоординаты N23 W80, которая началась в 03.31 иТ. Начало микроволнового радиовсплеска на частоте 3.3 ГГц отмечено в 03.34 иТ. Во время события 23.02.1956 работало достаточно большое число станций космических лучей (15 нейтронных мониторов и 14 мюонных телескопов) [5], что позволило использовать нашу методику для определения характеристик первичных СКЛ. На рис. 1а показаны профили возрастания на нейтронных мониторах ст. Лидс и Оттава, которые демонстрируют характерные профили для так называемых быстрой и задержанной (медленной) компонент РСП [9]. Возрастание на ст. Лидс (Яс = 2.2 ГВ) составило около 5000% и остается на сегодняшний день максимальным возрастанием на уровне моря, зарегистрированным нейтронными мониторами. На рис. 16 и в показаны спектры РСП, полученные с помощью методики в разные моменты времени. Спектры изображены в двойном логарифмическом (рис. 16) и полулогарифмическом (рис. 1в) масштабах, что позволяет сделать заключение о том, что в момент максимума возрастания и до него спектры РСП имел экспоненциальную зависимость от энергии. После максимума возрастания спектры становятся степенными.
СОБЫТИЕ 20.01.2005 г.
Событие СКЛ на уровне земли 20.01.2005 г., самое крупное за последние 50 лет (после события 23 февраля 1956 г.), было связано со вспышкой балла 2В/Х7.1, гелиокоординаты N14 W61. Начало радиоизлучения II типа (вероятный момент генерации релятивистских СКЛ [10] отмечено в 06.44 иТ. Событие 20.01.2005 г. в начальной фазе характеризовалось очень большой амплитудой возрастания и сильным эффектом северо-южной анизотропии в потоке релятивистских СКЛ. На рис. 2а показано возрастание на ряде нейтронных мониторов мировой сети. Величина возрастания, по одноминутным данным, на южнополярных станциях Ю. Полюс (~5000%) и Мак-Мердо (~2300%) на порядок больше, чем на северных полярных станциях: 130% на ст. Баренцбург (Шпицберген), ст. Апатиты 200%, ст. Якутск 218%. Возрастание на ливневой установке "КОВЕР" (эффективная площадь 200 м2) Баксанской
Возрастание, %
Время, иТ
^ I Протон/(м2 • с • ср • ГэВ)
8Ь 6420-2-41 10
Рис. 1. а - профили возрастаний на станциях нейтронных мониторов Лидс (1) и Оттава (2) в событии 23.02.1956 г.; б, в - энергетические спектры релятивистских солнечных протонов, рассчитанные по данным нейтронных мониторов и мюонных телескопов в различные моменты времени в двойном логарифмическом (•) и в полулогарифмическом (в) масштабах. Указаны расчетные погрешности определения спектров. Справа от кривых указано время измерения.
нейтринной обсерватории (БНО), Яс ~ 6 ГВ, координаты N 43.3°, Е 42.69°, высота 1700 м над уровнем моря составила ~1%, что соответствует ~28 о [11, 12]. На рис. 26, в показаны спектры солнечных протонов, полученные из данных мировой сети нейтронных мониторов и установки КОВЕР для двух моментов времени: 7.00 и 8.00 ИТ. В 7.00 ИТ
970
ВАШЕНЮК и др.
7.5 8.0
Часы, ИТ
Возрастание, % 1
1000' 100 10 1 0.1 0.01
6.5 7.0
^I Протон/(м2 • с • ср • ГэВ)
9 7 5 3 1
9 7 5 3 1
10
Энергия, ГэВ
Рис. 2. а - профили возрастаний на станциях нейтронных мониторов и ливневой установке "Ковер" 20 января 2005 г. (1 - ст. Ю. Полюс, 2 - ст. Мак-Мердо, 3 -ст. Оулу, 4 - ст. Апатиты, 5 - ливневая установка "КОВЕР" Баксанской нейтринной обсерватории); б, в - энергетические спектры релятивистских солнечных протонов, рассчитанные по данным нейтронных мониторов для потоков 1 и 2 в 7.00 ИТ; 3 - спектр, полученный из данных нейтронных мониторов во время изотропной фазы события в 8.00 ИТ в двойном логарифмическом (•) и в полулогарифмическом (в) масштабах. Указаны расчетные погрешности определения спектров. Приведены данные прямых измерений солнечных протонов на КА GOES-1l: крестики (7.00 ИТ), ромбы (8.00 ИТ) и на шарах-зондах (8.00 ИТ) -черные кружки.
одновременно регистрировались два потока РСП с различными характеристиками [12]. Цифрами 1 и 2 на рис. 26 обозначены спектры соответствующих потоков. Спектр 1 на рис. 2 б, в принадлежит популяции частиц с экстремально большой анизотропией, которые пришли первыми и вызвали гигантское возрастание на южнополярных станциях Ю. Полюс и Мак-Мердо. Спектр 2 принадлежит частицам так называемой медленной компоненты (МК), которые пришли на несколько минут позже и зависит от энергии по степенному закону. Спектр 3 на рис. 26 получен для момента 08.00 ИТ и также является степенным. Спектры 2 и 3 имеют продолжение в область меньших энергий, как показывают данные прямых измерений на КА GOES-11 и шарах-зондах в Апатитах (совместный эксперимент ФИАН-ПГИ) [13]. Спектр 1 имеет экспоненциальную зависимость от энергии и не имеет продолжения в область низких энергий. Особенности формирования экспоненциального спектра РСП рассмотрены в [14, 15].
ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ, подобный рассмотренным примерам событий 23.02.1956 г. и 20.01.2005 г. был проведен еще для 10 событий, происшедших в период между 1956 и 2005 гг. Все они характеризуются наличием двух компонент РСП. В таблице приведены характеристики спектров быстрой и медленной компонент РСП в 12 наиболее крупных событиях СКЛ на уровне Земли 1956-2005 гг. В последовательных столбцах таблицы указаны его номер, дата и время начала радиовсплеска II типа, балл и параметры экспоненциального спектра для быстрой (2) и степенного спектра для медленной (3) компонент в виде
I = /0ехр(-Е/Е0) м-2 • с-1 • ср-1 • ГэВ
I = /1Е~1 м-2 • с-1 • ср-1 • ГэВ
-1
(2) (3)
Экспоненциальная форма спектра быстрой компоненты характерна для механизма ускорения частиц электрическим полем в импульсном процессе магнитного пересоединения [14, 15]. Спектр запаздывающей компоненты может формироваться механизмом стохастического ускорения
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.