ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 2, с. 157-161
УДК 537.591.5
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ В СОБЫТИИ
13 ДЕКАБРЯ 2006 г.
© 2008 г. Э. В. Вашенюк, Ю. В. Балабин, Б. Б. Гвоздевский, Л. И. Щур
Полярный геофизический институт КНЦ РАН, Апатиты (Мурманская обл.) e-mail: vashenyuk@pgi.kolasc.net.ru Поступила в редакцию 31.01.2007 г. После доработки 22.08.2007 г.
Получены характеристики релятивистских солнечных протонов (РСП), определенные методами оптимизации из данных наземных детекторов космических лучей в событии 13 декабря 2006 г., которое произошло в условиях наступившего минимума солнечной активности. Исследована динамика РСП в течение события. Показано существование двух популяций (компонент) частиц: быстрой и запаздывающей (медленной). Быстрая компонента с жестким энергетическим спектром и сильной анизотропией, проявилась импульсообразным возрастанием на станциях Апатиты и Оулу, принимавших частицы с малыми питч-углами. Запаздывающая компонента имела более широкое питч-угловое распределение, что обусловило эффект умеренного возрастания на ст. Баренцбург и большинстве нейтронных мониторов мировой сети. Отмечается хорошее согласие энергетических спектров, полученных из данных наземных наблюдений, с данными прямых измерений солнечных протонов на шарах-зондах и космических аппаратах.
РАСЯ: 94.20.Wq
1. ВВЕДЕНИЕ
Событие СКЛ на уровне земли 13.12.2006 г. (GLE № 70) произошло на фазе спада 23 солнечного цикла. Оно было связано со вспышкой балла X3.4/2B, гелиокоординаты S06 W24. Вспышку сопровождали радиовсплески II и IV типов, а также корональный выброс вещества (КВВ) типа гало (www.izmiran.rssi.ru/space/solar/forecast). Начало радиоизлучения II типа (вероятный момент генерации релятивистских СКЛ [Cliver et al., 1982]) отмечено в 02.26 UT.
Особенностью данного события явилось то, что оно произошло в условиях на Солнце и в межпланетной среде, соответствующих минимуму солнечного цикла. Внезапная активизация в области AR10930 произошла на фоне почти полного отсутствия солнечных пятен. Тем не менее, событие 13.01.2006 г. относится к числу крупных. Его зарегистрировали более 30 нейтронных мониторов мировой сети. В данной работе анализируется динамика релятивистских солнечных протонов (РСП), характеристики которых были получены методами оптимизации из данных мировой сети станций нейтронных мониторов.
Процесс определения параметров первичных РСП состоит из нескольких этапов. 1. Определение асимптотических конусов приема для исследуемых станций нейтронных мониторов с помощью расчетов траекторий частиц различных жесткостей в магнитосферной модели [Tsyganenko, 2002]. Расчеты производятся от 1 до 20 ГВ с шагом по жесткости 0.001 ГВ. В отличие от прежних работ, на-
пример [Вашенюк и др., 2006], где рассчитывались только траектории частиц, выпущенных вертикально вверх, в настоящем исследовании для каждого значения жесткости рассчитывалось девять траекторий частиц. Из них одна, выпущенная вертикально вверх, и восемь, выпущенных под зенитным углом 20° из восьми равноудаленных азимутальных направлений. Таким образом, определяется асимптотический конус частиц, падающих на нейтронный монитор не только из вертикального, но и из наклонных направлений. 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 наблюдениями.
Выражение для функции отклика нейтронного монитора на анизотропный поток солнечных протонов с учетом вклада наклонно падающих на прибор частиц, имеет вид:
Щ 1
—1 - - х
Ng
8
.fl max
8 £ A(K)J(K)S( K)F(e(K)№
I
= 1
(1)
K = 1
N„
где (ДNj/N!) — процентное возрастание над галактическим фоном N скорости счета N на НМ
х
158
ВАШЕНЮК и др.
Возрастание, % 120 г
100
80
60
40
20
0 2.8
3.2 3.4 3.6
Время, часы UT
Рис. 1. Профили возрастаний на станциях нейтронных мониторов: 13 декабря 2006 г.: 1 — ст. Оулу; 2 — ст. Апатиты; 3 — ст. Москва, 4 — ст. Баренцбург; 5 — ст. Форт Смит.
станции с номером у, /(Я) = /0Яу* — дифференциальный спектр по жесткости из направления источника с переменным наклоном, у* = у + Ду х (Я — 1), где у — показатель степенного спектра при Я = 1 ГВ, Ду — скорость приращения у на 1 ГВ, /0 — константа нормализации. Другие параметры в (1): ^(Я) — удельная функция сбора [Ьоск^ооё е1 а1., 1984]; 9(Я) — питч-угол при данной жесткости (точнее, угол между асимптотическим направлением для данной жесткости и расчетной осью анизотропии, задаваемой координатами Ф и Л, в солнечно-эклиптической системе координат ОБЕ); величина А(Я) = 1 для разрешенных и 0 для запрещенных траекторий; F(9(Я)) ~ ехр(—92/С) питч-угловое распределение РСП, близкое к функции Гаусса с характеристическим параметром С. Таким образом, 6 параметров анизотропного потока солнечных протонов за пределами магнитосферы Земли (Ф, Л, /о, у, Ду, С) должны быть определены методами оптимизации путем сравнения расчетных откликов наземных детекторов с наблюдаемыми.
Наблюдаемое питч-угловое распределение не всегда может быть описано функцией, близкой к функции Гаусса. Не всегда также удается его описать комбинацией двух таких потоков из противоположных направлений, что наблюдается в случаях т.н. двунаправленной анизотропии. В данной работе мы использовали выражение для питч-углового распределения, которое позволяет добиться хорошей сходимости процесса оптимизации.
Д9(Я)) - ехр(-92/С)( 1 - аехр(-(9 - п/2)2)/Ь).(2)
Такая функция имеет особенность при значениях питч-угла, близких к п/2, и, в принципе, может учитывать особенности в питч-угловых распределениях, предсказываемые теорией распространения частиц в ММП (например, [Топтыгин, 1983; Базилевская и Голынская, 1989]). По своим свойствам выражение (2) близко к функции, применявшейся в работе [Cramp et al., 1997] для описания сложных случаев питч-углового распределения. При использовании функции (2) к шести вышеперечисленным параметрам потока РСП добавляется еще два параметра: a и b. При нулевом значении этих параметров выражение (2) переходит в обычную функцию Гаусса.
2. НАБЛЮДЕНИЯ
Событие 13.12.2006 г. в начальной фазе характеризовалось большой анизотропией. На рис. 1 показан ряд характерных профилей возрастания на нейтронных мониторах. Раннее начало, сравнительно быстрый рост и максимальную амплитуду возрастания зарегистрировали станции Оулу (104%) и Апатиты (81%) по 1-мин данным. Быстрый рост до максимума зарегистрировал также нейтронный монитор ст. Москва (рис. 1), а также ряд других европейских среднеширотных станций. На нейтронном мониторе в Баренцбурге (Шпицберген) возрастание началось на 5 мин позже, чем в Апатитах, имело затянутый рост и в максимуме составило лишь 36%. На большинстве других станций мировой сети возрастание имело
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ В СОБЫТИИ 13 ДЕКАБРЯ 2006 г. 159
Параметры потока релятивистских солнечных протонов
Время UT Y Ау C Ф град. Л град. a b J (м2 c стер ГВ)-1
02.56 3.85 0.18 0.48 -13 -43 0 0 1.3E+05
02.57 3.92 0.11 0.68 -13 - 47 0 0 1.3E+05
02.58 4.27 0.12 0.43 -9 -43 0 0 2.0E+05
02.59 4.91 0.06 0.42 -8 - 42 0 0 3.51E+05
03.00 4.73 0.14 0.38 -10 - 36 0 0 4.8E+05
03.05 3.59 0.35 0.29 0 - 44 0.47 0.35 2.1E+05
03.20 4.16 0.36 6.47 8 - 52 0.79 4.09 8.1E+05
03.35 6.06 0.06 12.66 12 - 59 0.64 6.01 1.8E+06
03.45 6.68 0.00 13.65 0 -43 0.44 2.96 1.6E+06
04.00 6.91 0.00 18.42 1 - 47 0.62 9.63 2.5E+06
еще меньшую амплитуду. Так, даже на соседней с Баренцбургом станции Туле (Гренландия) возрастание равнялось ~20%, примерно такую же амплитуду эффекта зарегистрировали южнополярные станции Мак Мердо и САНАЭ.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
Результаты анализа данных нейтронных мониторов методами оптимизации (решение обратной задачи) сведены в таблицу. Как показал анализ данных сети наземных детекторов космических лучей (см. ниже), в начальной фазе события поток релятивистских частиц приходил к Земле коллимированным пучком из направления, близкого к среднему направлению ММП в 02—03 ит. На рис. 2 показана карта небесной сферы в солнечно-эклиптических координатах с асимптотическими конусами ряда станций нейтронных мо-
ниторов. Представленные конусы рассчитаны для вертикально падающих на нейтронный монитор частиц в диапазоне жесткостей от 1 до 20 ГВ. На рис. 2 название станций приведено у высокожест-костного края (20 ГВ) асимптотического конуса. Для иллюстрации значения жесткостей 1 и 20 ГВ приведены на асимптотическом конусе ст. Ба-ренцбург. На карте проведены также линии равных питч-углов относительно вычисленного направления оси анизотропии в момент времени 3.00 UT. Видно, что оно соответствует среднему направлению паркеровской спирали (43° к Западу от линии Солнце—Земля) и почти совпадает с направлением ММП (данные KA ACE, показаны крестиком) в это же время.
Из рассмотрения рис. 2 видно, что в начальной фазе события возрастание регистрировали лишь станции с асимптотическими конусами, ориентированными в пределах 50° относительно расчетной оси анизотропии. К ним относятся Апати-
-150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180 210
Долгота ОБЕ, град.
Рис. 2. Асимптотические конусы приема для вертикально падающих частиц в солнечно-эклиптических координатах (СЭ) для ряда станций нейтронных мониторов: Бар — Баренцбург; Са — САНАЭ; Ма — Моусон; МкМ — Мак-Мердо; Оу — Оулу; Ап — Апатиты; Мо — Москва; Но — Норильск; ТА — Терре Адели; Ти — Тикси; Як — Якутск; МШ — м. Шмидта; Ин — Инувик; ФС — Форт Смит; Пе — Певанук; Ту — Туле. Показаны линии равных питч-углов относительно расчетной оси анизотропии. Крестиком показано направление ММП в 3.00 ит (данные КА АСЕ).
160
ВАШЕНЮК и др.
Протон/(м2 с стер ГэВ)
Питч-угол, град. Питч-угол, град.
Рис. 3. Динамика питч-угловых распределений релятивистских солнечных протонов: а — для быстрой, б — для запаздывающей компоненты. Цифры соответствуют моментам времени ЦТ: 1 — 02.57, 2 — 03.00; 3 — 03.05; 4 — 03.20; 5 — 03.30; 6 — 04.00.
ты, О
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.