ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 3, с. 314-317
УДК 537.591.5
КОНЦЕПЦИЯ ДВУХ КОМПОНЕНТ СКЛ: СОЛНЕЧНЫЕ И МЕЖПЛАНЕТНЫЕ АСПЕКТЫ
© 2009 г. Л. И. Мирошниченко1, Э. В. Вашенюк2, X. Перес-Пераса3
E-mail: leonty@izmiran.ru
Обсуждаются солнечные и межпланетные аспекты, связанные с наблюдениями и интерпретацией двух компонент релятивистских СКЛ: импульсной (быстрой) и запаздывающей (медленной). Быстрая компонента обладает высокой анизотропией и экспоненциальным энергетическим спектром. Медленная компонента имеет большую изотропную составляющую и степенной энергетический спектр. Рассмотрение наблюдательных и теоретических аргументов показывает, что причиной разделения на компоненты является скорее всего не межпланетное распространение, а генерации СКЛ в модели с двумя источниками в рамках концепции о многократном ускорении СКЛ в солнечной атмосфере.
ВВЕДЕНИЕ
Как показано авторами ранее [1-4], ряд событий СКЛ на поверхности Земли (вЬЕ) отчетливо демонстрируют выраженную двухкомпонентную структуру в виде быстрой компоненты (БК) и запаздывающей, медленной компоненты (МК). Они отличаются друг от друга временными профилями интенсивности (импульсообразная или плавная форма), питч-угловыми распределениями (сильная анизотропия или почти изотропия), формой энергетических спектров (жесткий экспоненциальный или мягкий степенной). В частности, в начале события вЬЕ быстрая компонента является сильно анизотропной. Частицы БК предположительно ускоряются в процессах магнитного пересоединения в нижних слоях короны в момент, близкий к взрывной фазе вспышки и началу радиовсплеска II типа [1, 5]. С другой стороны, частицы МК могут быть ускорены стохастическим механизмом в замкнутых магнитных структурах низко в короне и затем выносятся во внешнюю корону расширяющимся выбросом коронального вещества (ВКВ) [2, 6].
Теоретически медленную компоненту можно рассматривать (см., например, [7]) как результат трансформации выброшенного Солнцем пучка частиц (быстрой компоненты) в процессе межпланетного распространения СКЛ (их рассеяния на неоднородностях ММП). Однако детальная физическая картина процессов, приводящих к начальному импульсообразному максимуму и, в целом, к двухпиковой структуре в некоторых событиях, до конца не ясна. Опираясь на экспериментальные и модельные результаты [3, 4], мы приходим к выво-
1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН им. Н.В. Пушкова, Троицк.
2 Полярный геофизический институт, Апатиты.
3 Институт геофизики Национального автономного универ-
ситета Мехико, Мексика.
ду, что гипотеза "межпланетного источника" двух компонент не может разрешить все проблемы событий с релятивистскими СКЛ. Напротив, есть достаточно веские основания принять модель генерации СКЛ с двумя источниками на Солнце в рамках концепции о многократном ускорении СКЛ в солнечной атмосфере [8].
ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ О ДВУХ КОМПОНЕНТАХ СКЛ
Ярким примером, демонстрирующим существование двух компонент релятивистских СКЛ, является событие (GLE) 28 октября 2003 г. Оно было связано со вспышкой балла 4В/Х17.2, наблюдавшейся в области с гелиокоординатами S16, E08. Начало радиовсплеска II типа отмечено в 11:02 UT. На рис. 1а [9] показаны возрастания на нейтронных мониторах (НМ) Норильск и Мыс Шмидта, демонстрирующие характерные профили быстрой и запаздывающей компонент. Короткое импульсообразное возрастание на профиле станции Норильск обусловлено БК. Профиль возрастания на станции м. Шмидта состоит из двух пиков. Небольшой первый максимум, совпадающий по времени с пиком на ст. Норильск, соответствует БК, а последующее плавное возрастание - МК. На рис. 16 и 1в соответственно приведены спектры, полученные методами оптимизации из данных нейтронных мониторов в двойном и полулогарифмическом масштабах. Видно, что, в пределах методических погрешностей, спектр быстрой компоненты (1) имеет экспоненциальную зависимость от энергии {/ = 1.2 ■ 104exp(-£/0.59)}, а спектр медленной компоненты (2) - степенную {/ = 1.5 ■ 10E-4'4}.
Событие 28.10.2003 г. является одним из многих GLE, где произошло разделение потоков быстрой и медленной компонент. Именно сильно коллими-рованный поток БК был отклонен находившейся
КОНЦЕПЦИЯ ДВУХ КОМПОНЕНТ скл
315
на его пути непосредственно перед Землей неоднородностью (локальным изгибом) в ММП. Частицы медленной компоненты с широким питч-угловым распределением сравнительно беспрепятственно прошли через изгиб [9].
ВЛИЯНИЕ МЕЖПЛАНЕТНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ
К двухппковой структуре потока СКЛ, внешне похожей на профили (рис. 1а), приводит теоретическое исследование распространения энергичных солнечных частиц в ММП в режиме так называемой фокусированной диффузии [7, 10, 11]. При определенном соотношении между процессами рассеяния и адиабатической фокусировки в расходящейся структуре ММП может произойти их взаимная компенсация для некоторой группы частиц. Эти частицы движутся сконцентрированным сгустком впереди основной их массы, распространяющейся диффузионным путем (диффузионное облако). Пример такого "суперкогерентного" распространения СКЛ с энергией >5 МэВ по наблюдениям на КА Helios на небольшом (0.3 а.е.) расстоянии от Солнца описан в [12]. Для релятивистских солнечных протонов вследствие большего транспортного пробега суперкогерентная мода распространения теоретически могла бы наблюдаться и у Земли. Существенной особенностью, однако, является то, что средний питч-угол частиц в "суперкогерентном" пучке составляет ~50° [7]. Соответственно средняя скорость перемещения частиц "суперкогерентного" пика равна половине полной скорости частиц (и/2).
Как известно, в большинстве случаев начало возрастания на нейтронных мониторах запаздывает относительно взрывной фазы вспышки на ~11 мин, что соответствует времени прямого распространения (с нулевым питч-углом) от Солнца до Земли релятивистских солнечных протонов вдоль средней силовой линии ММП (1.2 а.е.) [13]. Эти так называемые "первые частицы" принадлежат быстрой компоненте СКЛ. Из анализа многих событий следует, что они распространяются коллимиро-ванным пучком, имея весьма малые питч-углы [3, 4]. Это было подтверждено и непосредственными измерениями на мюонном годоскопе МИФИ "Ураган" [14], который зафиксировал коллимирован-ный поток частиц быстрой компоненты в событии 13 декабря 2006 г. Таким образом, распространение частиц быстрой компоненты РСП существенно отличается от "суперкогерентной" моды. Относительно коллимации частиц БК следует предположить, что сильная фокусировка частиц происходит уже вблизи Солнца и, в условиях слабого межпланетного рассеяния, сохраняется при распространении до Земли.
Возрастание, % 20
Но
15 10 5
11
12
13
14
Час, UT
5
(N О £ 3
* 1
lg I
б 7
/ 5
3
2х А -
1
1 10 0 Энергия, ГэВ
5 10
Энергия, ГэВ
Рис. 1. Событие 28 октября 2003 г. Быстрая (1) и запаздывающая (2) компоненты РСП в профилях возрастаний на нейтронных мониторах станций Норильск и м. Шмидта (а). Вертикальная стрелка - вероятный момент генерации СКЛ. Спектры РСП, полученные из данных наземных измерений (1 - быстрая компонента, 2 - запаздывающая) в двойном логарифмическом (•) и полулогарифмическом масштабе (в). Приведены также данные прямых измерений солнечных протонов на шарах-зондах (крестики) и КА вОББ-И (кружки).
Протоны • (м2 • с • ср • ГэВ)
105
,-1
103
101
10о
E0 = 0.5 МэВ —GLE 65, 12:10 UT -■-E0 = 1.0 МэВ а = 0.04 т = 1 c
.1
1
10
Энергия, ГэВ
Рис. 2. Сравнение спектров медленной компоненты в событии 28 октября 2003 г., полученных из экспериментальных данных (ОББ65) и путем расчета ускорения протонов в турбулентной плазме при различных начальных энергиях Е0 [18].
0
7
316 МИРОШНИЧЕНКО и др.
Параметры экспоненциального J = /0ехр(-£/Е0) и степенного J = J1E ^ спектров для событий ОЬЕ 1956-2006 гг.
№ ОЬЕ Дата события Начало радиовсплеска II типа Балл вспышки Гелиокоор-динаты Быстрая компонента Медленная компонента
№ Jo Е0 Л -у
1 05 23.02.1956 03:31* 3В N23W80 7.4 ■ 105 1.37 5.5 ■ 105 4.6
2 31 07.05.1978 03:27 1В/Х2 N23W82 3.5 ■ 104 1.11 1.3 ■ 104 4.0
3 38 07.12.1982 23:44 1В/Х2.8 S19W86 5.7 ■ 103 0.65 7.2 ■ 103 4.5
4 39 16.02.1984 09:00 - - W132 - - 5.2 ■ 104 5.9
5 42 29.09.1989 11:33 -/Х9.8 - W105 1.5 ■ 104 1.74 2.5 ■ 104 4.1
6 44 22.10.1989 17:44 2В/Х2.9 S27W31 7.5 ■ 104 0.91 1.5 ■ 104 6.1
7 47 21.05.1990 22:12 2В/Х5.5 N35W36 6.3 ■ 103 1.13 2.7 ■ 103 4.3
8 55 06.11.1997 11:53 2В/Х9.4 S18W63 8.3 ■ 103 0.92 8.2 ■ 103 4.6
9 59 14.07.2000 10:19 3В/Х5.7 N22W07 3.3 ■ 105 0.50 5.0 ■ 104 5.4
10 60 15.04.2001 13:48 2В/Х14.4 S20W85 1.3 ■ 105 0.62 3.5 ■ 104 5.3
11 65 28.10.2003 11:02 4В/Х17.2 S16E08 1.2 ■ 104 0.60 1.5 ■ 104 4.4
12 67 02.11.2003 17:14 2В/Х8.3 S14W56 4.6 ■ 104 0.51 9.7 ■ 103 6.3
13 69 20.01.2005 06:44 2В/Х7.1 N14W61 2.5 ■ 106 0.49 7.2 ■ 104 5.6
14 70 13.12.2006 02:51 2В/Х3.4 S06W24 3.5 ■ 104 0.59** 4.3 ■ 104 5.7
* Начало радиовсплеска на частоте 3.3 ГГц. ** В событии 0ЬЕ70 в начальной фазе спектр имеет переменный наклон и не соответствует точно экспоненциальной зависимости. Приведенные параметры спектра БК указаны для наилучшего приближения экспоненциального спектра к спектру, полученному в процессе оптимизации.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
Как показал анализ большого числа событий вЬЕ [1-6] (таблица), спектр быстрой компоненты имеет экспоненциальную зависимость от энергии, а медленной - степенную. Объяснить такое специфическое разделение по энергиям одними процессами рассеяния и фокусировки в межпланетном пространстве довольно сложно. При средних длинах межпланетного транспортного пробега от 0.1 до 1 а.е. [15, 16] трудно представить, чтобы релятивистские солнечные протоны на пути от Солнца до Земли могли существенно изменить свою энергию. Более резонно предположение о различных источниках ускоренных частиц на Солнце. Данные о развитии активных процессов на Солнце и сопровождающих их излучений представляют свидетельства большого разнообразия возможных процессов генерации энергичных частиц. Все известные механизмы ускорения частиц могут быть сведены к трем основным [16]: ускорение электрическим полем, у
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.