научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПЛОТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В МАГНИТНЫХ ОБЛАКАХ Физика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПЛОТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В МАГНИТНЫХ ОБЛАКАХ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 691-693

УДК 524.1-352

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПЛОТНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В МАГНИТНЫХ ОБЛАКАХ

© 2015 г. А. В. Белов, А. А. Абунин, М. А. Абунина, Е. А. Ерошенко,

В. А. Оленева, В. Г. Янке

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова, РАН, Москва

E-mail: erosh@izmiran.ru

В настоящей работе показано, что в большинстве случаев поведение плотности космических лучей в магнитном облаке у Земли можно описывать простой параболической зависимостью от расстояния до центра облака, измеренного в гирорадиусах. Большинство магнитных облаков модулируют космические лучи, уменьшая их плотность, но есть группа событий (приблизительно 1/5 часть), в которых плотность космических лучей в магнитном облаке возрастает. События с положительным эффектом имеют максимум (в основном) в ведущей части облака. Рассмотрен ряд факторов, дающих вклад в модельное описание, и проведены оценки этих вкладов.

DOI: 10.7868/S0367676515050166

ВВЕДЕНИЕ

Магнитное облако (МО) [1] приходит к Земле, сохраняя солнечную структуру. Как было показано, например, в работе [2], все ICMEs, приходящие к Земле, имеют структуру жгута ("flux rope") но не во всех событиях она хорошо видна [2, 3].

Утверждение, что значительная часть МО, наблюдаемых у Земли, имеют квазицилиндрическую геометрию [2, 4], согласуется и с современными представлениями о том, что внутренняя часть CME — это первоначально солнечное волокно, устроенное как длинный цилиндр, жгут [2, 4], и с наблюдениями возмущений солнечного ветра у Земли, и с успешными попытками моделировать МО как цилиндрические образования [5]. Небольшую околоземную часть облака удается представить в виде цилиндра и использовать эту модель в том числе и для предсказания дальнейшего развития возмущения. Если МО является источником модуляции КЛ, то вблизи центральной оси цилиндра должен наблюдаться минимум плотности КЛ, а к поверхности цилиндра плотность должна повышаться. Простейшей функцией, способной отобразить такое распределение, является парабола. В данной работе мы применили такую параболическую модель к большому числу событий с МО и, кроме того, исследовали влияние магнитосферных вариаций на КЛ.

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

Из каталога 1СМЕ [6] за 1996-2009 (наиболее полный каталог межпланетных возмущений за эти годы), были отобраны те 1СМЕ, которые вошли в список МО WIND (http://wind.nasa.gov/mfi/

mag_cloud_pub1.html) и/или перечислены в [7] и/или [8]. Созданная в ИЗМИРАНе база данных по форбуш-эффектам (ФЭ) основана на вариациях плотности и анизотропии КЛ с жесткостью 10 ГВ, полученных вариантом метода глобальной съемки (GSM), например, [9]. В работе рассматривается поведение только изотропной части вариации КЛ, а именно часовые данные об изменении плотности КЛ.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В выборку ICME с МО, наблюдавшихся у Земли в 23—24 солнечных циклах, попали 99 событий. Поскольку плазма ICME распространяется практически радиально, по среднечасовым данным мы получаем почти радиальный разрез (точнее сказать, прокол) изучаемого распределения плотности. Но, моделируя среднечасовые данные, надо помнить, что Земля, пересекая межпланетное возмущение, проходит за час разное расстояние в соответствии со скоростью этой части возмущения, а для заряженных частиц расстояния измеряются не в километрах или астрономических единицах, а в гирорадиусах р, которые определяются жесткостью частиц R и напряженностью ММП B. За час наблюдатель проходит в межпланетном возмущении Xр = cVBlR гирорадиусов, где V — радиальная скорость солнечного ветра. При переходе от линейных размеров к гирорадиусам получается более симметричное распределение плотности КЛ в магнитном облаке.

Второе важное обстоятельство, которое следует учитывать, это магнитосферные вариации КЛ [10] во время магнитных бурь. Главная их часть

692

БЕЛОВ и др.

Коэффициент Ьф -0.005

10 20 30 40 50

Гирорадиус

Рис. 1. Пример моделирования МО в событии 2004.07.26. Зависимость распределения плотности КЛ (А0) в магнитном облаке от гирорадиуса частиц с жесткостью 10 ГВ: ромбики — наблюдаемые вариации КЛ, точки — модельное описание распределения А0 в данном событии.

обусловлена изменением жесткости геомагнитного обрезания в пунктах наблюдения, при этом возникает переменное, зависящее от уровня геомагнитной активности приращение скорости счета, поэтому ожидаемую вариацию плотности КЛ в магнитном облаке можно записать так:

8 = а + Ь1Х + Ь2Х2 +

(1)

—0.01 -0.015 —0.02 -0.025 —0.03

к т^

г_: 1 1

I I I I I I I I I I I

I

где а — постоянная, Ь1 — трендовый коэффициент, Ь2 — отражает основную часть влияния МО на КЛ, Ьф определяет вклад магнитосферы.

Эту простую модель мы применили ко всем 99 событиям, каждый раз определяя параметры а, Ь1, Ь2, Ьф. Пример модельного представления вариаций плотности КЛ в магнитном облаке дает рис. 1.

Здесь мы видим хорошее согласие рассчитанных и экспериментальных данных, наблюдавшееся для большинства событий. Но совпадение модели с реальным поведением плотности наблюдалось не всегда из-за того, что упрощенное представление МО в виде цилиндра в ряде случаев, очевидно, непригодно. В этих случаях дисперсия а2 в методе наименьших квадратов велика, а коэффициент корреляции, напротив, низок. Но и при низкой дисперсии результатам не всегда можно доверять. Количество часов, которое Земля провела в МО, меняется в нашей выборке от 6 до 64. Ясно, что 6 часов (6 точек) недостаточно, чтобы надежно определить 4 параметра модели. Однако для большинства событий точек хватает, так как средняя продолжительность МО в выборке 21 ± 1 час.

СТАТИСТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ

Мы не рассматривали облака длиной <4р и случаи с большой дисперсией а2, когда а была >0.3%. Эти критерии уменьшили нашу выборку

— 130 — 120—110 — 100 —90—80 —70 —60 —50 —40 Минимальный В81:-индекс, нТл Коэффициент Ь2

0.20 0.15 0.10 0.05 0

0.05 -0.10

10 20 30 40

Максимальная напряженность ММП в Мо, нТл

Рис. 2. Зависимость коэффициентов модели Ьф и Ь2 от соответствующих параметров: Ьф от минимального В81-индекса в магнитном облаке (заштрихована область +ст, где ст — стандартное среднеквадратичное отклонение); Ь2 от напряженности поля внутри магнитного облака.

до 74, т.е. оказалось, что для большинства событий наша простая модель применима.

1. Коэффициент Ьф, определяющий вклад маг-нитосферных вариаций в изменения плотности КЛ, далеко не всегда удается определить точно, поскольку магнитосферные вариации КЛ, как правило, слишком малы. Те события, в которых это удается сделать, сведены на рис. 2 (верхняя панель). Средний для этих событий коэффициент (сплошная горизонтальная линия) Ьфт = 0.0136 ± ± 0.0016 %/нТл, при этом распределение точек и погрешности отдельных коэффициентов согласуются со стандартным отклонением а. Выпадающая вниз точка относится к событию в феврале 1998 г., и, скорее всего, в том событии структура МО была ближе к тороидальной, чем к цилиндрической, а параболическую зависимость удалось получить искусственно за счет случайной корреляции изменений плотности КЛ и Э81-индекса. Зависимости от величины Э81-индекса не обнаруживаются. Это позволяет предположить, что во всех событиях связь магнитосферных вариаций с изменениями плотности КЛ приблизительно одна и та же и определяется приведенным выше средним коэффициентом Ьфт.

2. В коэффициенте Ь2 отображается основная часть влияния МО на плотность КЛ. Положи -

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПЛОТНОСТИ KОCМИЧЕCKИХ ЛУЧЕЙ

б93

тельный коэффициент соответствует понижению плотности КЛ в модели, а отрицательный — возрастанию. Если в результате моделирования величина Ь2 мала, сравнима со статистической погрешностью, это означает, что данное МО слабо воздействует на КЛ около Земли. Для анализа мы отобрали 39 событий, для которых Ь2/аЬ2 > 2, чтобы выделить статистически значимый вклад Ь2 в модель. В нижней части рис. 2 представлена зависимость коэффициента Ь2 от максимальной напряженности ММП в МО (Втах) Явной зависимости Ь2 от Втах не наблюдается, но можно отметить, что все отрицательные Ь2 наблюдались в сравнительно слабом поле, а для Втах > 18 нТл все Ь2 положительны.

Из 39 событий только в 9 случаях Ь2 < 0, что свидетельствует о возрастании плотности КЛ внутри МО. Таких событий меньшинство, но они реальны. Их нельзя объяснить плохими данными или магнитосферными эффектами.

Изменения плотности КЛ (10 ГВ) внутри МО чаще всего невелики. Из 74 событий в 41 они <0.3%, а в 50 <0.5%. Такие эффекты почти невозможно выделить по данным одного детектора КЛ. Неудивительно, что некоторые исследователи приходили к выводу, что МО не влияют на КЛ. На самом деле все СМЕ/1СМЕ воздействуют на КЛ, однако эффекты СМЕ/1СМЕ и МО часто бывают малы и трудны для обнаружения.

В работе получено, что экстремум (минимум или максимум) плотности КЛ чаще располагается ближе к центру облака, а не по его краям. При этом события с положительным эффектом имеют максимум в основном в ведущей части облака, а минимумы плотности КЛ имеют тенденцию группироваться в хвостовой части облака.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В значительной части событий изменения плотности КЛ внутри МО дают почти симметричную картину с минимумом плотности у центра облака, так что поведение плотности КЛ можно описывать простой параболической зависимостью от расстояния от центра МО, измеренного в гирорадиусах.

Большинство МО модулируют КЛ, уменьшая их плотность, но есть группа событий (приблизительно 1/5 часть), когда в МО плотность КЛ возрастает.

Исследуя магнитные облака, удалось получить количественную связь вариаций плотности KЛ магнитосферного происхождения, определенных методом глобальной съемки, с изменениями Dst-индекса.

Не наблюдается явная зависимость вклада в вариации плотности KЛ от Bmax — максимальной напряженности ММП, измеренной внутри МО. Но можно отметить, что все положительные эффекты (возрастание плотности внутри МО) наблюдались в сравнительно слабом поле, а для Bmax > i8 нТл все ва

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