КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, том 49, № 6, с. 491-499
УДК 537.591.5
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОТОКА СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И ГЕОМАГНИТНЫХ УСЛОВИЙ 5-18.XII.2006 г.
© 2011 г. Г. П. Любимов, Н. А. Власова, В. И. Тулупов, |Е. А. Чучков Б. Я. Щербовский, С. И. Ермаков
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ
nav19iv@gmail.com Поступила в редакцию 23.11.2009 г.
Представлены результаты анализа особенностей солнечной активности, динамики потоков солнечных космических лучей и состояния межпланетной среды 5-18.XII.2006 г. Анализ данных основан на новых модельных представлениях о корональном и межпланетном распространении солнечных космических лучей: частичный захват в ловушки магнитного поля и колебания при отражениях от магнитных пробок. Высказаны новые предположения о возможных связях особенностей межпланетной среды с процессами в магнитосфере Земли: влияние дискретной межпланетной среды на процессы в магнитосфере Земли существует всегда и, в этом смысле, является фундаментальным; дискретность межпланетной среды может быть одной из причин геомагнитных суббурь.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема солнечно-земных связей — одно из наиболее интригующих и сложных направлений исследования в космической физике. Статические и динамические процессы в магнитосфере Земли (МЗ) непосредственным образом связаны с условиями на Солнце и состоянием межпланетной среды (МС). В то же время, МЗ — самосогласованная система, и отклик геомагнитной активности на внешнее воздействие является нелинейным процессом. Влияние Солнца посредством МС, как тонкой неоднородной и нестационарной структуры, на состояние МЗ сложно, многогранно и неоднозначно. Возможно выделить разные уровни воздействия МС на МЗ: однородное и стационарное течение МС имеет своим результатом структуру МЗ; однородное, но нестационарное течение МС вызывает геомагнитные возмущения; однако МС всегда неоднородна и дискретна. О неоднородном строении межпланетного магнитного поля (ММП) и потоков плазмы было впервые сказано в [1]. В 1976 г., впервые, по ходу анизотропии солнечных космических лучей (СКЛ) были обнаружены дискретные петли ММП размером до 6 а.е. [2]. Петли были вытянуты реккурентным, квазистационарным потоком плазмы (КПП) солнечного ветра из активных областей Солнца, в одной из которых произошла вспышка, заселившая их СКЛ. Влияние дискретной МС на процессы в МЗ существует всегда и, в этом смысле, является фундаментальным. Дискретность МС может быть одной из причин геомагнитных суббурь.
Интервал времени 5—18.XII.2006 — особенный. На нем произошло несколько солнечных вспышек в одной активной области (АО), породивших три совершенно непохожих друг на друга возрастания потоков СКЛ, наблюдались сложная структура МС и различные условия геомагнитной активности. Изменения наблюдательных данных связаны с изменением солнечной активности или гелиоцентрических расстояний. Если за время измерений, сравнимое с периодом вращения Солнца вокруг своей оси, в одной активной области происходит несколько вспышек, то такая последовательность данных эквивалентна наблюдению в нескольких точках вокруг Солнца.
В работе [3] представлены результаты сравнительного анализа максимальных потоков СКЛ в трех возрастаниях СКЛ 5—18.XII.2006 по экспериментальным данным, полученным в МС и магнитосфере Земли.
Представленная работа посвящена анализу солнечной активности, состояния МС и динамики потоков СКЛ в МС 5—18.ХП.2006. Высказано предположение о возможной связи неоднородной (трубчатой) структуры МС с геомагнитной активностью 15.XII.2006.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Анализ солнечной активности (СА), геомагнитной возмущенности и динамики параметров солнечного ветра (СВ) и ММП был сделан по экспериментальным данным, полученным с космических аппаратов (КА): 5-и минутные данные по потокам СКЛ с КА АСЕ (точка либрации —
1.5 млн. км от Земли к Солнцу) [http://www.ssg. sr.unh.edu/mag/ace, http://www.sec.noaa.gov/ftpdir/ lists/ace], КА STEREO-A и STEREO-B (вне МЗ: ~ ~ 30 R3 от Земли к Солнцу и ~1 R3 между КА) [http:// stereo-ssc.nascom.nasa.gov/], а также 4-х минутные данные по параметрам плазмы солнечного ветра и ММП по измерениям на КА АСЕ. Все основные и вспомогательные данные взяты из Internet и Solar Geophysical Data (SGD) [4].
Анализ проведен на основе эмпирической отражательной модели движения, накопления и модуляции космических лучей [5, 6, 7]. Модель использует только наблюдательные и диагностические (по вариациям КЛ) данные о СА, СВ и ММП и фундаментальные физические соотношения.
Любой временной ход потоков СКЛ в МС можно представить в виде трех компонент: движение частиц в магнитных полях, диффузия и конвекция [8]. "Отражательная" модель является развитием диффузионной модели распространения СКЛ в МС. Представления о захвате и переносе СКЛ в ловушках дает возможность объяснить недиффузионные формы временных профилей потоков СКЛ, в частности, отрицательную анизотропию потоков, и установить связи возрастаний потоков со вспышками на Солнце.
Основные физические принципы, заложенные в основу "отражательной" модели, следующие:
1. Частицы СКЛ из области вспышки могут распространяться в короне по связанным арочным системам на значительные расстояния, обеспечивая корональное распространение, в том числе и от залимбовых вспышек.
2. Частичный захват СКЛ в корональных арках создает систему вторичных сопряженных источников.
3. Магнитные поля АО, расположенные на диске Солнца между областью вспышки и точкой соединения детектора с Солнцем, могут быть барьерами для потока частиц или вторичными источниками.
4. Распространение СКЛ в МС происходит в квазистационарных петлевых структурах ММП разного масштаба, вращающихся вместе с Солнцем, которые могут быть ориентированы в различных плоскостях. Петлевые структуры могут быть собраны в пучки, в соответствии с расположением их оснований на Солнце, и перераспределены в МС за счет динамических процессов в СВ. Частицы совершают колебания с отражением (с различным коэффициентом отражения) от магнитных пробок в вершинах и основаниях магнитных петель.
5. В процессе распространения в МС СКЛ могут частично захватываться: в коротирующих об-
ластях взаимодействия разноскоростных потоков СВ; в ловушках на фронтах ударных волн; в ловушках, образованных фронтами движущихся ра-диально вспышечных возмущений.
С учетом наблюдательных данных и на основе анализа экспериментальной информации по "отражательной" модели возможна более детальная аппроксимации временного профиля потока СКЛ. В программу модели закладываются параметры, такие как, гелиокоординаты, балл и время вспышки, координаты точек наблюдения, скорость СВ, координаты сопряженных источников и барьеров. К ненаблюдаемым, вычисляемым по модели, параметрам относятся: распределение СКЛ в ловушках ММП, коэффициенты отражения частиц в ловушках, начальный поток частиц и показатель энергетического спектра при их генерации во вспышке и ряд других.
Применение "отражательной" модели позволило объяснить и аппроксимировать, например, данные с КА Pioner-10 и Pioner-11 V.1981 и VIII.1982 [9], c КА Гранат и Ulysses 29.V-26.VI.1991 [10] на расстояниях до 15 а.е. при угловой дистанции 0°—360°. Аппроксимации сделаны для потоков протонов с энергией от 1 до 500 МэВ и электронов с E> 6 МэВ.
В данной работе приводятся результаты только качественного анализа на основе "отражательной" модели особенностей динамики потоков СКЛ в исследуемый период времени.
ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассмотренный интервал времени относится к эпохе минимума СА. Спокойным был весь 2006 год, кроме последнего месяца. Высокая активность возникла в одной АО № 10930 с момента ее восхода и до заката на диске Солнца, что позволяет видеть особенности развития и динамики активности, проследить ее гелиодолготный ход.
За этот период времени на КА, находящихся на линии Солнце—Земля, наблюдалось три возрастания СКЛ, связанных с тремя сильными вспышками на Солнце — 5, 13 и 14.XII.2006 (339, 347, 348 дни года). Временные профили потоков СКЛ, некоторых параметров МС и индекса геомагнитной активности (Dst) 5—18.XII.2006 представлены на рис. 1.
Экваториальная плоскость наклонена к плоскости эклиптики на угол 7.25°, а в декабре Земля проектируется на экватор Солнца (6.XII). В этом случае, при вращении Солнца вокруг своей оси, видимая широта активных центров, расположенных в южном полушарии и имеющих гелиоширо-ту менее 7.25°, перемещается из-под плоскости эклиптики в положение над ней за время восхода из-за восточного лимба и заката за западным
£
X
£ X
105 103
SF1 I
SF2 I
SF3 I
101
10-1 1000
500
0 20
10
0 20
10 0
-100 -200
1 ил 1 1 1 Е1 | | --и*--1-1- 1 1 -^¿ТО^-!- Е1 Л-
У/ Е3 А^Г-1 Е3
-1-1- 1 1 1 1 1 1 1 | Е3 1
Г 1 1 | | ч *
1 1 SC1 ! ! 1 1 1 1 1 1 1 1 SC2 SC3
{ 1 1 1 1 1 ! ! ]
1 Л и к/
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 И1, | | л
Л1Ы л а ■>* /Уч, 1ТР1Ш №1 т 1 '' Ч| 1 1
1 1 —^ ! ! ~А
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III I 1 1
6.Х11
10.Х11
14.Х11
18.Х11
Рис. 1. Временные профили: интенсивностей потоков протонов с Е1 = 1.06-1.91 МэВ ([У] = (см2 Е2 > 10 и Е3 > 30 МэВ ([У] = (см2 • с • ср)-1) по данным КААСЕ 5-18.XII.2006.
ср • МэВ)-1) и
лимбом (14 дней). Эта геометрия может объяснить некоторые особенности экспериментальных данных. Например, гелиоширотный минимум скорости плазмы СВ. В нашем случае АО № 10930, в которой произошли все три вспышки, была расположена в южном полушарии Солнца на гелиошироте менее 7° и была на диске Солнца с восхода до заката [4].
Наблюдение потока СКЛ, его временного хода, энергетического спектра и анизотропии в данной точке гелиосферы определяется не только гелиоцентрическими координатами детектора и вспышки (взаимными, относительными), но и типом вторичного источника СКЛ. Вторичными источниками мы называем системы простран-
ственной заселенности среды частицами СКЛ [11]. Вращение Солнца вокруг своей оси может приближать (рост потока) или удалять (спад потока) основной и вторичный источники к точке соединения (по спирали Архимеда) детектора с Солнцем. Если время
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.