научная статья по теме О ВОССТАНОВЛЕНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ АНОМАЛЬНОГО КИСЛОРОДА НА СПАДЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПОЛЯРНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛНЦА Космические исследования

Текст научной статьи на тему «О ВОССТАНОВЛЕНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ АНОМАЛЬНОГО КИСЛОРОДА НА СПАДЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПОЛЯРНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛНЦА»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 3, с. 274-277

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 537

О ВОССТАНОВЛЕНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ АНОМАЛЬНОГО КИСЛОРОДА НА СПАДЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ПОЛЯРНОСТИ МАГНИТНОГО

ПОЛЯ СОЛНЦА

© 2007 г. Д. А. Журавлев, |М. А. Кондратьева, Ч. А. Третьякова

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ

Поступила в редакцию 12.07.2005 г.

РАС8: 95.75Wx

Прямые наблюдения гелиосферных магнитных полей [1] показали, что крупномасштабная их структура включает нейтральный токовый слой, разделяющий гелиосферу на "северную" и "южную" полусферы, в которых доминируют противоположные полярности магнитного поля. Каждые 11 лет происходит изменение знаков полярности на противоположные, а каждые 22 года наблюдаются одинаковые полярности магнитного поля Солнца. Существование 22-летнего солнечного магнитного цикла учитывается в дрейфовых теориях модуляции космических лучей (КЛ), согласно которым распространение заряженных частиц в гелиосфере при одинаковых полярностях происходит одинаково: при отрицательной (условно) полярности положительно заряженные частицы движутся от границы модуляции внутрь гелиосферы вдоль нейтрального токового слоя и выходят из нее на высоких широтах; при А > 0 - картина обратная.

После максимума солнечной активности (СА) и переполюсовки магнитного поля Солнца в 2000 г. началось восстановление интенсивности КЛ при отрицательной полярности магнитного поля Солнца (А < 0). Предыдущий период восстановления с такой же полярностью имел место после переполюсовки в 1980 г. В связи с этим мы вернулись к результатам наших экспериментов по измерению потоков аномальных космических лучей (АКЛ) у Земли в 1980-х годах, чтобы сравнить их с тем, что будет измерено в ближайшие годы.

Постановка задачи. Тогда, в начале 1980-х, с неуверенностью ожидали "появления" АКЛ после их "исчезновения" в 1979 г., так как дрейфовые теории предсказывали, что после переполюсовки в 1980 г. интенсивность АКЛ может оказаться очень низкой, за пределами регистрации приборов. Однако, АКЛ появились, но не при том темпе счета нейтронных мониторов (НМ), при котором они "исчезли", а позднее, т.е. обнаружилось запаздывание в восстановлении их интенсивности по сравнению с

частицами галактических космических лучей (ГКЛ), которого и следовало ожидать, если частицы распространяются диффузионно. В этом случае, как показал ОчОа1^Ьег [2], среднее время распространения частицы {{) от границы модуляции, расположенной на радиальном расстоянии г, до 1 АЕ равно ф = г2/6 Кп, где Кгг = вЯК0(г, 0 - коэффициент диффузии частицы с жесткостью Я и относительной (по отношению к скорости света) скоростью р.

Ионы аномального кислорода О+ с энергией 10 МэВ/нукл, регистрируемые в наших экспериментах, имеют малую скорость в ~ 0.14, но, будучи однократно заряженными [3], обладают большой жесткостью Я ~ 2 ГВ. Протоны с такой же жесткостью имеют почти релятивистские скорости в ~ 0.92. В результате соотношение времен распространения ионов АКЛ и протонов ГКЛ при одинаковой жесткости, определяемое обратным соотношением их скоростей (¿)акл/^)гкл = вгКд/вАКд, равно ~7, т.е. должен наблюдаться заметный временной сдвиг в восстановлении их интенсивностей вблизи Земли. В настоящей статье рассматриваются эффекты гистерезиса между ионами аномального кислорода и протонами ГКЛ сравнимой жесткости в 21-м цикле СА.

Экспериментальные данные. В данной работе использованы следующие данные об интенсивности космических лучей вблизи Земли, состоянии гелиосферы и активности Солнца в 21-м цикле СА:

1) Потоки ионов О+ с энергиями 9-11 МэВ/нукл в 1984-1987 гг. были измерены в наших экспериментах [4]; интенсивности ионов О+ с энергиями 8-27 МэВ/нукл в 1976-1987 гг. - на 1МР-8 [5].

2) Данные о протонах со средней жесткостью Я ~ 1 ГВ [6] были предоставлены нам сотрудниками ФИАН в виде разности счета гейгеровского счетчика на 10 г/см2 остаточной атмосферы в Мурманске (средняя жесткость обрезания Яс = 0.6 ГВ) и в Москве (Яс = 2.4 ГВ).

3) Данные о протонах со средней жесткостью R ~ 2 ГВ заимствованы нз работ [7, 8], где приведены сведения о скорости счета интегрального потока частиц КЛ с энергиями более 70 МэВ (измерения на IMP).

4) Данные о скорости счета НМ на станции Climax (жесткость обрезания Rc ~ 3 ГВ), регистрирующего частицы КЛ со средней жесткостью R ~ 11 ГВ взяты по адресу: ftp :\\ftp.ngdc.noaa. gov/STP/SO-LAR-DATA/SUNSPOT-NUMBERS.

5) Данные о числе солнечных пятен на Солнце (число Wolf а) взяты по адресу: ftp:\\ftp.ngdc. noaa.gov/STP/SOLAR-DATA/COSMIC-RAYS.

6) Данные о среднем угле а наклона гелио-сферного нейтрального токового слоя взяты по адресу: http:\soi.stanford.edu/~WSO/Tilts.htm/

Наши экспериментальные данные были получены с помощью твердотельных трековых детекторов, экспонированных на ИСЗ на высотах 200-400 км с углом наклонения орбиты 62°-82°. Детекторы состояли из нескольких слоев нитрата целлюлозы суммарной толщиной 500-800 мкм и площадью 25-80 см2. Такие стопки позволяли идентифицировать ядра с зарядами >6, останавливающиеся в детекторе, и определять их энергию в диапазоне 10-25 МэВ/нукл. Для изучения аномальных космических лучей отбирались экспозиции, проведенные в периоды спокойного Солнца. В 80-х годах длительность экспозиций была стандартной - 14 дней. Поскольку детекторы были пассивными, они регистрировали средний за этот промежуток времени поток частиц. В американском эксперименте на IMP интенсивность ионов аномального кислорода определялась по измерениям в спокойные периоды Солнца усреднением за 3 или 6 месяцев.

Экспериментальный результат. По данным 21-го цикла СА построены графики (рис. 1а, 16, 1в) корреляций между изменениями со временем интенсивностей ионов аномального кислорода и протонов ГКЛ с жесткостями ~1, ~2 и ~11 ГВ на восходящей (1976-1980 гг.) и нисходящей (19831987 гг.) ветвях СА. За меру интенсивности протонов с жесткостью ~1 ГВ (ось абсцисс на рис. 16 и 26) принята разность счета числа частиц в секунду на широте Мурманска (Rc = 0.6 ГВ) и Москвы (Rc = 2.4 ГВ); протонов с жесткостью ~2 ГВ (ось абсцисс на рис. 1в и 2в) - скорость счета в секунду частиц с энергиями >70 МэВ/нукл на IMP; протонов с жесткостью ~11 ГВ - скорость счета нейтронного монитора на станции Climax (ось абсцисс на рис. 1а и 2а).

Следует отметить, что измерения нисходящей ветви интенсивности аномального кислорода в 70-х годах (A < 0) на IMP из-за малого геометрического фактора закончились в 1979 г., когда интен-

Интенсивность, (см2 с ср МэВ/нукл) 1 а 1976

10

1-6

10

г7

10

1-8

1987

IMP

наши данные ANURADHA

3600 3800 4000 4200 4400 Climax HM

10

10

10

1976 1987

10

10

200 400 600 800 1000 N (0.6-2.4 ГВ)

1976

10

100 200 300 400 IMP (>70 МэВ)

Рис. 1. Графики корреляций между интенсивностями ионов АКЛ и протонов ГКЛ со сравнимой жесткостью в 21-м цикле СА в период возрастания СА в 1976-1979 гг. (светлые символы) и в период убывания СА в 1983- 1987 гг. (темные символы).

сивность 0+ уменьшилась всего на порядок величины. На этом же уровне закончились измерения на IMP и на нисходящей ветви следующего 22-го цикла СА (A > 0). В то же время наши измерения в этом цикле были выполнены вплоть до самого максимума СА в 1990 г., когда интенсивность АКЛ упала более чем в 100 раз. Для грубой оценки1 величины запаздывания в восстановлении интенсивности 0+ по отношению к протонам ГКЛ в 21-м цикле мы воспроизвели дальнейшее падение интенсивности в этом цикле так, как это было из-

1 Известно, что спад интенсивности КЛ в циклах с А > 0 происходит несколько быстрее, чем в циклах с А < 0.

276

ЖУРАВЛЕВ и др.

Интенсивность, (см2 с ср МэВ/нукл)-1

10-6 г

10-7 =

10-8 I I i i_i_I_I

3600 3800 4000 4200 4400 Climax HM

10-6 =

10-7 =

10-8 Lü_i_i_i_i

200 400 600 800 1000 N (0.6-2.4 ГВ)

10-6 г

10-7,

10-8 ——'—1-1-1—

200 300 400

IMP (>70 МэВ)

Рис. 2. То же, что на рис.1, но восходящая ветвь интенсивности ионов АКЛ (1983-1987 гг.) сдвинута относительно нисходящей ветви (1976-1980 гг.) на 8-12 месяцев в период с 1983 г. по сентябрь 1985 г. и на ~3 месяца в период с сентября 1985 г. по март 1987 г. в случае нейтронного монитора.

мерено нами в 22-м цикле. На рисунках этот участок нисходящей ветви показан пунктирной линией. Рис. 1 показывает, что в период с 1983 г. по сентябрь 1985 г. гистерезисная петля наблюдалась для всех трех рассматриваемых компонент ГКЛ. В то же время, в период с сентября 1985 г. по март 1987 г. эффект гистерезиса между ионами аномального кислорода и протонами ГКЛ заметен только по отношению к частицам, представленным на рис. 1а, жесткость которых в несколько раз больше жесткости ионов аномального кислорода (при жесткости обрезания на станции

Climax -3 ГВ, средняя жесткость регистрируемых частиц составляет -11 ГВ). Гистерезис между ионами аномального кислорода и протонами ГКЛ с действительно сравнимой жесткостью (рис.1б, 1в) в период с 1985 по 1987 гг. не наблюдался.

Для оценки величины запаздывания в восстановлении интенсивности ионов аномального кислорода была применена обычная процедура: восходящая ветвь интенсивности ионов АКЛ сдвигалась по отношению к нисходящей ветви на такой интервал времени, чтобы минимизировать ширину гистерезисной петли. При этом рис. 1 трансформируется в рис. 2, если восстановление интенсивности ионов аномального кислорода по отношению к протонам ГКЛ запаздывает на 8-12 месяцев в период 1983-1985 гг., а в период 1985-1987 гг. запаздывание относительно нейтронного монитора составляет -3 месяца.

Обсуждение результата. Итак, на конечной фазе 21-го цикла СА при отрицательной полярности магнитного поля Солнца имело место запаздывание в восстановлении интенсивности ионов O+ по отношению а протонам ГКЛ сравнимой жесткости, но только в начале спада СА, а затем, при приближении к минимуму СА, отставания не наблюдалось.

Такой результат совместим с представлениями о том , что в начале периода восстановления, когда активность Солнца еще велика, в распространении частиц преобладает процесс диффузии; затем, при приближении к минимуму СА, ведущую роль играет дрейф частиц вдоль нейтрального

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