КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 1, с. 12-19
УДК 537.591.5
ОБ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ МОДЕЛИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ
КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
© 2007 г. Г. П. Любимов, Е. Е. Григоренко
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ
Поступила в редакцию 28.02.2005 г.
В работе рассмотрены принципы построения модели, ее составные элементы и физический алгоритм. Особое внимание уделено причинно-следственным связям структуры и динамики солнечной и межпланетной среды с движением заряженных частиц солнечных космических лучей. Рассмотрены особенности начальной фазы движения частиц после их ускорения в солнечной вспышке, фазы дальнейшего движения частиц в короне Солнца, и фазы движения частиц в гелиосфере. Подробно рассмотрены процессы переноса заряженных частиц во вспышечных выбросах плазмы.
PACS: 96.50.S-
ВВЕДЕНИЕ
Отражательная модель была опубликована в 1988 году [1]. С тех пор выполнено большое число работ по ее дальнейшей разработке и использованию различных вариантов модели для апрок-симации экспериментальных данных [2-14]. На ее основе введено понятие локальных радиационных поясов Солнца [15]. Модель эффективно применяется для диагностики межпланетного магнитного поля, анализа тонкой структуры плазмы солнечного ветра и их источников [16].
Однако, эффективное использование модели затруднено вследствие ее эмпирического характера и недостаточной определенности вводимых параметров. В данной работе мы делаем очередную попытку найти более ясные формы изложения сути модели и новые логические пути и связи в физическом алгоритме модели.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ
Движение заряженных частиц солнечных космических лучей (СКЛ) в гелиосфере после их генерации (во время вспышек на Солнце) можно представить совокупностью нескольких составляющих.
Инжекция СКЛ из области их ускорения (солнечной вспышки)
Распространение в короне Солнца в солнечном магнитном поле, в радиальном направлении по высоте, и вдоль поверхности Солнца, по долготе и по широте.
Дальнейшее распространение и накопление в межпланетном магнитном поле, и перенос в движущихся от Солнца ловушках вспышечных выбросов плазмы с ударными волнами.
В каждом из этих процессов проявляются два фактора - способ движения СКЛ и структура и динамика среды.
Под средой мы понимаем - солнечное магнитное поле, плазму солнечного ветра и межпланетное магнитное поле, в которых и распространяются СКЛ. Движение заряженной частицы в магнитном поле складывается из ларморовского вращения и движения ведущего центра вдоль магнитного поля и дрейфовых движений (смещений) частицы в неоднородных магнитных полях. Движение самой среды (квазирадиальное расширение атмосферы Солнца) обуславливает конвективный компонент распространения СКЛ вместе с магнитными полями.
Состояние межпланетной среды перед вспышкой определяется процессами солнечной активности различного временного и пространственного масштаба: фазой 11-летнего цикла солнечной активности, вариациями солнечной активности меньших периодов (двухлетние, годовые и полугодовые) и распределением активности по Солнцу (активность полушарий, наличие активных центров, локальные характеристики активности). Сама вспышка может значительно изменить параметры среды за счет не радиального выброса плазмы с высокой скоростью и с ударной волной.
Следовательно, адекватная модель распространения СКЛ в гелиосфере должна сочетать модель динамических процессов в солнечной плазме с магнитным полем и модель распространения СКЛ в неоднородной и нестационарной среде.
Здесь не рассмотрен вопрос о возникновении самого источника - солнечной вспышки, как первопричины генерации СКЛ и вспышечного выброса плазмы с ударной волной.
Движение СКЛ в межпланетном магнитном поле солнечного ветра и во вспышечном выбросе плазмы, есть движение в соответствующих ловушках, образованных магнитными полями этих динамических структур. Характерные масштабы солнечного магнитного поля и межпланетного магнитного поля и спектр кинетических скоростей СКЛ обуславливают существенное увеличение времени "жизни" СКЛ при их движении в солнечном магнитном поле короны и, особенно, при переносе в ловушках межпланетного магнитного поля.
НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Нами был обнаружен эффект группового отражения СКЛ от некоторого "зеркала", расположенного за 1 а.е., с высокой положительной анизотропией потока (+90%), в течение несколько часов [17]. Эти данные указывали на существование магнитных пробок за орбитой Земли, на высокую коллимацию потока СКЛ и на существование некоторого вторичного источника частиц после короткой (импульсной) генерации их во вспышке. Такой источник был обнаружен в других экспериментах, в которых СКЛ наблюдались одновременно с форбуш-понижением галактических космических лучей, без дисперсии скоростей и с малой анизотропией [18-27]. Наблюдалось также длительное (более 2.5 дней) сохранение СКЛ без дисперсии по скоростям и при низкой анизотропии, но без форбуш-понижения, а при прохождении границы сектора межпланетного магнитного поля [7], то есть при смене знака межпланетного магнитного поля. Длительная, высокая знакопеременная анизотропия наблюдалась одновременно на трех космических аппаратах и однозначно показала существование больших петель межпланетного магнитного поля, протяженностью до 6 а.е. соединявших разные полушарии Солнца и последовательно пересекавших КА [28]. На протяжении 20-го цикла солнечной активности показано существование малых квазистационарных потоков протонов с энергией более 30 МэВ, уровень которых повторял ход солнечной активности [29]. Большие петли в солнечном ветре и межпланетном магнитном поле были обнаружены по данным прямых измерений в межпланетной среде [34, 35], а их основания, находящиеся в солнечной короне - по рентгеновским фотографиям SKYLAB [36]. Петлевые структуры вспышечных выбросов плазмы прекрасно видны по данным SOHO.
Энергетический диапазон СКЛ иногда склонны разделять на "малые" и "большие" энергии. Можно говорить о монотонном падающем энергетическом спектре СКЛ. Весьма широкий, падающий энергетический спектр СКЛ, в диапазоне энергий от 0.05 МэВ до 15 ГэВ, отделен от линии 500 эВ энергетического спектра водородной плаз-
мы солнечного ветра. Магнитные поля солнечного ветра образуют ловушки (в короне или в межпланетной среде), заселенные путем дрейфовых движений СКЛ. Такое разделение роли солнечного ветра и СКЛ было экспериментально показано еще в [37].
Особо следует обсудить вопрос об эффективности различных ускорительных механизмов, существующих в гелиосфере, а так же и о потерях энергии. В этой дискуссии следует говорить не только об энергии заряженных частиц СКЛ, а и об их плотности в ловушках переменного размера.
МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СКЛ И ЕЁ ФИЗИЧЕСКИЙ АЛГОРИТМ
Для описания возрастаний СКЛ высоких энергий, наблюдаемых уже 50 лет на наземных станциях космических лучей, широко используется диффузионное приближение. Форма возрастания СКЛ оказалась весьма похожей на профиль диффузионной волны, хотя, наблюдались и исключения. Диффузионное описание оперирует лишь со временем запаздывания максимума СКЛ от момента вспышки на Солнце, расстоянием от Солнца до детектора и кинетической скоростью частиц СКЛ. Эти исходные параметры позволяют определить коэффициент диффузии и пробег частиц до рассеяния, то есть характерное расстояние между рассеивающими центрами (магнитными неоднородностями). Возникают трудности при описании более сложных профилей СКЛ, случаев с высокой анизотропией, особенно при снижении энергии частиц. Диффузионное приближение хорошо описывает максимум и фазу спада, использует лишь усредненное описание межпланетной среды, не учитывает условия в источнике, в короне, и не может описать высокую коллимацию СКЛ, то есть большую положительную анизотропию потока и тем более высокую отрицательную анизотропию. Для более адекватного описания экспериментальных данных используется трансформация диффузионного приближения: анизотропная диффузия, коллимированная диффузия, вводятся зависимости параметров диффузии от координат и времени. Межпланетное магнитное поле имеет многомасштабную структуру. Наряду с мелкомасштабными неоднородностями магнитного поля, выполняющими роль "рассеивающих центров", в нем присутствуют крупномасштабные структуры (петли коронального магнитного поля, вытягиваемые солнечным ветром в межпланетное пространство, фронты ударных волн), которые обеспечивают механизм распространения СКЛ, отличный от диффузионного.
В 1988 г. на основе ряда экспериментальных данных [18-33] оформилось новое представление о распространении СКЛ в короне и межпланетном магнитном поле [1]. Данная модель получила
Полупрозрачное зеркало
I//
Солнце
от Солнца (+)
о*
Вспышка
к Солнцу (—)
Средняя анизотропия (двунаправленная)
Высокая анизотропия
100%
Анизотропия =
1 - К,
отражения
1 + К,
X 100%
отражения
(+) от Солнца (-) к Солнцу
интенсивность
расстояние (детектор-зеркало)х 2 скорость группы частиц
Рис. 1. Схема группового отражения солнечных космических лучей от полупрозрачного зеркала.
название "отражательная", так как была основана на наблюдении в 1967 г. "отраженного" профиля СКЛ (рисунок 1) и на представлениях о частичном захвате и колебаниях при отражении от магнитных пробок, пакета СКЛ, ускоренных во вспышке.
Представление о петлевых магнитных ловушках в короне и в межпланетной среде основано на наблюдении арочных структур на рентгеновских фотографиях солнечной короны, на отождествлении межпланетных магнитных петель в солнечном ветре и на диагностики межпланетных петель по солнечным космическим лучам [16].
Рассмотрим последовательно феноменологическое и математическое описание модели. Коро-нальные магнитные поля, как правило, представляют собой арки и петли различной конфигурации и размеров. Они соединяют фотосферные магнитные поля разного знака: флоккулы активных областей, соседние по гелиодолготе или по гелиошироте активные области и ячейки фонового магнитного поля. Такая картина наблюдается на диске Солнца в рентгеновском и ультрафиолетовом излучении и на лимбе Солнца при наблюден
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.