ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 6, с. 822-824
УДК 523.14
ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ, НАБЛЮДАЕМЫХ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2011 г. С. В. Колдашов, А. В. Сидоров, Н. Д. Шаронова
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: SVKoldashov@mephi.ru
В работе выполнено численное моделирование процессов проникновения солнечных космических лучей (СКЛ) из межпланетного пространства в магнитосферу Земли. Показано, что при анизотропном угловом распределении СКЛ в межпланетном пространстве происходит изменение наблюдаемого в магнитосфере энергетического спектра СКЛ.
ВВЕДЕНИЕ
СКЛ формируются в процессах ускорения частиц на Солнце при пересоединении силовых магнитных линий во время солнечных вспышек и на ударных волнах при распространении корональных выбросов массы (СМЕ) в межпланетном пространстве [1]. Прямые измерения СКЛ сегодня в основном проводятся в окрестности Земли. Распространяясь от Солнца в межпланетной среде, СКЛ достигают магнитосферы Земли и проникают в нее, где регистрируются в спутниковых экспериментах [2— 5] и в измерениях на наземных установках (нейтронные мониторы, мюонные годоскопы [6]).
На всех этапах переноса СКЛ от области ускорения до места их наблюдения (солнечная корона, межпланетное пространство, магнитосфера Земли) может происходить изменение (трансформация) первичного энергетического спектра ускоренных частиц из-за их взаимодействия со средой, содержащей магнитные поля. В данной работе выполнен анализ возможных причин появления искажения энергетических спектров СКЛ во время их проникновения из межпланетного пространства в магнитосферу Земли.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ
Известно, что СКЛ в межпланетном пространстве могут, в принципе, иметь как изотропное угловое распределение, так и анизотропное [7].
При изотропном распределении частиц в межпланетном пространстве энергетические спектры СКЛ в магнитосфере Земли и в межпланетном пространстве полностью совпадают при энергии выше энергии геомагнитного обрезания. Далее будут рассматриваться анизотропные питч-угловые распределения СКЛ в межпланетном магнитном поле (ММП) и вопросы трансформации энергетического спектра СКЛ, измеряемого в магнитосфере Земли.
Для анализа условий проникновения СКЛ в магнитосферу из межпланетного пространства в данной работе использованы методы, основанные на численном моделировании траекторий заряженных частиц в межпланетном и геомагнитном полях [8, 9]. Расчеты проведены в географической системе координат (GEO): ось Хпроходит через Гринвичский меридиан в плоскости экватора и вращается с Землей, ось Z совпадает с осью вращения Земли, ось Y дополняет систему координат до правой [10].
Геомагнитное поле задавалось суммой полей внутренних источников в рамках стандартной модели IGRF, учитывающей вклад недипольных гармоник, и поля внешних источников (модель Цыганен-ко T96 [11]). Модель Цыганенко описывает такие морфологические особенности магнитосферы, как магнитопауза, хвост, полярные каспы и др., при этом конфигурация внешней части магнитосферы определяется скоростью и плотностью солнечного ветра, By- и ^-компонентами межпланетного магнитного поля, Dst-индексом геомагнитной активности. Моделируется движение частиц из внутренних зон магнитосферы (непосредственно от точки наблюдения, например местоположение КА) в области на границе магнитопаузы путем интегрирования уравнений движения заряженной частицы в геомагнитном поле. На границе магнитопаузы вектор скорости частицы пересчитывается в координатах геоцентрической солнечно-магнитосферной системы (GSM). В системе GSM ось X направлена на Солнце, ось Z параллельна земному магнитному диполю и направлена к северному магнитному полюсу, ось Yперпендикулярна земному магнитному диполю, его ось находится в плоскости X—Z [10]. В окрестности Земли за магнитопаузой ММП рассчитывалось в рамках модели Паркера [12], при этом можно было задавать различную скорость солнечного ветра, и, таким образом, определять питч-угол частицы в ММП.
ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
823
а,град
80 60
40
20
1426 1428
1430 1432 t, мин
Рис. 1. Изменение питч-углов протонов в ММП с энергиями 0.1 (кривая 1) и 1 ГэВ (кривая 2), регистрируемых вдоль орбиты КА (а — питч-угол частицы, Г — время, отсчитываемое от начала суток).
I, отн. ед.
.ММП
10
10 -2-!
10 -4-! ■
10
1
10 -8-!
10- 10]
10- п-
тттг
10-
I I I 111-
100
101
Е, ГэВ
Рис. 2. Дифференциальные энергетические спектры протонов в межпланетном пространстве и магнитосфере Земли, наблюдаемые на широте 70°, долготе 0° и в местное время 15 ч 30 мин (I — интенсивность протонов, Е — энергия протонов, числа возле кривых соответствуют различным Дф.
35°
23°
Ниже представлены результаты расчетов, относящиеся к протонам СКЛ, регистрируемым в магнитосфере Земли из направления в зенит. Были определены зависимости, связывающие питч-угол частицы в ММП (а) и ее энергию (Е), измеряемую в магнитосфере Земли в различных ее зонах. То обстоятельство, что разным энергиям частиц, регистрируемым внутри магнитосферы из одного направления, соответствуют разные питч-углы в ММП, является главной причиной трансформации энергетического спектра частиц при их переносе из межпланетного пространства в магнитосферу в случае анизотропного распределения частиц в ММП.
Описанная методика подходит для анализа условий наблюдения энергетических спектров частиц в спутниковых экспериментах. В этом случае анализируется спектр частиц, накопленный на определенном участке орбиты КА с учетом его движения вдоль орбиты.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
2.1. Физические факторы, влияющие на трансформацию энергетических спектров СКЛ
Для оценки влияния физических факторов на трансформацию энергетических спектров СКЛ при их проникновении из межпланетного пространства в магнитосферу были изучены различные зависимости, связывающие питч-угол частиц в ММП, энергию частиц, координаты и местное время зоны наблюдения СКЛ в магнитосфере Земли.
Результаты расчетов показывают резкую зависимость питч-углов частиц в ММП от условий наблюдения СКЛ в различных областях внутри магнитосферы Земли. Это особенно актуально для измерений СКЛ в спутниковых экспериментах, поскольку и местное время, и географические координаты точки регистрации СКЛ быстро изменяются при движении КА вдоль орбиты. В качестве примера на рис. 1 показан
один из результатов расчетов (пересечение высокоширотной зоны (60°—70°) для орбиты КА с наклонением 70° и высотой 500 км).
2.2. Энергетические спектры СКЛ, наблюдаемые в магнитосфере
С помощью метода, описанного выше, для разных степеней анизотропии углового распределения частиц в межпланетном пространстве были рассчитаны энергетические спектры СКЛ в магнитосфере Земли, наблюдаемые в различных условиях (координаты и местное время зоны). Энергетический спектр протонов в межпланетном пространстве принимался одностепенным с показателем равным —3.0. Питч-угловое распределение СКЛ в ММП моделировалось с помощью распределения Гаусса с максимумом при а = 0°. Степень анизотропии распределения частиц задавалась полушириной распределения на полувысоте (Дф). На рис. 2 приведены энергетические спектры протонов в межпланетном пространстве в окрестности Земли и внутри магнитосферы.
Максимум в энергетическом спектре частиц Ет (в данном случае при энергии примерно 200 МэВ) в магнитосфере Земли соответствует питч-углам частиц в ММП, близким к 0°. При увеличении или уменьшении энергии частиц относительно Ет происходит увеличение питч-углов частиц в ММП и, следовательно, уменьшение интенсивности частиц в спектре, наблюдаемом в магнитосфере Земли.
При этом, как видно из графиков, представленных на рис. 2, при уширении питч-углового распределения частиц в ММП энергетические спектры в магнитосфере стремятся к исходному спектру частиц в ММП. И при изотропном распределении частиц в ММП энергетические спектры в магнитосфере Земли и в межпланетном пространстве совпадают.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 75 № 6 2011
824
КОЛДАШОВ и др.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе изучено изменение энергетического спектра СКЛ при их проникновении из межпланетного пространства в магнитосферу Земли. Показано, что при любом анизотропном питч-угловом распределении СКЛ в ММП происходит трансформация измеряемого в магнитосфере энергетического спектра СКЛ, причем величина изменения формы спектра и энергетический интервал, в котором спектр подвергается искажению, зависят от вида питч-углового распределения СКЛ в межпланетном магнитном поле, свойств межпланетной среды вблизи Земли, характеристик области, где регистрируются СКЛ (широта, долгота, местное время и др.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Reames V.D. // Particle acceleration at the Sun and in the heliosphere. NASA. Goddard Space Flight Center. 1999.
2. Александрин С.Ю., Бакалдин А.В., Батищев А.Г. и др. //Изв. РАН. Сер. физ. 2009. Т. 73. № 3. С. 379.
3. Grishantseva L.A., Bzheumikhova M.A., Galper A.M. etal. // Proc. 31st ICRC. Lodz. 2009. № 346.
4. De Simone N., Adriani O., Barbarino G.C. et al. // Ibid. № 794.
5. Klein K.-L., Trottet G., Vilmer N. // Ibid. № 634.
6. Yakovleva E., Dmitrieva A., Shutenko V. et al. // Ibid. № 894.
7. Топтыгин И.Н. Космические лучи в межпланетных магнитных полях. М.: Наука, 1983. 200 с.
8. Дорман Л.И. и др. Космические лучи в магнитном поле Земли. М.: Наука, 1971. 399 с.
9. Колдашов С.В, Шилов В.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2005. Т. 69. № 6. С. 865.
10. http://www.spenvis.oma.be
11. Tsyganenko NA., Papitashvili N.E. // External (T96) and Internal Geomagnetic Field Model Parameters. NSSD Model http://nssdc.gsfs.nasa.gov/spase/cgm/t96.html
12. Паркер Е.Н. Динамические процессы в межпланетной среде. М.: Мир, 1965. 105 с.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 75 № 6 2011
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.