ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 7, с. 965-967
УДК 523.165
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СКЛ В ПЕТЛЕОБРАЗНЫХ СТРУКТУРАХ ММП
© 2007 г. Э. В. Вашенюк, Ю. В. Балабин, А. А. Лшбчич
Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: vashenyuk@pgi.kolasc.net.ru
На основе модельных расчетов рассматриваются особенности распространения СКЛ релятивистских энергий в образованиях типа магнитных облаков, которые имеют структуру магнитных жгутов и вытягиваются от Солнца до Земли корональными выбросами вещества. Обсуждаются особенности распространения частиц разных энергий в магнитном облаке. Проводится анализ распространения высокоэнергичных солнечных протонов в петлеобразной структуре ММП в событии 28.10.2003 г.
ВВЕДЕНИЕ
Структура магнитного поля в виде петель различного масштаба доминирует в солнечной короне, а также в межпланетной среде после прохождения корональных выбросов вещества (КВВ). КВВ могут вытягивать петли магнитного поля из солнечной короны за орбиту Земли. Поскольку большинство событий СКЛ происходит на фоне межпланетных возмущений от предыдущих вспышек, распространение частиц от Солнца до Земли происходит в структурах ММП, существенно отличающихся от классической паркеровской модели. В работе проведено моделирование межпланетного распространения высокоэнергичных солнечных протонов (энергии от 0.1 до 10 ГэВ) в структуре поля в виде бессилового магнитного жгута, которым аппроксимируется магнитное поле внутри КВВ (рис. 1). Проводится анализ распространения высокоэнергичных солнечных протонов в петлеобразной структуре ММП, наблюдавшейся во время события 28.10.2003 г.
СТРУКТУРА ММП В ОБЛАСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СКЛ
Основная структура ММП - это силовые линии, вытянутые под действием радиальных потоков солнечного ветра и вращения Солнца в так называемую архимедову или паркеровскую спираль. Магнитные облака - другая структура, встречающаяся реже, но играющая важную роль в солнечно-земных явлениях (рис. 1) [1]. Эти образования связаны с КВВ и представляют собой в крупном масштабе скрученные петлеобразные магнитные трубки или структуры типа магнитного жгута [1-3].
Распространение СКЛ в классической структуре ММП в виде паркеровской спирали достаточно хорошо изучено. Основные процессы, воздействующие на частицу, - это рассеяние на магнитных неоднородностях и конкурирующий процесс фоку-
сировки пучка частиц в расходящейся при удалении от Солнца структуре поля. Распространение в паркеровском магнитном поле поддается количественному описанию [4].
Вместе с тем известно, что большинство событий СКЛ происходит на фоне межпланетных возмущений от предыдущих вспышек, поэтому распространение энергичных частиц от Солнца до Земли часто происходит в структурах ММП типа магнитных облаков (МО). МО в разрезе представляет собой магнитный жгут или скрученную силовую трубку [1-3] (рис. 1). Локальную структуру магнитного поля в такой трубке описывают бессиловым магнитным полем с цилиндрической симметрией, удовлетворяющим условию [1, 2]
гогВ = аВ (1)
ВА = Во J0 (а Я); ВТ = В0И^ (аЯ); Вк = 0, (2)
где Я - расстояние от оси цилиндра, ВА, ВТ, ВЯ - осевая, тангенциальная и радиальная компоненты поля. ^ и - функции Бесселя нулевого и первого порядка, Н = ±1 определяет направление закручивания спирали. Таким образом, силовые линии магнитного поля в жгуте представляют собой спирали, шаг которых уменьшается при удалении от оси магнитного облака. На границе облака поле
Рис. 1. Структура межпланетного магнитного облака [1].
966
ВАШЕНЮК и др.
а
.2 • 1011
30 нТл
Солнце Вспышка^
\.В = 200 нТл
1 ГВ Ч С
В = 30 нТл
10 ГВ
Рис. 2. Крупномасштабные структуры ММП и распространение в них релятивистских солнечных протонов (РСП), С - Солнце, 3 - Земля: а - распространение РСП в структуре ММП типа паркеровской спирали, показаны расчетные траектории протонов с Я = 1, 10 и 100 ГВ; б - структура ММП в модели магнитного жгута (спрямленного); напряженность магнитного поля на орбите Земли 30 нТл, а на расстоянии 18 Яс - 200 нТл; показаны силовые линии магнитного поля внутри жгута и расчетные траектории протонов с Я = 1 и 10 ГВ.
становится чисто тангенциальным, а на его оси -аксиальным. В модели реального магнитного облака [2] его радиус увеличивается с удалением от Солнца и угол расхождения силовых линий в пространстве от 18 ЯС до Земли принят равным 18°. Условие div В = 0 в такой конфигурации выполняется с приемлемой точностью. На рис. 2а показана модель спрямленного магнитного жгута в пределах от 18 ЯС до орбиты Земли.
ДВИЖЕНИЕ СКЛ В КРУПНОМАСШТАБНЫХ СТРУКТУРАХ ММП
Как показывают расчеты, релятивистские солнечные протоны (РСП) с жесткостями от 1 до 10 ГВ движутся строго вдоль силовых линий ММП в форме паркеровской спирали вплоть до орбиты Земли, где напряженность поля составляла 10 нТл. При жесткостях выше 10 ГВ на расстоянии земной орбиты уже начинают сказываться эффекты дрейфа. При жесткости, равной 100 ГВ, частица
РСП
R = 3 • 106 км-^
В = 10 нТл
Земля
Но М
МкМ
В = 20 нТ
Рис. 3. Структура ММП 28.10.2003 г., восстановленная по данным анизотропии релятивистских солнечных протонов (РСП): а - крупномасштабная петлеобразная структура, образованная корональным выбросом от вспышки 26.10.2003 г.; стрелками показано направление прихода к Земле РСП от вспышки и электронов (е-) от источника в западной части солнечного диска; ВП -высокоскоростной поток солнечного ветра, в который Земля вошла непосредственно перед началом события; б - структура ММП в непосредственной близости от Земли в начале события 28.10.2003 г.; стрелками показаны направления прихода от Солнца электронов (е-), РСП, а также направления, из которых принимали радиацию станции Норильск (Но) и Мак-Мердо (МкМ).
сходит с силовой линии ММП примерно на середине расстояния между Солнцем и Землей. На рис. 2а показана магнитная структура магнитного облака в форме спрямленного магнитного жгута. Следует отметить, что в литературе до сих пор обсуждается только локальная структура магнитного облака с цилиндрической симметрией, наблюдаемая при пересечении магнитного облака (МО) космическими аппаратами [1-3]. В нашей модели на рис. 2а показана близкая к реальности картина, учитывающая уменьшение величины поля и возрастания радиуса жгута при удалении от Солнца. Указана напряженность поля на оси жгута (30 нТл на орбите Земли и 200 нТл на расстоянии 18 Яс от Солнца) [2]. На рис. 2а показаны также расчетные траектории протонов с жесткостью 1 и 10 ГВ, инжектиро-
а
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 7 2007
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СКЛ В ПЕТЛЕОБРАЗНЫХ СТРУКТУРАХ ММП
967
ванных в основание жгута (18 Яс) на расстоянии 0.5 радиуса от его оси. На рис. 26 в увеличенном масштабе показан средний участок жгута и траектории частиц в нем. Протон с Я = 1 ГВ движется в основном вдоль силовой линии, на которую он был выпущен. Наблюдается только небольшой снос траектории с этой силовой линии вследствие дрейфа. Для протона с Я = 10 ГВ этот снос значительно больше. Кроме того, траектория испытывает небольшие изломы как при мелкомасштабных рассеяниях.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СКЛ В МАГНИТНОМ ЖГУТЕ. СОБЫТИЕ 28.10.2003 г.
В [5, 6] на основании анализа характеристик РСП и данных по солнечному ветру и ММП был построен сценарий события 28.10.2003 г. (рис. 3а). Вспышка на Солнце 28.10.2005 г., произошла около 11 ч ит. В начале суток 28. 10 (00.30 ЦТ) к Земле пришла ударная волна, а вслед за ней - коро-нальный выброс от другой вспышки, которая произошла двумя днями раньше: 26.10 около 10 ч Цт. Незадолго до самой вспышки 28.10 Земля вошла в высокоскоростной поток (ВП) солнечного ветра из корональной дыры в западной части солнечного диска [7]. Таким образом, в начале события 28.10 Земля находилась в пограничной области между корональным выбросом вещества и высокоскоростным потоком. Силовые линии ММП, проходившие около Земли в это время, были частью гигантской петли, имевшей основание на Солнце вблизи активной области AR10486, в которой происходили вспышки в конце октября 2003 г. РСП от вспышки 28.10 пришли к Земле из антисолнечного направления вдоль петли. В то же время низкоэнергичные электроны приходили по классическому пути вдоль силовой линии ММП в форме спирали Архимеда для скорости солнечного ветра 760 км • с-1. Эта силовая линия соединяла Землю с метровым радиоисточником в западной части диска Солнца, который, вероятно, также был источником энергичных электронов в межпланетном пространстве [5, 6]. На рис. 36 показана локальная структура ММП вблизи Земли, восстановленная с помощью данных по скорости солнечного ветра и измерениям вектора В .Частицы быстрой компоненты РСП, имеющие малые питч-углы, рассеивались на изгибе магнитного поля, создавая необычное возрастание на станциях, смотрящих под прямым углом к ММП (Норильск). В то же время частицы медленной компоненты, имеющие в среднем достаточно большие питч-углы, проходили изгиб с небольшим отклонением и ре-
гистрировались станциями, смотревшими вдоль ММП (ст. Мак-Мердо). Данная ситуация была проверена на модели изгиба. Вдоль оси тороидального соленоидального магнитного поля с радиусом кривизны 3 ■ 106 км и напряженностью 10 нТл выпускались частицы с различными жесткостями и питч-углами. Частицы с жесткостью 1 ГВ точно следовали вдоль петли магнитного поля. Протоны с жесткостью 3 ГВ и питч-углом 80° проходили изгиб лишь с малым отклонением вследствие дрейфа. Протоны с той же жесткостью (3 ГВ), но с питч-углами 10° и менее не могли пройти изгиб и выбрасывались наружу аналогично поведению коллимированного пучка частиц быстрой компоненты на рис. 36.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе на основе траекторных расчетов проведено модельное изучение распространения высокоэнергичных солнечных протонов в крупномасштабных структурах ММП. Показано, что распространение релятивистских солнечных протонов (РСП) в ММП в форме классической паркеровской спирали соответствует существующим представлениям. Нарушение этой картины происходит при жесткостях протонов 100 ГэВ и выше. При распространении РСП в межпланетных структурах типа магнитного облака частицы движутся в спиралевидном поле типа маг
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.