УДК 537.591.5
СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ: 70 ЛЕТ НАЗЕМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2013 г. Л. И. Мирошниченко1, 2, Э. В. Вашенюк3, Х. А. Перес-Пераса4
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова (ИЗМИРАН), г. Троицк, г. Москва 2НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва 3Полярный Геофизический институт, г. Апатиты, Мурманская обл.
4Instituto de Geofísica, Universidad Nacional Autónoma de México, C.U., Coyoacán, 04510, México
e-mail: leonty@izmiran.ru Поступила в редакцию 07.03.2012 г.
После доработки 05.03.2013 г.
Суммированы основные данные и обобщены результаты, полученные по данным мировой сети станций за весь период наземных наблюдений солнечных космических лучей (СКЛ), начиная с момента их открытия 28 февраля 1942 г. Описаны методы и аппаратура для регистрации СКЛ, обсуждены физические, методические и прикладные аспекты, связанные с генерацией СКЛ, их взаимодействие с атмосферой Солнца, перенос в межпланетном магнитном поле, движение в магнитосфере Земли и воздействие на земную атмосферу. Показано, что в этой области космофизики за 70 лет исследований получены результаты, имеющие фундаментальное значение. Особое внимание уделено современным моделям и концепциям GLE (Ground Level Enhancement). Намечены наиболее перспективные направления развития и применения этого эффективного метода солнечно-земной физики.
DOI: 10.7868/S001679401305012X
1. ВВЕДЕНИЕ
Ускоренные солнечные частицы, с исторически возникшим и давно устоявшимся названием
"солнечные космические лучи" (CKH), изучаются различными методами уже ~70 лет. За это время был опубликован ряд обстоятельных обзоров и монографий: [Elliot, 1952; Dorman, 1958; Carmichael,
1962; Дорман и Мирошниченко, 1968; Sakura, 1974; Pomerantz and Duggal, 1974; Duggal, 1979; Dorman and Venkatesan, 1993; Reames, 1999; Ryan et al., 2000; Miroshnichenko, 2001; Miroshnichenko and Perez-Per-aza, 2008]. В рамках более общей проблемы вариаций космических лучей (KH) проблему CKH детально рассматривал Дорман [1957, 1963]. Впоследствии различные методические, экспериментальные и общефизические аспекты изучения CKH, особенности их взаимодействия с атмосферой ^лнца, геофизические эффекты CKH, их возможный вклад в проблему солнечно-земных связей, а также некоторые прикладные аспекты в их современном понимании были описаны в монографиях [Miroshnichenko, 2001, 2003; Мирошниченко, 2011]. На рубеже 1990-ых годов [Simpson, 1990; Cliver, 2009] за наземными возрастаниями CKH закрепилось международное название GLE (Ground Level Enhancement или Ground Level Event). ^всем недавно в специальном выпуске журнала Space Sci-
ence Reviews (V. 171, 2012) была опубликована подборка из 7-ми статей зарубежных авторов по различным аспектам исследования GLE. Такой интерес к проблеме, несомненно, отражает ее фундаментальный характер.
Вместе с тем, последний обзор по СКЛ на русском языке был опубликован более 20-ти лет назад [Мирошниченко, 1992]. Поэтому предлагаемый новый обзор и цитируемая литература рассчитаны, прежде всего, на русскоязычного читателя. Сначала мы описываем поучительную историю проблемы (Раздел 2), аппаратуру для регистрации и основные результаты наземных наблюдений СКЛ за 70 лет (Раздел 3). В Разделе 4 кратко описана современная методика анализа GLE, сделана попытка обосновать новую концепцию этого явления. Далее обсуждаются фундаментальные физические аспекты — максимальная энергия СКЛ (Раздел 5); их связь с СМЕ (корональными выбросами вещества), частота регистрации GLE (Раздел 6); приводятся некоторые результаты по геофизическим эффектам СКЛ, отмечается возможность использования наземных данных для прогноза радиационной опасности в космосе (Раздел 7). В Разделе 8 рассматриваются перспективы изучения СКЛ/GLE.
2. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ПРОБЛЕМЫ
В истории науки не так уж часто бывают случаи, когда рождению нового направления можно сопоставить конкретную дату. Но именно такой случай имел место для СКЛ: 28 февраля 1942 г. наземными детекторами был впервые зарегистрирован приход к Земле ускоренных протонов от Солнца. 7 марта 1942 г. было зарегистрировано новое аналогичное событие [Lange and Forbush, 1942]. Так состоялось одно из крупнейших астрофизических открытий ХХ века: оказалось, что в космических условиях заряженные частицы могут ускоряться до высоких энергий. Правда, осознание этого фундаментального факта и его тесной связи с солнечными вспышками пришло не сразу. Лишь после регистрации третьего подобного события 25 июля 1946 г. автор открытия [Forbush, 1946] осторожно написал, что эти наблюдения "...позволяют сделать довольно неожиданный вывод, что все три необычных возрастания интенсивности КЛ можно объяснить потоками заряженных частиц, испущенных Солнцем". После четвертого наземного возрастания СКЛ 19 ноября 1949 г. [Adams, 1950; Forbush et al., 1950; Кра-сильников и др., 1955] связь наблюдаемых релятивистских частиц со вспышками на Солнце стала неоспоримым фактом, положившим начало новой респектабельной научной концепции.
С февраля 1942 г. по декабрь 2006 г. было зарегистрировано 70 GLE [Miroshnichenko and Perez-Peraza, 2008]. Для удобства исследователей все события, начиная с 28 февраля 1942 г. (GLE01), получили порядковые номера. Последнее событие 23-го цикла солнечной активности (СА) наблюдалось 13 декабря 2006 г. (GLE70). Протонная активность Солнца в 24-ом цикле (начало — январь 2009 г.) возобновилась не сразу: первое GLE нового цикла произошло лишь 17 мая 2012 г. (GLE71). Эта пауза, по-видимому, не только отражает особые свойства 23-го цикла СА (в частности, его сильно растянутый период минимума), но и говорит о необычном характере 24-го цикла, который является, скорее всего, переломным в ходе активности Солнца за последние 150—200 лет.
В том же 1942 г. (26—28 февраля) британские радарные станции впервые зарегистрировали интенсивные радиошумы в диапазоне метровых волн (4—6 м) из направления на Солнце [Chupp, 1996]. Как выяснилось позже, это излучение, обусловленное ускоренными электронами, было связано с прохождением через центральный меридиан Солнца (ЦМС) активной области (АО). По-видимому, именно в ней 28 февраля 1942 г. произошла мощная вспышка балла 3+ с координатами 07° N, 04° E [Pomerantz and Duggal, 1974; Duggal, 1979]. Таким образом, в феврале 1942 г., кроме открытия СКЛ, состоялось другое важное событие в истории изучения Солнца — родилась
солнечная радиоастрономия, о чем стало известно только в 1946 г. [Hey, 1946].
В 1940-ых годах наблюдения и данные о проявлениях СА (например, в виде помех для радиотехнических средств обнаружения и слежения) были скрыты плотной завесой секретности между противоборствующими сторонами во второй мировой войне [Smart and Shea, 1989]. Более того, изучение КЛ в те годы относилось исключительно к ядерной физике, а результаты были также частично (США) или полностью (Германия, СССР) засекречены в связи с разработкой ядерного оружия [Кривоносов, 2000; Губарев, 2004]. Отметим, что между 1941 и 1943 гг. различными группами в Европе и Америке наблюдались и другие возрастания интенсивности КЛ, напоминавшие эффекты от солнечных вспышек [Chupp, 1996]. Но лишь после наземных событий 1946 и 1949 гг. гипотеза о солнечном происхождении подобных эффектов стала признанной научной истиной. Это стало первым существенным результатом в данной области — было открыто ускорение протонов в космических условиях (в атмосферах звезд), еще до того, как в 1953 г. в Крабовидной туманности открыли синхротронное (магнитотормозное) радиоизлучение, которое свидетельствовало об аналогичных процессах ускорения электронов в Галактике (например, при вспышках Сверхновых звезд). Важно подчеркнуть, что изучение СКЛ началось именно с анализа данных наземных наблюдений, спустя почти 30 лет после исторического открытия В. Гессом галактических космических лучей (ГКЛ) в августе 1912 г.
3. МИРОВАЯ СЕТЬ СТАНЦИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Наземные наблюдения вторичных компонент (в основном мюонов и нейтронов) до сих пор остаются самым надежным источником данных о первичных релятивистских СКЛ. Исторически первыми детекторами для регистрации GLE были ионизационные камеры (ИК) и мюонные телескопы (МТ), а с середины 1950-ых годов — нейтронные мониторы (НМ). При регистрации СКЛ эти стандартные детекторы на уровне моря имеют эффективные энергии ~25—35; 15—20 и 4—6 ГэВ соответственно [Miroshnichenko, 2001]. Нейтронные детекторы для регистрации GLE были впервые использованы во время события 19 ноября 1949 г. [Adams, 1950]. Одной из важных характеристик станции КЛ является жесткость геомагнитного обрезания частиц Rc при их движении в магнитосфере Земли.
3.1. Мировая сеть станций
Мировая сеть НМ была создана более 50-ти лет назад на основе НМ типа МГГ. Системы сбора
и анализа данных постоянно совершенствовались, и в начале 1960-ых годов была создана новая его модификация — нейтронный супермонитор СНМ-64 [Carmichael, 1968]. Статистическая точность такого прибора за один час регистрации составляет 0.246% на широте Апатит (67.57° N, 33.4° E, 181 м над у.м., Rc = 0.65 ГВ) в минимуме солнечной активности, когда интенсивность ГКЛ максимальна. Для ст. Апатиты это примерно втрое выше, чем точность регистрации НМ типа МГГ (0.81%). Для Москвы (55.47° N, 37.32° E, 200 м над у.м., Rc = 2.44 ГВ) эта величина составляет ~0.18%, а на широте Мехико (2274 м над у.м., 99.2° 19.33 ° N, R = 8.2 ГВ) она близка к 0.36%. Точность регистрации зависит от высоты станции над уровнем моря, ее широты (точнее — от Rc), а также от числа счетчиков СНМ-64 в детекторе, которое не всегда стандартно. Высокая точность позволяет измерять "тонкую структуру" временных профилей потоков СКЛ (с разрешением до 1 мин и даже до 10 с), а затем строить более точные модели их ускорения, испускания и распространения.
В настоящее время мировая сеть для непрерывной регистрации КЛ насчитывает ~50 станций, оборудованных в основном супермониторами СНМ-64; их данные образуют международную базу MNDB. Существуют наземные МТ различной конструкции, которые позволяют регистрировать С
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.