научная статья по теме СВОЙСТВА ПОТОКА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ, ПЕРЕСЕКАЮЩИХ ГРАНИЦУ МАГНИТНОЕ ОБЛАКО–СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР Физика

Текст научной статьи на тему «СВОЙСТВА ПОТОКА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ, ПЕРЕСЕКАЮЩИХ ГРАНИЦУ МАГНИТНОЕ ОБЛАКО–СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 694-696

УДК 524.1

СВОЙСТВА ПОТОКА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ,

ПЕРЕСЕКАЮЩИХ ГРАНИЦУ МАГНИТНОЕ ОБЛАКО-СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР © 2015 г. И. С. Петухов, С. И. Петухов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и аэрономии имени Ю.Г. Шафера Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск

E-mail: i_van@ikfia.sbras.ru

Разработан кинетический метод расчета распространения космических лучей в магнитном облаке. Определено пространственное распределение космических лучей, а также время пребывания частиц различных энергий внутри магнитного облака. Показано, что понижение интенсивности космических лучей в магнитном облаке определяется, главным образом, геометрией и величиной магнитного поля.

DOI: 10.7868/S0367676515050373

ВВЕДЕНИЕ

Корональные выбросы вещества (КВМ) — это наиболее мощные крупномасштабные возмущения солнечного ветра в межпланетном пространстве. Магнитное облако (МО), являющееся частью КВМ, оказывает значительное воздействие на состояние магнитосферы и интенсивность галактических космических лучей (КЛ) — форбуш-пони-жение интенсивности космических лучей (ФП). Причина сильного воздействия МО — характерная структура магнитного поля МО (МБЯ-структура).

Кейн и др. [1] и Мунаката и др. [2] предложили модели ФП в МО на основе решения уравнения переноса частиц в диффузионном приближении. При этом в [1] МО представлено в виде цилиндра с постоянным радиусом, движущимся в межпланетном пространстве, а в [2] учитывается расширение цилиндра. В [3] показано, что модель ФП, в которой МО имеет форму расширяющегося цилиндра, удовлетворительно воспроизводит измерения интенсивности КЛ в ряде событий. Крымский и др. [4] провели расчет ФП на основе модели поршневой ударной волны, возникающей в результате резкого скачка скорости солнечного ветра. В данной модели получены ФП с жестким спектром, наблюдающимся в периоды минимума солнечной активности.

В представленной работе в кинетическом подходе исследуется поведение КЛ в МО под действием регулярного электромагнитного поля.

МОДЕЛЬ МАГНИТНОГО ОБЛАКА

В конкретном расчете, результаты которого приведены в данной работе, принято, что в начальный момент времени магнитное облако имеет

форму сегмента тора с полной угловой шириной 90°. Ось тора лежит в плоскости солнечного экватора и на расстоянии 0.5re, где re - астрономическая единица. Радиус поперечного сечения 0.15re. МО находится в веществе выброса солнечной плазмы, движущегося радиально относительно гелиоцентрической системы координат, скорость вещества выброса меняется на диаметре поперечного сечения сегмента тора линейно с расстоянием от 600 до 400 км • с-1. Последующее расширение выброса происходит инерциально. Полагаем, что МО окружено солнечным ветром, движущимся радиально со скоростью 400 км • с-1 и пар-керовским магнитным полем. Взаимодействие вещества выброса с солнечным ветром не учитывается.

Полагаем, что в начальный момент времени магнитное поле МО имеет MRF-структуру (magnetic field rope) и описывается решением, полученным в [5]. Последующее движение МО описывается на основе кинематической модели [6]. Магнитное поле определяется условием вмороженности. Электрическое поле определяется из условия идеальной проводимости. Принято, что в начальный момент времени значение магнитного поля на оси тора 20 нТл.

Длина свободного пробега вдоль магнитного поля в МО для КЛ с энергией 10-50 ГэВ составляет 1-2re [2]. Такое расстояние релятивистская частица проходит за время T = (5-10) • 102 с. Значения гиропериода КЛ в МО Tci = 2nmc/eB — 3 с. Распространение частиц в течение промежутка времени, удовлетворяющего условию kTci < T, определяется, главным образом, регулярным электромагнитным полем. Здесь k численный множитель. Ниже будет показано, что время пребывания

свойства потока космических лучей

695

N, отн. ед. 1.2

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

-6 -24

12 -6 Время, ч

Рис. 1. Относительное количество траекторий частиц с энергиями 5-50 ГэВ и 4-х положений МО в межпланетном пространстве. На панели а - представлено количество траекторий частиц, вышедших из МО; б - количество траекторий частиц, оставшихся в МО; в - количество траекторий, пришедших к торцам МО. Количество траекторий частиц с энергиями 5 ГэВ изображено сплошной линией и символом круг; 10 ГэВ - штриховая линия и символ квадрат; 30 ГэВ - пунктирная линия и символ ромб; 50 ГэВ - штрихпунктирная линия и символ треугольник.

в

в МО основной массы КЛ удовлетворяет этому условию.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА И ОБСУЖДЕНИЕ

Поведение частиц внутри МО исследуем на основе метода траекторий частиц. Распределение частиц в некоторый момент времени, условно принятый в качестве начального, представим в виде набора источников частиц. Рассмотрим источники, расположенные в сечении МО, равноудаленном от его торцов. Координаты источников задаются радиусом и углом. Начало радиуса совпадает с лагранжевой координатой центра сечения в начальном положении МО. Его конец располагается на расстоянии 0.5г£ от поверхности, где ть — ларморовский радиус. Выбор радиуса источника означает, что рассматриваются частицы отошедшие от границы на расстояние большее 0.5г£. Угол отсчитывается от направления на Землю. В представленных расчетах углы заданы равномерно через 6 градусов. Для задания начальных значений компонент импульса в каждом источнике полный телесный угол (4я) делим на равные элементы (в расчете использовано 317 элементов).

Траектории частиц рассчитываются численным методом Рунге—Кутта 4-го порядка точности. Расчет каждой траектории проводится в течение выбранного интервала времени. На каждом временном шаге расчета проверяется выход траектории из МО через боковую поверхность и торцы. В результате расчета определяется общее количество оставшихся, вышедших и пришедших к торцам МО траекторий. На рис. 1 приведены результаты расчета траекторий в течение 1-го гиро-

периода для частиц с энергиями 5-50 ГэВ и 4 положений МО в межпланетном пространстве. Отрицательные значения на шкале абцисс обозначают время до прихода передней стороны МО на орбиту Земли. На рис. 1а представлено относительное количество траекторий частиц, вышедших из тора; 1б - оставшихся в МО; 1в - пришедших к торцам МО. Как видно из рисунка, существенная доля траекторий выходит из МО за время одного периода: для частиц с энергией 50 ГэВ - ~90%; 30 ГэВ - ~70%; 5-10 ГэВ - ~55%. При перемещении МО в межпланетном пространстве соотношение между траекториями разных типов вследствие изменения магнитных полей МО и окружающего пространства меняется незначительно.

Приведенные результаты получены для источников частиц, расположенных в сечении МО, равноудаленном от его торцов. Можно полагать, что полученные соотношения между типами траекторий в общем сохраняются для источников в других сечениях, поскольку приближение источников к одному торцу будет компенсироваться соответствующим удалением от другого, за исключением сечений, близко расположенных к торцам МО, где количество траекторий приходящих к торцам составляет 50%. В данной работе мы ограничиваемся констатацией факта прихода КЛ к торцам МО. Реальные МО связаны с Солнцем посредством магнитных силовых линий, и влияние этой части МО на последующее поведение КЛ требует отдельного изучения.

На рис. 2 приведена плотность относительного количества траекторий частиц с энергиями 5100 ГэВ вышедших из МО, в зависимости от времени. Эти результаты позволяют определить время нахождения частиц внутри тора. Момент вре-

696

И. С. ПЕТУХОВ, С. И. ПЕТУХОВ

dN/dt, % 10

0.01

10 15 20 25 30 Время, ларморовский период

Рис. 2. Плотность относительного количества траекторий частиц с энергиями 5—100 ГэВ, вышедших из МО, в зависимости от времени. 5 ГэВ — толстая сплошная линия; 10 ГэВ — тонкая сплошная линия; 20 ГэВ — толстая пунктирная линия; 30 ГэВ — толстая штрихпунктирная линия; 50 ГэВ — тонкая штриховая линия; 100 ГэВ — тонкая пунктирная линия.

мени, к которому 99% траекторий выйдут из тора (г*), зависит от энергии частиц: для частиц с е = = 100 ГэВ, г* = 0.5 Ты; е = 50 ГэВ, г* = 3 Та; е = 30 ГэВ, г* = 7 Тс!; е = 20 ГэВ, г* = 10 Тс. Для частиц с энергиями 5—10 ГэВ к моменту времени 30 Ты выходит 90% траекторий. Результат о быстром выходе КЛ из МО и соответственно о квазистационарном состоянии частиц внутри тора согласуется с аналогичным выводом, полученным в модельном расчете уравнения переноса частиц в диффузионном приближении [2].

Интересно определить пространственное распределение частиц внутри МО. С этой целью мы рассчитали траектории частиц для всех источников в промежутке времени 5 Ты и спроектировали их на плоскость поперечного сечения МО. Степень заполненности сечения траекториями пропорциональна пространственному распределению частиц. Результаты расчета показывают, что частицы с энергией 10 ГэВ заполняют сечение,

ограниченное по радиусу интервалом ~ (2/3, 1) rT; s = 30 ГэВ ~ (1/3, 1) rT, где rT — радиус поперечного сечения МО. Частицы с энергиями 50—100 ГэВ заполняют всю площадь сечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. КЛ с энергией 20—100 ГэВ, поступающие в МО из окружающего пространства, быстро покидают его. Это означает, что распределение интенсивности КЛ в движущемся и расширяющемся МО квазистационарное.

2. Величина понижения и пространственная зависимость интенсивности КЛ разных энергий зависят главным образом от геометрии и величины магнитного поля в МО. Характеристики интенсивности КЛ в МО по измерениям наземных детекторов определяются коэффициентами связи, показывающими вклад КЛ разных энергий в регистрируемую интенсивность.

3. Заметная доля КЛ приходит к торцам МО. Возможно, торцы выполняют роль эффективного рассеивателя частиц, оказывая влияние на пространственное распределение КЛ.

Работа поддержана грантом РФФИ № 12-02-98507-р_восток_а, и гранта Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ НШ-3269.2014.2.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cane H.V., Richardson I.G., Wibberenz G. // Proc. 24th Int. Cosmic Ray Conf. 1995. V. 4. P. 377.

2. Munakata K., Yasue S., Kato C, Kota J., Tokum

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