КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 6, с. 645-652
УДК 550.385
ВАРИАЦИИ ЖЕСТКОСТНОГО СПЕКТРА И АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПРИ СПОРАДИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯХ В ГЕЛИОСФЕРЕ В ОКТЯБРЕ-НОЯБРЕ 2003 г.
© 2004 г. В. М. Дворников, В. Е. Сдобнов, М. В. Юдина
Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск Поступила в редакцию 05.05.2004 г.
По данным наземных наблюдений интенсивности космических лучей (КЛ) на мировой сети станций методом спектрографической глобальной съемки исследованы вариации анизотропии КЛ в период с 1.Х по 30.XI.2003 г. Показано, что в отдельные моменты исследуемого периода наблюдается двунаправленная анизотропия большой амплитуды (десятки процентов) в угловом распределении частиц, что свидетельствует, во-первых, о выносе петлеобразных структур межпланетного магнитного поля (ММП) корональными выбросами вещества, и, во-вторых, - о высокой степени регулярности ММП в этих структурах. Максимальная амплитуда двунаправленной анизотропии (для частиц с жесткостью 4 ГВ) наблюдалась 29 и 31.Х (~50% и 30%, соответственно), 21-24.Х1 (~15%). По данным наземных и спутниковых измерений интенсивности космических лучей исследованы вариации жесткостного спектра протонов в энергетическом диапазоне от ~15 МэВ до десятков ГэВ за исследуемый период. Анализ производился в рамках модели модуляции космических лучей регулярными электромагнитными полями гелиосферы. Определены параметры модельного жесткостного спектра КЛ за каждый час наблюдений и по их значениям произведена оценка характеристик электромагнитных полей солнечной короны и гелиосферы, ответственных за мощные спорадические явления в конце октября-начале ноября и с 20.XI.2003 г.
ВВЕДЕНИЕ
Основным фактором, определяющим физические условия в межпланетном пространстве, являются электромагнитные поля гелиосферы, от структуры и характера которых зависит пространственное, энергетическое и угловое распределение (анизотропия) космических лучей (КЛ).
Как было показано в большом количестве работ, например, [1-4 и ссылки в них], высокоэнергичные частицы реагируют как на локальные, так и на крупномасштабные структуры солнечного ветра (СВ) и, следовательно, могут быть использованы для зондирования этих структур. Особый интерес для исследований представляют собой структуры межпланетного магнитного поля (ММП), связанные с корональными выбросами вещества (КВВ), являющиеся наиболее геоэффективными образованиями в СВ [5]. КВВ обычно идентифицируются в СВ по различным признакам [5], таким, например, как двунаправленностью потоков низкоэнергичных (~1 МэВ) протонов, медленным поворотом вектора ММП, аномально низкой температурой плазменных протонов, избыточным возрастанием гелия и двунаправленностью потоков высокоэнергичных (>35 кэВ) электронов СВ. Все эти признаки могут быть получены только по наблюдениям на спутниках за пределами магнитосферы Земли.
В работах [1, 6] по данным наземных наблюдений на мировой сети станций методом спектрографической глобальной съемки (СГС) исследовались вариации анизотропии КЛ с учетом второй сферической гармоники с целью изучения двунаправленной анизотропии релятивистских частиц и ее использования в качестве одного из признаков КВВ.
Кроме того, при изучении КВВ необходимы исследования жесткостного спектра КЛ и его вариаций. Для описания модуляционных эффектов космических лучей в гелиосфере, в настоящее время, существует две модели, базирующиеся на взаимоисключающих предположениях. Первая из них [7] основана на предположении о турбулентности межпланетной среды и диффузионнос-ти процесса распространения КЛ в гелиосфере. При этом рассеивающими центрами являются мелкомасштабные магнитные неоднородности, а процесс рассеяния является марковским процессом. Скорость диффузии КЛ внутрь гелиосферы соизмерима со скоростью их "выноса" (конвекции) магнитными неоднородностями, "вмороженными" в плазму солнечного ветра. Вариации интенсивности КЛ обусловлены конкуренцией этих двух процессов. Анизотропия КЛ описывается первой сферической гармоникой с амплитудой <1% [8], а жесткостной спектр определяется спектром мощности случайной компоненты межпланетного магнитного поля [9, 10]. Возрастание ин-
тенсивности КЛ при солнечных вспышках объясняется ускорением частиц в солнечной короне от тепловых энергий до энергий от единиц МэВ до десятков ГэВ, хотя механизм этого ускорения пока не разработан. Понижение интенсивности КЛ при форбуш-эффектах объясняется возмущениями межпланетной среды, но удовлетворительной математической модели данного процесса также пока не разработано.
В основе второй модели [11] заложено предположение о том, что, процесс рассеяния КЛ на магнитных неоднородностях не является марковским процессом, так что при отличной от нуля дисперсии угла рассеяния, его математическое ожидание близко к нулю. В этом случае следует учитывать эффекты, накапливающиеся при многократном вращении частиц по ларморовской окружности, для описания которых целесообразно использовать дрейфовое приближение.
В предлагаемой работе исследованы вариации жесткостного спектра и анизотропии КЛ за период октябрь-ноябрь 2003 г., характеризующийся серией мощных солнечных протонных событий, форбуш-эффектов и интенсивными геомагнитными бурями.
ДАННЫЕ И МЕТОД
При исследовании анизотропии КЛ для анализа использовались данные наземных наблюдений на мировой сети станций нейтронных мониторов (38 станций), усредненные за часовые интервалы и исправленные на барометрический эффект. Амплитуды модуляции отсчитывались от спокойного уровня 12.Х.2003 г.
Анализ выполнен с применением метода СГС [1, 12], позволяющего по данным наземным наблюдений исследовать вариации жесткостного спектра и анизотропии КЛ, а также - изменения планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания (ЖГО) за каждый час наблюдений.
В основу метода СГС заложено предположение о том, что вариации интенсивности КЛ за пределами магнитосферы описываются следующим образом:
5/
( = X a0kR-k +
k = 1
2 2
(1)
+ XX [( CnkRk ) Pn (Ю1 + X ( d ikR-) р1 (V),
: 1 k =1
k = 1
центрической эклиптическои системе координат, а углы у и X определяют направление движения частицы за пределами магнитосферы.
V = cosФ = sinXsin^о+ cosXcos^0cos(У - Фо), (3)
где Ф - угол между V и B х Vn±; Vn± - перпендикулярная вектору ММП составляющая градиента плотности КЛ, а углы и Ф0 - характеризуют ориентацию вектора V х B х Vn±; из условия ортогональности векторов V и B х Vn±, угол определяется выражением
= arctg [-(cos y0cos Ф0 + sin y0sin Ф0 )cos X0 ]. (4)
Жесткостные спектры изотропной составляющей и анизотропии аппроксимировались рядами по обратным степеням жесткости частиц.
При этих предположениях распределение амплитуд вариаций вторичных КЛ по земному шару описывается следующей системой нелинейных алгебраических уравнений:
5I-
С(hl) = -ARCW\Rc, hl)f 1 + 5/(Rc)) +
22
+ J-jX a0kR-k + XX [(-nkR k)Pn(Ю1 +
(5)
: 1 k = 1
+
X( d 1kR-) P1 (v)ldR.
где Рп(ц), Pn(v) - полиномы Лежандра.
ц = cos0 = sinXsinX0+ cosXcosX0cos(у-у0), (2)
где 0 - угол между вектором скорости частицы V и вектором ММП B (питч-угол); углы у0 и X0 характеризуют ориентацию вектора ММП в гео-
k=1
Здесь — (hl) - амплитуды вариаций интег-
I
1 c
рального потока вторичных частиц типа i (относительно некоторого фонового уровня Ic ), наблюдаемых в географическом пункте c на уровне hl в атмосфере Земли; Rc - эффективная жесткость геомагнитного обрезания; W'c (R, hl) -функция связи между первичными и вторичными вариациями КЛ. В уравнениях (2)-(4) вместо переменных у, X должны быть использованы асимптотические углы прихода частиц в данный пункт yc(R), Xc(R). Зависимость ARc от пороговой жесткости аппроксимировалась выражением 2 - JRc
ARc(Rc) = (b1Rc + b2Rc ) e c. Задача сводится к отысканию методом наименьших квадратов следующих неизвестных параметров: a01, a02, a03, b1, b2, cn, ci2, c22, dii, di2, Vo, Xo, ^0, Фо, по значениям которых, в частности, рассчитываются амплитуды и фазы первой и второй сферических гармоник [13].
При анализе вариаций жесткостного спектра КЛ использовались данные наблюдений интенсивности протонов в энергетических диапазонах
С
3
R-k =1
n
2
3
2
n
15-44, 39-82, 84-200 и 110-500 МэВ, полученные
на спутнике GOES-101 и данные о глобальной интенсивности КЛ, полученных методом спектрографической глобальной съемки по наземным измерениям на мировой сети станций нейтронных мониторов.
В том случае, когда жесткостной спектр КЛ в Галактике описывается степенной функцией от жесткости частиц, а изменение их интенсивности в гелиосфере происходит в соответствие с теоремой Лиувилля, т.е. при условии постоянства плотности частиц вдоль траекторий движения в фазовом пространстве, жесткостной дифференциальный спектр КЛ будет иметь следующий вид [11]:
J (R) = А
/2 2Ч (е - £о )
(е + Ае)2- е0
3/2
е + Ае
■ х
2^ (е + Ае)2- е0 -J (е2- е2)
(6)
J( т о + ео )2- е
где £ - полная энергия частиц, £0 - энергия покоя, Т0 - кинетическая энергия, при которой интенсивность КЛ соответствующей жесткости в Галактике равна А, А£ - изменение энергии частиц в гелиосфере, определяемое выражением:
Ае =
Ае„ + е - V ß^2 - е2) + е2 + е( 1 - ва'2), если R < R0
(7)
1Аер( - е(R0)(1- еа/2), если R > R,
-рг «-л
Здесь А£рг = Хеи (2е - заряд частицы, и - потенциал индуцированного электрического поля гелио-
сферы Е = --- и х В, с - скорость света, и - СВ, В
- напряженность межпланетного магнитного по-в
ля (ММП)), в гс — , в0 - напряженность фонового,
Во
а В - переменного во времени ММП, а = —--, Ер1 -
В
напряженность поляризационного электрического поля, возникающего в гелиосфере при распространении пучков ускоренных частиц, Я0 - жесткость частиц, ларморовский радиус которых равен размерам областей с нестационарными электромагнитными полями, в которых происходит их ускорение. Параметры жесткостного спектра Я0, А£рг, а и в были определены за каждый час наблюдений за весь исследуемый период. Для этого, при подстановке значений интенсивности частиц различных жесткостей в левую часть уравнения (6), с учетом (7) была получена система
1 http://spidr.ngdc.gov/spidr/index.h
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.