ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 5, с. 618-620
УДК 523.165
ЮПИТЕРИАНСКИЕ ЭЛЕКТРОНЫ И СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР В МИНИМУМЕ 23-24 ЦИКЛОВ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
© 2013 г. Е. И. Дайбог1, К. Кечкемети2, Ю. И. Логачев1
E-mail: daibog@srd.sinp.msu.ru
Юпитерианские электроны на орбите Земли можно рассматривать как зонды, помогающие исследовать структуру внутренней гелиосферы. Их проникновение в окрестности Земли легко осуществляется в периоды оптимальной магнитной связи Земли с Юпитером. Однако такое проникновение наблюдается иногда и при произвольном расположении Земли и Юпитера, что предлагается объяснить существованием магнитных ловушек, простирающихся от Солнца до Юпитера, вращающихся вместе с Солнцем и существующих длительное время, иногда в течение нескольких оборотов Солнца.
DOI: 10.7868/S0367676513050153
ВВЕДЕНИЕ
Начиная с 2007 и до середины 2009 г. на Солнце установилась "спокойная погода", что отразилось на состоянии межпланетного пространства, по крайней мере во внутренней (до 5 а.е.) гелиосфере. Солнечная активность в этот период была крайне низкой, заряженные частицы солнечной природы практически отсутствовали, зато очень четко наблюдались электроны юпитерианского происхождения. На рис. 1 приведены потоки этих электронов (Ее = 0.7-3 МэВ) по данным SOHO EPHIN в течение 14 оборотов Солнца с сентября 2007 г. по октябрь 2008 г. Здесь же показана скорость солнечного ветра (OMNIWeb Data Explorer).
Картина скоростей солнечного ветра от оборота к обороту Солнца имеет почти постоянную структуру, что говорит о том, что области на Солнце, ответственные за генерацию солнечного ветра, все это время не испытывали существенных изменений. Слабая солнечная активность не затушевывала постоянно присутствующие потоки электронов от Юпитера, которые также демонстрировали квазистабильную структуру с периодом, близким к синодическому периоду системы Солнце-Земля, равному ~27 сут.
ОБСУЖДЕНИЕ
Ранние исследования юпитерианских электронов предполагали, что электроны попадают в окрестность Земли главным образом в периоды прямой связи Земли с Юпитером по магнитным силовым линиям межпланетного магнитного поля [1—3]. Моменты времени прямой связи Земли
Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Институт частиц и ядерной физики Венгерской академии наук, Будапешт.
с Юпитером для разных скоростей солнечного ветра в 2007—2008 г. помечены на рис. 1 стрелками. Таким образом, центральную часть рис. 1 можно объяснить прямым проникновением электронов от Юпитера к Земле при скорости солнечного ветра 400—500 км • с-1, хотя в рамках этой гипотезы остается непонятным периодическое, близкое к синодическому периоду Солнце—Земля (27.3 суток), изменение потока электронов.
При отсутствии прямой связи Земли с Юпитером, которая осуществляется 1 раз в 13 месяцев (синодический период Земля—Юпитер), наличие юпитерианских электронов вблизи Земли и их 27-дневные вариации в последующие 5—6 месяцев объяснялись перпендикулярной диффузией электронов на нужную силовую линию вблизи Юпитера и коротирующими областями взаимодействия
2007-2008
800 700 600 500 -400 ' 300 ■ 200 100 0
-100
230 280 330 15 65 115 165 215 265 255 305 355 40 90 140 190 240
DOY 2007
DOY 2008
Рис. 1. Скорость солнечного ветра (верхняя кривая) и поток юпитерианских электронов Ее = 0.7—3 МэВ (нижняя кривая) в минимуме СА 2007—2008 гг. Стрелки на оси абсцисс соответствуют скоростям солнечного ветра. Слева направо: 700, 600, 500, 400, 300 км • с1.
1
ЮПИТЕРИАНСКИЕ ЭЛЕКТРОНЫ И СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР 619
Длительности периодов вариаций юпитерианских электронов в минимуме СА 2007—08 гг.
По минимальным потокам электронов По максимальным потокам электронов
Год начало конец длительность начало конец длительность Среднее
периода, DOY периода, DOY периода, дни периода, DOY периода, DOY периода, дни
257.6 284.8 27.2 27.2
2007 272 298.2 26.2 284.8 311.6 26.8 26.5
2007 298.2 322.4 24.2 311.6 336.2 24.6 24.4
2007 322.4 350.4 28.0 336.2 359.4 23.2 25.6
2007-2008 350.4 11.0 25.6 359.4 17.4 23.0 24.3
2008 11.0 35.9 24.9 17.4 44.1 26.7 25.8
2008 35.9 59.5 23.6 44.1 70.1 26.0 24.8
2008 59.5 86.8 27.3 70.1 97.6 27.5 27.4
2008 86.8 112.1 25.3 97.6 124.3 26.7 26.0
2008 112.1 139.4 27.3 124.3 152.0 27.7 27.5
2008 139.4 166.6 27.2 152.0 178.8 26.8 27.0
2008 166.6 193.2 26.6 178.8 205.8 27.0 26.8
2008 193.2 218.6 ± 1 25.4 205.8 231.6 25.8 25.6
2008 218.6 246.7 28.1 28.1
Среднее 26.2
(СЖ), ограничивающими их угловое распространение [4—8].
Для объяснения более длительного присутствия электронов вблизи Земли в данной работе рассматривается возможность образования в межпланетном пространстве магнитных ловушек, заполняемых при их прохождении вблизи Юпитера электронами, которые затем регистрируются при прохождении ловушек около Земли. В предлагаемой модели юпитерианские электроны могут наблюдаться в любой период независимо от фазы связи Земли с Юпитером, а 27-дневная вариация потоков этих электронов объясняется вращением ловушки вместе с Солнцем. Запаздывание между моментами заполнения ловушки электронами около Юпитера и их регистрацией около Земли в разных ситуациях составляет от 0 до 27 суток, что предполагает длительное существование ловушек и большое время жизни захваченных электронов (>27 суток).
Для наблюдавшихся в 2007—2008 гг. потоков юпитерианских электронов в течение 14 оборотов Солнца требуется существование магнитных ловушек в течение всего этого времени. Определяющим фактором, ответственным за создание магнитных ловушек, является скорость солнечного ветра, которая вместе с юпитерианскими электронами представлена на рис. 1.
Видно, что временной профиль скорости солнечного ветра от оборота к обороту Солнца почти сохраняет свою структуру, что должно содействовать сохранению возникших магнитных ловушек. Два максимума скоростей солнечного ветра приходятся на 1—5 и 18—24 дни бартель-совских оборотов Солнца. На этих долготах в это время располагались две обширные корональ-ные дыры, зарегистрированные еще в 2006 и 2007 гг. и просуществовавшие до мая 2009 г.
(http: //www.solen.info/solar/coronal_holes.html), которые скорее всего и были источниками солнечного ветра повышенной скорости.
Как уже упоминалось, структура скоростей солнечного ветра повторяется от оборота к обороту, т.е. период обращения этой структуры, испытывая небольшие вариации, близок к синодическому периоду вращения системы Солнце—Земля (или Солн-це—к.а. SOHO, регистрировавшего электроны).
Было бы естественно, в рамках нашей гипотезы о захвате частиц в ловушках, ожидать такого же периода вариаций потоков электронов, вызванных вращением Солнца. Определение этих периодов представляет определенные трудности, поэтому они проводились как по максимальным потокам юпитерианских электронов, так и по минимумам между ними. Результаты представлены в таблице.
Обращает на себя внимание отличие средней за 14 оборотов длительности периода вариации (Тр = 26.2 суток) от ожидаемых 27.3 суток. Для разъяснения этой ситуации на рис. 2 представлены временные профили электронов на всех 14 бартельсовских оборотах (их начало для большей наглядности сдвинуто на середину шкалы). Из таблицы и рис. 2 следует, что во время первых двух оборотов период вариаций был порядка 27 суток. На следующих 5 оборотах он уменьшился до 23—26 суток и затем снова восстановился до 27 суток. В чем была причина этих вариаций? Мы интерпретируем это как перестройку ловушек, их постепенный сдвиг в сторону вращения Солнца, что привело к уменьшению периода вариаций юпитерианских электронов. Через 5 оборотов Солнца перестройка структуры ловушек завершилась, и период вариаций возвратился к 27 суткам.
При сравнении временного профиля электронов с профилем скорости солнечного ветра на
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 77 № 5 2013
6*
620
ДАЙБОГ и др.
0.02 0 0.02 0
0.03 0
0.03 0
0.03 0
0.03 "к 0 J 0.03 2 0 ср 0.03 0
« 0.02 ^ п
(с 0 ( 0.03
0 0.02 0 0.02 0 0.02 0 0.02 0
Ar i* t.*-J* -i 1V..U«-_l_I_I_I_I_I_I I I_I_I_I_I_I_I—
I I I I I I I
_l_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I—
_i_i_I_i_i_I_i_i_L
I ■ ■ ' ■ ■ I
__| ц „J..I»..- llyj.JJ'
J_I_I_J I ■ ■ I ■_I_I_I_I_I_L_
_i_uJ_i_i_I_i_i_L
1ШП I I i I
.......
-r . '
i"l"'?1-J_I_I_I_I_I_I_I_I—
_i_i_I_i_i_I_i_i_L
s
e ¡ j_I_i_i_I_i_i_I_i_i_I_i_:_i_I_i_
_i_i_I_i_i_I_i_i_L
-I_i_i_I_i_i_I_i_i_I_i_i_I_I—
.......
13
—I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_J_I_I_I_I_
_i_i_I_i_i_I_i_i_L
14
_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i
18 21 24 27 03 06 09 12 1S Дни бартельсовских оборотов
Рис. 2. Потоки юпитерианских электронов с энергией 0.7—3 МэВ в 2007—2008 гг. для 14 последовательных оборотов Солнца (Бартельсовские обороты (Б.О.) №№ 2375-2389).
Сверху вниз: 1 - Б.О. 2375-2376 (дни 234-260 2007 г.); 2 - Б.О. 2376-2377 (дни 261-287 2007 г.); 3 -Б.О. 2377-2378 (дни 288-314 2007 г.); 4 - Б.О. 23782379 (дни 315-341 2007 г.); 5 - Б.О. 2379-2380 (дни 342-003 2007 г.); 6 - Б.О. 2380-2381 (дни 004-030 2008 г.); 7- Б.О. 2381-2382 (дни 031-057 2008 г.); 8 -Б.О. 2382-2383 (дни 058-084 2008 г.); 9 - Б.О. 23832384 (дни 085-111 2008 г.); 10 - Б.О. 2384-2385 (дни 112-138 2008 г.); 11 - Б.О. 2385-2386 (дни 139-165 2008 г.); 12 - Б.О. 2386-2387 (дни 166-192 2008 г.); 13 - Б.О. 2387-2388 (дни 193-219 2008 г.); 14 -Б.О. 2388-2389 (дни 220-246 2008 г.).
рис. 1 обращает на себя внимание то, что максимумы первых 5 возрастаний потоков электронов приходятся на минимумы значений скорости солнечного ветра, в то время как упомянутый сдвиг привел к тому, что, начиная с 6-го возрастания, максимумы потоков электронов совпадают уже с максимумами скоростей солнечного ветра. Это также свидетельствует о перестройке ловушек.
Отметим, что, начиная с 326 дня 2007 г., помимо основных возрастаний потоков юпитерианских
электронов наблюдались также промежуточные возрастания меньшей амплитуды (всего 10) с такой же периодичностью, связанные, по-видимому, с дополнительной ловушкой, вызванной второй ко-рональной дырой.
Заметим в заключение, что аналогичная картина длите
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.