Для лучшего просмотра
установите разрешение 1024х768 и более.
Нажатие F11 в
браузере позволит развернуть его.
Вариации
интенсивности космических лучей при
солнечно-гелиосферных
экстремальных событиях
в
октябре-ноябре 2003 г.
Исследованы вариации интенсивности
космических лучей (КЛ) по данным наземных и спутниковых
измерений в энергетическом диапазоне от ~15 МэВ до
десятков ГэВ за период с 1 октября по 30 ноября 2003 г.
Информация о солнечных источниках данных событий и о
параметрах межпланетной среды приведена на сайте http://solarwind.cosmos.ru/materials.htm
Для
анализа использовались данные наблюдений интенсивности
протонов в энергетических диапазонах 15-44, 39-82,
84-200 и 110-500 МэВ, полученные на спутнике GOES-10 и данные о вариациях интенсивности
КЛ различных жесткостей, полученных методом спектрографической
глобальной съемки (СГС) [1-4] по наземным измерениям на
мировой сети станций нейтронных мониторов (38 станций). Метод
СГС позволяет по наземным наблюдениям КЛ на мировой сети
станций получать информацию о вариациях углового и
энергетического распределения первичных КЛ за пределами
магнитосферы Земли, а также, - об изме-нениях планетарной
системы жесткостей геомагнитного обрезания за каждый час
наблюде--ний. Амплитуды вариаций отсчитывались относительно
среднего уровня 12 октября 2003 г.
Для описания жесткостного спектра
КЛ в широком диапазоне энергий использовалось выражение,
полученное в предположении, что жесткостной спектр в Галактике
описывается степенной функцией от жесткости КЛ, а изменение их
интенсивности в межпланетном пространстве происходит из-за
изменения энергии в регулярных электромагнитных полях
гелиосферы в соответствие с теорией Лиувилля, т.е. при условии
постоянства плотности частиц вдоль траектории движения в
фазовом пространстве. В этом случае жесткостной
дифференциальный спектр имеет следующий вид:
 ,
(1)
где e - полная энергия
частиц, e0 - энергия
покоя, T0 -
кинетическая энергия, при которой интенсивность КЛ
соответствующей жесткости в Галактике равна А, De - изменение энергии
частиц в гелиосфере, определяемое выражением [5]:
 (2)
Здесь  (Ze -
заряд частицы, U - потенциал
индуцированного электрического поля гелиосферы  , с - скорость света, W - угловая скорость
вращения Солнца, Br(r0) - напряженность
радиальной составляющей межпланетного магнитного поля (ММП) на
расстоянии r0
от Солнца, u -
скорость солнечного ветра (СВ), B - напряженность ММП),  , B0
- напряженность фонового, а B -
переменного во времени ММП,  ,
Epl - напряженность
поляризационного электрического поля, возникающего в
гелиосфере при распространении потоков ускоренных частиц,
R0 - магнитная
жесткость частиц, ларморовский радиус которых равен размерам
областей с нестационарными электромагнитными полями.
Неизвестные параметры жесткостного спектра Dept, a, b,
R0
определялись по данным наземных и спутниковых наблюдений по
среднечасовым значениям интенсивности.
При описании анизотропии КЛ
использовалось предположение о зависимости интенсивности
частиц от их питч-угла в ММП и учитывались компоненты
анизотропии, обусловленные градиентом плотности на
ларморовском радиусе (холловских компонент). Для аппроксимации
зависимости интенсивности КЛ от питч-угла в ММП использовался
ряд по полиномам Лежандра (до второй гармоники включительно),
а учет холловских компонент анизотропии осуществлялся с
помощью первой сферической гармоники при условии
ортогональности этой составляющей анизотропии вектору ММП.
Результаты
анализа
Рис. 1.
Вариации глобальной интенсивности КЛ с жесткостью R=4 ГВ за пределами магнитосферы в процентах
к фоновому уровню; изменения жесткости геомагнитного обрезания
при пороговой жесткости R=4 ГВ и Dst-индекс (красная кривая) (вторая сверху
панель); временные
вариации амплитуд первой A1 и второй A2 гармоник,
характеризующих анизотропию КЛ (две нижние панели) в
октябре-ноябре 2003 г.
Рис. 2.
Временные профили интенсивности КЛ с жесткостями R=0.24 ГВ (15-44 МэВ), R=0.342 ГВ (39-82 МэВ), R=5 и 20 ГВ (четыре верхних панели),
рассчитанные по формулам (1) и (2) с использованием параметров
Dept, a, b,
R0 (четыре нижние
панели), определенных по данным наземных и спутниковых
измерений в октябре-ноябре 2003 г. Красные кривые на четырех
верхних панелях - результаты расчетов, точки - данные
наблюдений.
Рис. 3а.
Жесткостные спектры относительных изменений интенсивности КЛ в
отдельные моменты временного интервала с 26 по 29 октября 2003
г. Черные кривые - результаты расчетов модельного
спектра по формулам (1), (2), треугольники -
данные наблюдений.
Рис.
3б. Жесткостные спектры относительных изменений
интенсивности КЛ в отдельные моменты временного интервала с 29
по 31 октября 2003 г. Черные кривые - результаты
расчетов модельного спектра по формулам (1), (2),
треугольники - данные наблюдений.
Рис. 4а.
Жесткостные спектры относительных изменений интенсивности КЛ в
отдельные моменты 20 ноября 2003 г. Черные кривые - результаты
расчетов модельного спектра по формулам (1), (2),
треугольники - данные наблюдений.
Рис. 4б.
Жесткостные спектры относительных изменений интенсивности КЛ в
отдельные моменты 20 и 21 ноября 2003 г. Черные кривые -
результаты расчетов модельного спектра по формулам (1),
(2), треугольники - данные наблюдений.
Рис. 5а.
Изменение жесткостей геомагнитного обрезания DRc
в зависимости от пороговых жесткостей Rc в отдельные моменты времени за период
29-30 октября 2003 г.
Рис. 5б.
Изменение жесткостей геомагнитного обрезания DRc
в зависимости от пороговых жесткостей Rc в отдельные моменты времени за период
30-31 октября 2003 г.
Рис. 6а.
Изменение жесткостей геомагнитного обрезания DRc
в зависимости от пороговых жесткостей Rc в отдельные моменты времени за 20 ноября
2003 г.
Рис. 6б.
Изменение жесткостей геомагнитного обрезания DRc
в зависимости от пороговых жесткостей Rc в отдельные моменты времени за период 20
и 21 ноября 2003 г.
ВЫВОДЫ
1.
Используемое выражение для дифференциального
жесткостного спектра КЛ удовлетворительно описывает вариации
интенсивности протонов в энергетическом диапазоне от
~ 15 МэВ до десятков
ГэВ на всем исследуемом периоде (см. рис. 2-4).
2.
Изменение интенсивности КЛ (в рамках используемой
модели) происходит, во-первых, вследствие временных вариаций и
пространственной неоднородности потенциала индуцированного
электрического поля, во-вторых, вследствие ускорения частиц в
петлеобразных структурах корональных и межпланетных магнитных
полей, переменных во времени, и, в-третьих, из-за ускорения
фоновых частиц поляризационными электрическими полями,
возникающими при распространении ускоренных в солнечной короне
и межпланетном пространстве частиц в неоднородных полях
гелиосферы.
При этом напряженность
магнитного поля в этих структурах за счет временных вариаций
изменяется, относительно фоновой, в 2-3 раза (см. поведение
параметра b на рис. 2), а квадрат
отношения напряженности поляризационного электрического поля к
маг-нитному варьирует в пределах от ~ 0 до ~ 0.9 (см. поведение параметра
a на рис. 2).
Размер областей с
нестационарными электромагнитными полями (пересчитанный к
орбите Земли) в соответствии со значениями параметра
R0 (см. рис. 2) составляет
1010-1011 см.
Величина потенциала
индуцированного электрического поля уменьшалась почти до
нулевых значений, а увеличивалась - в ~ 1.5 раза относительно фоновых
значений (см. рис. 2).
3.
В отдельные
моменты исследуемого периода наблюдается двунаправленная
анизотропия большой амплитуды (десятки процентов) в угловом
распределении частиц, что свидетельствует, во-первых, о выносе
магнитных облаков и петлеобразных структур межпланетного
магнитного поля (ММП) корональными выбросами вещества, и,
во-вторых, - о высокой степени регулярности ММП в этих
структурах [4, 6]. Максимальные амплитуды двунаправленной
анизотропии наблюдались 29 и 31 октября (~ 50 % и 30 %, соответственно),
21-24 ноября (~ 15 %) для частиц с жесткостью
R = 4 ГВ (см. рис.
1).
4.
Максимальные изменения жесткостей геомагнитного
обрезания наблюдались в периоды геомагнитных бурь 29-30
октября и 20 ноября 2003 г. в интервале пороговых жесткостей
от 2 до 5 ГВ (см. рис. 1, 5, 6).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Dvornikov V.M., Sdobnov V.E., Sergeev
A.V. Analysis of cosmic ray pitch-angle anisotropy during the
forbush-effect in June
1972 by the method of spectrographic global survey // Proc.
18th ICRC. Bangalor. India. 1983.
V.
3. P. 249-252.
2.
Дворников В.М., Сдобнов В.Е. Модификация метода
спектрографической глобальной съемки для изучения вариаций
планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания
// Изв. АН СССР. Сер. физ. 1991. T. 55, © 10. С.
1988-1991.
3.
Dvornikov V.M., Sdobnov V.E. Time
variations of the cosmic ray distribution function during a
solar proton event of September 29, 1989 // J. Geophys. Res.
1997. V. 102, N A11. P. 24209-24219.
4.
Dvornikov V.M., Sdobnov V.E.
Variations in the rigidity spectrum and anisotropy cosmic rays
at the period of Forbush effect on the 12-25 July 1982 //
IJGA. 2002. V. 3, N 3. P. 217-228.
5.
Дворников В.М., Сдобнов В.Е., Юдина М.В. Механизм
модуляции космических лучей регулярными электромагнитными
полями гелиосферы // Астрон. вестник. 2004 (в
печати).
6.
Richardson I.G., Dvornikov
V.M., Sdobnov V.E., Cane H.V. Bidirectional particle flows at
cosmic ray and lower (~1 MeV) energies, and their association
with interplanetary CMEs/ejecta // J. Geophys. Res. 2000. V.
105, N A6. P. 12579-12591.
Приведенные
результаты получены группой авторов:
Дворников
В.М., ИСЗФ СО РАН (dvornikov@iszf.irk.ru)
Сдобнов
В.Е., ИСЗФ СО РАН (sdobnov@iszf.irk.ru)
Юдина
М.В., ИСЗФ СО РАН (rina@iszf.irk.ru)
Белов
А.В., ИЗМИРАН (abelov@izmiran.rssi.ru)
Ерошенко
Е.А., ИЗМИРАН (erosh@izmiran.rssi.ru)
Янке
В.Г., ИЗМИРАН (yanke@izmiran.rssi.ru)
Крякунова
О.Н., Институт ионосферы, Казахстан (krolganik@yandex.ru)
| 
