А. Н. Чарахчъян Т. Н. Чарахчьян

ГЕНЕРАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА СОЛНЦЕ

На основе данных измерений космических лучей только у поверхности Земли можно было думать, что генерация космических лучей на Солнце — редкое явление, случающееся раз в 3—4 года. Но в действительности это не так, что можно видеть из таблицы, где Mstr — отношение интенсивноcти первичных космических лучей во время ряда вспышек к обычной интенсивности, полученное на основании измерений в стратосфере, и Mgl — отклонение показаний (в %) наземной аппаратуры (нейтронного монитора) во время тех же вспышек. Видно, что для ряда случаев, при огромном увеличении числа первичных космических лучей в стратосфере, показания наземной аппаратуры практически нулевые.
Таблица

Дата хромосферной вспышки	Время (мировое), час, мин	Mstr	Mgl	Дата хромосферной вспышки	Время (мировое), час, мин	Mstr	Mgl
17. III 1958	10 25	35	<2	3.IX 1960	00 40	70	3
7. VII 1958	00 58	40	< 1	12. XI 1960	13 22	1200	130
11.V 1959	20 55	40	< 1	15. XI 1960	02 07	500	80
10. VII 1959	02 00	200	< 1	20.XI 1960		7	5
14. VII 1959	04 00	200	<1	18. VII 1961	О9 30	140	12
16. VII 1959	21 00	2800	5	20. VII 1961	15 50	13	3
4.V 1960	10 15	35	10

Вспышки космических лучей в стратосфере

Вспышки космических лучей в стратосфере были обнаружены в СССР и независимо в США в 1958 г. во время опытов в стратосфере над Мурманском, Миннеаполисом и Фортом-Черчилль. Интенсивность первичной компоненты космических лучей, по данным измерений над Мурманском, превышала обычную приблизительно в 2500 раз З.III и в 40 раз — 17.III и 8.VIII 1958 г. Сначала были сомнения в том, действительно ли регистрируемые события обязаны генерации космических лучей на Солнце. Но уже в следующем году эти сомнения рассеялись. В июле 1059 г. на Солнце возникли три мощные хромосферные вспышки наивысшего балла (3+), следовавшие друг за другом через каждые несколько дней. С той же последовательностью были зарегистрированы вспышки космических лучей в стратосфере, давшие возрастания первичной компоненты космических лучей приблизительно в 200, 800 и 2800 раз [1]. Аналогичные результаты были получены Винклером в опытах над Миннеаполисом [2].
Однако известны случаи, когда для зарегистрированной вспышки космических лучей трудно найти соответствующую хромосферную вспышку на Солнце. Об этих случаях речь пойдет ниже.

Картина хода вспышки космических лучей и сопровождающих ее явлений схематически следующая. В большинстве случаев вспышки космических лучей наблюдаются через несколько часов после хромосферной вспышки на Солнце. Приблизительно через сутки после хромосферных вспышек начинаются магнитные бури, ионосферные возмущения и в ряде случаев полярные сияния. К началу магнитной бури, или несколько позже, происходит падение интенсивности космических лучей больших энергии. Это явление принято называть спадом Форбуша. Но имеются случаи, когда вспышки космических лучей в стратосфере не сопровождаются геофизическими явлениями. Обычно это соответствует хромосферным вспышкам, происходящим на краю солнечного диска, корпускулярные потоки с которых проходят мимо Земли.

Исследование вспышек космических лучей представляет большой интерес как в связи с общей проблемой генерации космических лучей, так в связи с изучением физических явлений на Солнце. Эти исследовании кроме того, имеют и практическое значение для задач защиты космонавтов в космическом пространстве от радиационной опасности во врем вспышек.
Вопрос о радиационной защите космонавтов от излучений вспышек космических лучей во время полетов в межпланетном пространстве в принципе мог бы решиться на основе накопленного материала о продолжительности, амплитуде и энергетическом спектре частиц во вспышках. Основываясь на этих данных, можно сказать, что для гарантированной защиты от солнечных космических лучей необходимо применять защитные экраны. Однако такой путь привел бы к чрезмерному утяжелению космических кораблей. Поэтому для космических полетов в ближайшем будущем чрезвычайно важно изыскание путей прогнозирования вспышек космических лучей, предсказания мощности вспышки и характера ее распространения в межпланетном пространстве. Это является новой задачей, для успешного решения которой требуется комплексное и систематическое изучение активности Солнца методами астрономии, радиоастрономии и космических лучей.

Исследование энергетического спектра протонов во вспышках

Одним из методов изучения энергетического спектра первичных протонов во вспышке является измерение поглощения этих протонов в верхних слоях атмосферы [3]. Интенсивность космических лучей галактическое происхождения в стратосфере имеет максимум на высотах 46—22 км. И больших высотах эта интенсивность значительно уменьшается. Во время вспышек интенсивность космических лучей в стратосфере, на высоких широтах, не имеет максимума; с высотой она непрерывно увеличивается Вычитая из измеренного числа частиц на различных высотах во время вспышек соответствующие данные до вспышки, строят так называемую кривую поглощения — зависимость числа зарегистрированных частиц от давления в стратосфере. В период вспышек проводятся более частые запуски радиозондов в стратосферу, в ряде случаев каждые 2—3 час. Это позволяет получать информацию об изменениях как интенсивности, так и спектра первичного излучения во времени. Графики на рис. 1 иллюстрируют вид кривых поглощения, полученных при некоторых измерениях в< время вспышек 4.V и 3.IX 1960 г. По ординате отложено число двойные совпадений, по абсциссе — давление.

Примечательным для кривых поглощения, полученных в разное время вспышки, является малое различие их наклонов, хотя интенсивности первичных протонов со временем существенно изменяются. Удивительным является также и то, что эти кривые близки между собою и для независимые вспышек.
Данные, которые изображены на рис. 1, были получены в измерениях до начала прихода корпускулярных потоков на Землю хромосферной вспышки, в процессе которой генерированы космические лучи. На рис. 2 даны результаты измерения кривых поглощения в период после захвата корпускулярными потоками Земли во время вспышек 12.V, 12.VII и 15.VII 1959 г. Наклоны прямых, проведенных через экспериментальные точки, также мало различаются между собою, но крутизна спектра в этом случае существенно больше.
Изучая подобные кривые поглощения в других вспышках и пересчитывая их на энергетические спектры протонов, мы пришли к важному выводу: показатели дифференциальных энергетических спектров протонов в представлении

---- обязаны протонам, идущим от Солнца и диффундирующим свободно в меж планетной среде, а спектр с показателем γ ~ 6,0 ---- Остановимся на соображениях, которые легли в основу этого вывода. Протоны космических лучей Солнца, диффузно распространяясь в пространстве, приходят на Землю примерно на 20—30 час раньше, чем корпускулярные потоки хромосферной вспышки, вызвавшей эту вспышку космических лучей. Следовательно, задолго до прихода корпускулярных потоков на Землю пространство вокруг Солнца заполнено космическими лучами Солнца.


Рис. З. Интегральные спектры протонов
Но что же происходит в моменты попадания Земли в корпускулярные потоки? Факт резкого смягчения энергетического спектра (обогащение спектра протонами малых энергий при одновременном увеличении общего потока протонов) трудно объяснить иначе как предположением о новом излучении в околоземном пространстве, связанном с самим корпускулярным потоком хромосферной вспышки. Ведь речь идет о корпускулярных потоках хромосферной вспышки, в процессе которой были генерированы космические лучи.
Можно поэтому представить себе следующую картину: часть протонов космических лучей, генерированных во время хромосферной вспышки, покидает Солнце и, диффундируя в межпланетной среде, приходит на Землю. Для этих протонов энергетический спектр имеет показатель γ~3,0. Другая часть протонов, будучи захваченной магнитными облаками корпускулярных потоков, не может выйти свободно в межпланетное пространство.
Эти частицы, пойманные в своеобразные магнитные ловушки, уносятся в межпланетное пространство вместе с самими корускулярными потоками. Ясно, что исследование этого явления имеет и большое практическое значение с точки зрения неравномерной концентрации излучения в космическом пространстве.

До сих пор мы говорили о спектре протонов с энергиями несколько сот МэВ. Что же происходит со спектром в диапазоне энергии выше нескольких сот МэВ? Оказывается, что наклоны энергетических спектров в этой области энергий различны для разных вспышек. Спектры претерпевают излом, соответствующий показателю γ ~ 6,0. Энергии протонов, при которых наступает это изменение крутизны спектра, различны в разных вспышках. Качественно существование такого явления следует из простого факта отсутствия пропорциональности в амплитудах вспышек, регистрируемых в стратосфере и вблизи уровня моря [4]. Естественно, диапазон энергий частиц, генерированных Солнцем, каким-то образом ограничен со стороны больших энергий, и физика явления, видимо, такова, что это ограничение в конкретных случаях неодинаково в разных вспышках.
Обсуждаемое явление иллюстрируется данными интегральных спектров, изображенных на рис. 3. Дата, место и время измерения в часах после начала соответствующей хромосферной вспышки и значения нормировочного множителя К, на который нужно разделить данные, чтобы получить абсолютную интенсивность протонов, приведены ниже.

Дата            Час  К    Место наблюдения
2-15.XI 1960   6   1    Мурманск 
3—15.XI I960   6   1    Москва 
4—18.VII 1961  8   0,85 Форт-Черчилль 
5—3.IX 1960    17  0,7  Мурманск 
6—3.IX 1960    12  1    Мурманск 
7-3.IX 1960    13  1    Форт-Черчилль 
8—12.VII 1961  6   8    Мурманск 
9—12.VII 1961  10  8    Мурманск 
10-12.VII 1961 14  8,5  Форт- Черчилль 

Как видно на рис. 3, наклон интегрального спектра для вспышки 4.V 1960 г. (I) соответствует показателю γ — 1 = 2,0 вплоть до энергии протонов около 700 МэВ. Для вспышки 15.XI 1960 г. такое значение показателя сохраняется лишь до энергии 500 МэВ (кривая V). Для вспышки 3.IX 1960 г. срыв в спектре наступает при энергиях протонов 200—300 МэВ (кривая II), для вспышки 18.VII 1961 г. при энергиях 200 МэВ (кривая III), а для вспышки 12.VII 1961 г. этот излом в энергетическом спектре наступает, вероятно, при энергиях меньше 100 МэВ (кривая IV).
К сказанному можно добавить, что если возрастание в наклоне спектра происходит при энергиях протонов заметно меньше 100 МэВ, то вероятность регистрации таких случаев генерации космических лучей в стратосфере уже мала. (Возможно, этим и следует объяснить тот факт, что не все зарегистрированные случаи поглощения галактических радиошумов, вызываемых вторжением в верхние слои атмосферы медленных протонов солнечного происхождения, соответствуют регистрируемым в стратосфере вспышкам космических лучей. Представляет, естественно, большой интерес исследование описанного явления срыва в спектре в разных вспышках с точки зрения изучения характеристик хромосферных вспышек, в процессе которых генерируются космические лучи.

Диффузия протонов космических лучей Солнца в межпланетной среде.
Данные о коэффициенте диффузии.
Напряженности полей в магнитных неоднородностях
Продолжительность времени, в течение которого происходит генерация и формирование энергетического и зарядового спектра космических лучей на Солнце, составляет десятки минут, во всяком случае меньше нескольких часов. Но время жизни этих космических лучей в межпланетном пространстве составляет несколько суток. Этот факт приводит нас к представлению о том, что распространение космических лучей в межпланетной среде носит диффузный характер. Среда, сквозь которую диффундируют частицы космических лучей, состоит из магнитных неоднородностей, существование которых в межпланетном пространстве повидимому, не вызывает сомнения. Рассмотрим, в какой степени, такое представление соответствует данным эксперимента.

Рис. 4. Интенсивности космических лучей Солнца в зависимости от времени
1 — данные ионизационной камеры на мысе Шмидта [5]; 2—данные нейтронного монитора в Чикаго [6]; 3 и 4 — данные стратосферных измерений над Мурманском [3] и Форт-Черчилль [7] соответственно.

Из рис. 4 можно видеть, как изменяется интенсивность космических лучей Солнца в зависимости от времени. По оси абсцисс отложено время, отсчитываемое от начала соответствующей хромосферной вспышки. Максимумы данных этих измерений совмещены между собою. Сплошные линии вычислены по формуле, являющейся решением уравнения диффузии для однородного пространства с шаровой симметрией. Параметр, которым мы варьируем в формуле для описания всех трех данных эксперимента, это коэффициент диффузии D. Для кривой 1 коэффициент диффузии взят равным 5,2 • 10²² см2сек-1, для кривой 2 — 3 • 10²² см2 • сек~1 и для кривой 3 — 5,5 • 10²¹ см2 • сек~1. Естественно, столь простая модель диффузии не может претендовать на полноту, но для выявления основных черт явления такое упрощение, видимо, оправ дано. Имея данные о величине коэффициента диффузии и положив, что им соответствуют различные эффективные импульсы протонов, регистрируемых в ионизационной камере, нейтронным монитором и в стратосфере равные приблизительно 15; 5 и 0,5 Бэв/е, мы приходим к выводу о том что пробег рассеяния протонов в среде межпланетного пространства зависит от импульса приблизительно как √p [8].
Диффузионная модель позволяет также найти кинетическую энергию, несомую протонами, генерированными во вспышках. Оказывается, что эта энергия для умеренной вспышки на Солнце составляет ~ 10²⁹ эрг.

О вспышках космических лучей, генерированных на обратной стороне солнечного диска.
Радиальные магнитные поля Солнца
Если в межпланетном пространстве, помимо магнитных неоднородноcтей, на которых происходит рассеяние протонов, имеется еще и радиальное магнитное поле Солнца, то диффузное распространение протонов от Солнца в межпланетной среде будет носить анизотропный характер. Поэтому вспышки космических лучей, происходящие на обратной стороне Солнца, если и будут регистрироваться у Земли, то с амплитудами, меньшими, чем вспышки, происходящие на его видимой стороне. Данные экспериментов, подробно рассмотренные в работе [4], действительно показывают что амплитуды вспышек космических лучей, происходящих на видимой стороне Солнца, почти в десятки раз больше по сравнению с амплитудами вспышек, происходящих на невидимой стороне солнечного диска.

Литература
1.А. Н. Чарахчъян, В. Ф. Тулинов, Т. Н. Чарахчьян. ЖЭТФ, 39, 249, 1960.
2.J. R. Wi п с k 1 е г. Radiation Res, 14, N 5, 521, 1961.
3.А. Н. Чарахчъян, В. Ф. Тулинов, Т. Н. Чарахчъян. ЖЭТФ, 41, 735, 1961.
4.А. Н. Ч а р а х ч ь я н. УФН, 83, вып. 1, 35, 1964.
5.Л. И. Д о р м а н. Вариации космических лучей. Гостехиздат, 1957.
6.Р. N е у е г, Е. N. Р а г k е г, J. A. S i m р s о п. Phys. Rev., 104, 768, 1956.
7.D. J. Н о f m a n, J. R. W i n с k 1 е г. Space Res., 3, 662, 1963.
8.А. Н. Чарахчьян, Т. Н. Чарахчьян. Геомагнетизм и аэрономия, 5, № 2, 1965-

А.Н. Чарахчьян

Исследование флуктуаций интенсивности космических лучей в стратосфере, вызванных процессами на Солнце

Автореферат дмссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук (по совокупности опубликованных работ)
Москва, ФИАН. !964

I Вспышки космических лучей
     1. Радиоэонд космических лучей (РК) ............2
    2. Вспышки космических лучей в стратосфере и коррелированные с ними явленмия........3
     3. Исследования энергетического спектра протонов во вспышках. ........4
    4. Интерпретация эффекта смягчения энергетического спектра во время Форбуш-спадов. ......6
     5. Генерация космических лучей Солнци малых и больших энергий. ...... 7
    6. Эффекты вторжения в стратосферу короткопробежных электронов во время Форбуш-спадов ...... 8
     7. Интенсивность первичных протонов и зависимолсти от времени. ....9
    8. Диффузия протонов космических лучей Солнца в межпланетной среде. Данные о коэфициенте диффузии. Напряженность полей в магнитных неоднородностях. ......10
    9. О вспышках космических лучей, генерированных на обратной стороне солнечного диска. Радиальные магнитные поля Солнца. .....12

II. 27-дневные вариации интенсивности космических лучей в стратосфере. ........ 14

III Понижения интенсивности космических лучей в стратосфере во время геомагнитных бурь. ......16
    1. Результаты измерений. ..........17
    2. Обсуждение результатов. .........19

IV. Вековые изменения интенсивности космических лучей в стратосфере. ..... 20
    1. Вековые изменения для разности чисел частиц. ......22
    2. Корреляция с активностью Солнца. ..... 22
   3. Характер изменения энергетического спектра первичных частиц с циклом солнчной активности..... 23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....25

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА .... 28

смотрите также А.Н. Чарахчьян, Т.Н. Чарахчьян, Энергетические спектры генерации космических лучей на Солнце