Вариации интенсивности космических лучей в гелиосфере

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................4
ГЛАВА 1 ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ВАРИАЦИЙ ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ.................................15
1.1 Функция распределения и связанные с ней величины..................15
1 2 Основные особенности изучения вариаций интенсивности космических
лучей по данным наземных наблюдений............................. 17
1.3 Математические трудности, возникающие при решении обратных задач . 18
1.4 О решении некорректно поставленных задач методом подбора..........20
1.5 Уравнение вариаций интенсивности космических лучей................21
1.6 Методы определения энергетического спектра вариаций с помощью коэффициентов связи............................................... 23
1.6.1 Определение спектра по широтному эффекту......................23
1.6.2 Метод моментов................................................24
1.6.3 Метод эффективных энергий.....................................25
1.7 Методы исследования анизотропии КЛ....'......................... 26
1.7. ] Представление распределения интенсивности космических лучей на
небесной сфере через сферические функции........................26
1.7.2 Анизотропия в распределении КЛ по направлениям прихода и суточная вариация...........................................................27
1.7.3 Метод глобальной съемки.......................................28
1.8 Постановка задачи по изучению вариаций функции распределения КЛ по данным наземных наблюдений............................................30
ГЛАВА II ИЗУЧЕНИЕ ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СПЕКТРОГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ...............................................33
2.1 Спектрографический метод анализа вариаций интенсивности КЛ........33
2.2 Исследование вариаций космических лучей магнитосфсрного и
межпланетного происхождения в периоды Форбуш-эффектов..............35
2.3 Исследование анизотропии космических лучей в периоды Форбуш-
понижений по данным стратосферных измерений........................40
2.4 Изучение питч-угловой анизотропии космических лучей в периоды Форбуш-понижений по данным Саянского спектрографического комплекса 43
ГЛАВА III ДЕТЕРМИНИСТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ МОДУЛЯЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СОЛНЕЧНЫМ ВЕТРОМ ..................................50
3.1 Крупномасштабное межпланетное магнитное поле....................50
3.2 Мелкомасштабные неоднородности межпланетного магнитного поля ...53
3.3 Конвективно-диффузионная модель модуляции космических лучей
солнечным ветром................................................55
3.4 Энергетические потери космических лучей при движении в регулярном электромагнитном поле солнечного ветра..............................56
3.5 Кинетическое уравнение, усредненное по гирофазе частиц в межпланетном
магнитном поле..................................................58
3.6 Решение кинетического уравнения.................................59
3 7 Эффекты модуляции космических лучей в коротирующих магнитных
ловушках солнечного ветра.......................................61
ГЛАВА IV АНАЛИЗ ВАРИАЦИЙ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В МЕЖПЛАНЕТНОМ ПРОСТРАНСТВЕ МЕТОДОМ
СПЕКТРОГРАФИЧЕСКОЙ ГЛОБАЛЬНОЙ СЪЕМКИ..................................68
4.1 Метод спектрографической глобальной съемки......................68
4 2 Анализ вариаций функции распределения космических лучей методом
спектрографической глобальной съемки............................74
4 3 "Канализированное" распространение в гелиосфере космических лучей от
мощных солнечных вспышек........................................80
4 4 Аномальные вариации жесткостного спектра КЛ.....................84
4.5 Способ прогноза спорадических геоэффеютивных возмущений солнечного
ветра...........................................................89
4 6 Связь спорадических явлений на Солнце со структурой и динамикой полей
гелиосферы......................................................94
4 7 О возможности прогноза уровня геомагнитной возмущенности.......104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................107
ЛИТЕРАТУРА
109
Введение
Работа посвящена изучению вариаций интенсивности космических лучей в гелиосфере в зависимости от электромагнитных условий в межпланетном пространстве. Основное внимание уделялось исследованию вариаций жесткостного спектра и анизотропии космических лучей (КЛ) по данным наземных наблюдений в периоды солнечно-гелиосферных спорадических явлений.
А кту а л ь н ость п робл ем ы
Проблема спорадических процессов на Солнце, сопровождающихся выбросами в межпланетное пространство высокоскоростной плазмы солнечного ветра (СВ), элек-1)>ом;и ипгпым излучением в широком диапазоне частот и генерацией частиц в широком диапазоне энергий, является одной из наиболее актуальных проблем солнечноземной физики, т.к. именно этими процессами обусловлены экстремальные возмущения в межпланетном пространстве, магнитосфере Земли и потоках радиационного излучения.
Изучение спорадических явлений необходимо как для решения ряда фундаментальных задач, связанных с процессами накопления, освобождения и превращения в другие формы магнитной энергии, так и для разработки методов мониторинга и прогноза ” КОСМИ'ИЧ-КОЙ погоды ”.
Для решения указанной проблемы необходимы не только теоретические исследования. лабораторное и численное моделирование непосредственно механизмов освобо-ждения энергии, .чо и исследование целого комплекса явлений как сопровождающих данные процессы, так и предшествующие им или являющихся их следствием.
Немаловажное значение в этом аспекте имеют исследования вариаций функции распределения К'Л как галактического, так и солнечного происхождения, которые реагирую! па динамические процессы в межпланетном пространстве и могут быть использованы как источник информации об этих процессах. Изучение вариаций функции распределения КЛ перед спорадическими возмущениями СВ, в периоды этих возмущений
4
п п периоды солнечных протонных событий, комплексный анализ вариаций жесткост-»1014) спектра и анизотропии KJI совместно с информацией о солнечных источниках и о параметрах межпланетной среды представляет особый интерес для получения информации о структуре полей гелиосферы и ее динамике, о характере распространения КЛ и межпланетных полях и о механизмах спорадических процессов и ускорения частиц в солнечных вспышках.
Для изучения вариаций функции распределения галактических и солнечных КЛ (ГКЛ и СКЛ) необходима непрерывная регистрация интенсивности различных компонент КЛ на существующей мировой сети станций и применение специальных методик обработки данных, позволяющих использовать мировую сеть как единый многоканальный прибор.
Цель работы: Комплексный анализ вариаций жесткостного спектра и анизотропии КЛ, определяемых по данным наземных наблюдений на мировой сети станций, с вариациями параметров межпланетной среды. Исходя из цели работы, были поставлены
<. I еду к я щ ю задачи:
I. Разработка методов обработки данных наземных и стратосферных наблюдений для изучения наиболее характерных особенностей вариаций функции распределения КЛ в периоды Форбуш-эффектов.
1. Рассмотрение и разработка теоретических моделей модуляции, позволяющих связать вариации функции распределения КЛ с соответствующими характеристиками СВ.
Разработка метода сиектрографическй глобальной съёмки (СГС), позволяющего 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 изменениях планетарной системы жёсткостей геомагнитного обрезания (ЖГО) за каждый час наблюдений.
-I. Классификация событий, сопровождающихся значительными вариациями функции распределения КЛ на основе комплексного анализа информации, получаемой с помощью разработанного метода и данных прямых измерений параметров СВ и
5
МММ.
5. Изучение возможности мониторинга и прогноза ’’космической погоды” по данным наземных наблюдений КЛ на мировой сети станций.
Научная новизна работы
Анализ данных наземных наблюдений вариаций КЛ выполнен в диссертации с использованием оригинальных методов, позволяющих разделять наблюдаемые вариации на составляющие межпланетного и магнитосферного происхождения, учитывать геометрические факторы и дисперсию траекторий частиц различных энергий в магнитосфере Земли, исследовать вариации жесткостного спектра и анизотропии КЛ в межпланетном пространстве, а также получать информацию об ориентации ММП и об изменениях планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания.
(' помощью разработанных в диссертации методов получен ряд новых результатов о вариациях функции распределения КЛ в межпланетном пространстве и исследована их связь с параметрами межпланетной среды. Интерпретация полученных результатов производилась в рамках предложенного механизма модуляции КЛ за счет изменения энергии заряженных частиц при их движении в регулярных электромагнитных полях СВ различной геометрии.
Достоверность результатов диссертационной работы основана на сопоставлении информации, получаемой по данным о вариациях интенсивности КЛ, об ориентации ММП. об изменениях жесткости геомагнитного обрезания, о вариациях анизотропии п жесткостного спектра КЛ, с соответствующей информацией из независимых источников - спутниковых измерений ориентации и модуля ММП и временных профилей интенсивности низкоэнергичных частиц, а также с геомагнитной возмущенностью.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что с помощью разработанных методов и моделей удается по данным наземных наблюдений КЛ на мировой сети станций получать качественно новую информацию, позволяющую производить диагностику и прогноз электромагнитных и радиационных условий в гелиосфере и магнитосфере Земли на количественной основе.
6
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты исследований зависимости амплитуды модуляции КЛ от питч-угла частиц и ММ 11, позволившие обнаружить явление сильной питч-угловой анизотропии первичных КЛ в периоды Форбуш-понижений, характеризующееся дефицитом ча-сглц с большими питч-углами (двунаправленную анизотропию).
2. Механизм модуляции КЛ, обусловленный изменением энергии частиц при их дви-
жении в регулярных электромагнитных полях СВ.
3. Метод спектрографической глобальной съемки, позволяющий по наземным наблю-
дениям КЛ на мировой сети станций получать достоверную информацию о распре-делеиии первичных КЛ по энергиям и направлениям прихода об ориентации ММП и об изменениях планетарной системы ЖГО за каждый час наблюдений.
I. Результаты анализа вариаций функции распределения КЛ методом СГС, при различных возмущениях СВ и классификацию модуляционных эффектов, сопровождающихся значительными изменениями углового и энергетического распределения частиц в межпланетном пространстве.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и списка литературы. Общий объем - 122 с., рисунков - 23, библиография - 156 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложены актуальность задачи и цель исследований, ее научное и практическое значение, перечислены положения, выносимые на защиту, дано краткое содержание работы.
В первой главе обсуждается проблема извлечения информации из данных наземных наблюдений, связанная с решением обратной, некорректно поставленной задачи. Рассматривается уравнение вариаций интенсивности КЛ и методы определения на его основе энергетического спектра и углового распределения первичных КЛ. Дается критический анализ существующих методов изучения вариаций КЛ.
7
Во второй главе изложен спектрографический метод для изучения вариаций меж-гшангтиого и магнитосферного происхождения, разработанный в предположении, что жесткоетной спектр вариаций интенсивности 1-01, регистрируемых в отдельном пункте наблюдения, удовлетворительно описывается степенной зависимостью тг(я) = вп-\ где R - магнитная жесткость частиц, и существенно не искажается анизотропией в распределении частиц по направлению прихода.
Рассмотрены результаты исследований спектрографическим методом в периоды отдельных Форбуш-эффегсгов по данным наблюдений Саянского спектрографического комплекса. Показано, что имеются значительные вариации параметра жесгкостного спектра 7 (в пределах от 7 ~ 0 до 7 ~ 2 — 3) с суточным и полусуточным периодами.
Из сопоставления полученных вариаций Ж ГО (ARC) с Dst-индексом в периоды магнитных бурь показано, что корреляция между этими характеристиками магнитосферы не с голь значительна, как это следует из теории магнитосферных эффектов KJI, а параметры кольцевого тока, определенные по ДЯС и Dst-индексу, несколько отличаются от соответствующих значений, полученных другими методами. Указывается также па сунуттвованис корреляции между параметрами спектра вариаций (В,7) и параметром Д/?г (характеризующим изменения Ж ГО), определяемых из решения системы уравнений вариаций интенсивности КЛ.
На основании перечисленных обстоятельств сделан вывод о существовании в периоды Форбуш-эффектов анизотропии большой амплитуды в распределении КЛ по направлению прихода . Наличие такого рода анизотропии может обусловить значительные отклонения жесткостного спектра частиц (регистрируемых спектрографическим комплектом в отдельном пункте мировой сети) от степенного закона. При этом, слепень искажений будет зависеть от местного времени, что может привести к наблюдаемым периодичностям в поведении 7, корреляции между корнями решаемой системы уравнений (13 ,7, ARC) и, в целом, - к недостаточной достоверности получаемой информации.
Для более детального анализа характера анизотропии КЛ в периоды Форбуш-эффсктов проведена модификация спектрографического метода. В модифицированном методе жесткостной спектр вариаций КЛ задавался в более сложной форме, а
8
л п
именно- рядом степенных функций = Е В{ВГ^*,
1=1
С помощью модифицированного спектрографического метода по данным стратосферных измерений в Норильске, Мурманске, Долгопрудном, Мирном (Антарктида) и с использованием результатов расчетов траекторий движения частиц космического излучения в магнитосфере Земли исследована усредненная за длительные временные интервалы зависимость амплитуды модуляции КЛ в периоды Форбуш-эффектов от направления движения частиц в межпланетном пространстве. Показано, что существует зависимость амплитуды модуляции КЛ от питч-угла частиц в ММП. Наибольшей модуляции подвержены частицы с большими питч-углами (0 ~ 90, д = соз(0) ~ 0), наименьшей - движущиеся параллельно или антипараллельно магнитному полю ((1 ~ ±1). Амплитуда модуляции для частиц с ^ 0 в 1.5-2 раза больше, чем при ^ ±1. Анало-
гичные результаты были получены при изучении питч-угловой анизотропии в периоды Форбуш-эффектов по данным Саянского спектрографа. Кроме того, в результате этих исследований получена информация о поведении во времени среднесуточных значений амплитуд первой и второй гармоник питч-углового распределения КЛ и информация об ориентации ММП, удовлетворительно согласующаяся с информацией, получаемой по измерениям на ИСЗ. Последнее обстоятельство является дополнительным подтверждением достоверности полученных результатов по питч-угловой анизотропии КЛ бол мной ямпл итуды.
Таким образом, в результате проведенных исследований обнаружено явление сильном анизотропии в распределении КЛ по питч-углам в ММП. Характерной особенностью исследуемой анизотропии является наличие второй гармоники большой амплитуды ( ~ 3 — 5%) в питч-угловом распределении ЮТ.
Сделан вывод, что обнаруженное явление анизотропизации КЛ в периоды Форбуш-эффектов указывает на относительно слабое рассеяние частиц полями СВ, а, следовательно, и на иную, по сравнению с конвективно-диффузионной моделью, природу модуля ционных эффектов.
В третьей главе сделан обзор результатов прямых измерений на ИСЗ и КА параметров СВ и ММП и изложены основные положения конвективно-диффузионной модели
9
модуляции КЛ солнечным ветром. Указано на существующие трудности интерпретации с позиций данной модели ряда наблюдаемых фактов, в том числе и сильной анизотропии и распределении КЛ по питч-углам в ММП в периоды Форбуш-понижений.
В качестве альтернативной модели предложена модель модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями СВ. В рамках дрейфового приближения показано, что при движении в регулярном спиралевидном межпланетном магнитном поле при однородности и стационарности СВ заряженные частицы космического излучения, наряду с движением вдоль поля и дрейфом под действием индуцированного электрического поля, дрейфуют антипараллельно направлению данного электрического поля и, в результате этого, теряют часть своей кинетической энергии. Дрейф в указанном направлении обусловлен двумя причинами: во-первых, кривизной силовых линий (центробежный дрейф) и, во-вторых, наличием нормальной по отношению к силовой линии компоненты градиента поля (магнитный или градиентный дрейф).
Рассмотрено кинетическое уравнение в дрейфовом приближении и из его решения получен спектр вариаций КЛ в зависимости от напряженности ММП для стационарных условий, т.е. при потенциальном электрическом ноле. Для интерпретации обнаруженного явления анизотропии большой амплитуды в распределении КЛ по питч-углам в ММП в периоды Форбуш-понижений предложена модель модуляции в коротирующих магнитных ловушках, образованных разноскоростными потоками СВ. Методом Монте-Карло промоделирован обращенный во времени стохастический процесс распространения частиц в фазовом пространстве.
В результате расчетов получено:
а) при движении в полях коротирующих крупномасштабных структур СВ заряженные
частицы, в зависимости от местоположения и питч-угла в ММП, могут как замедляться, так и ускоряться, однако, в среднем по лопушке они теряют часть своей энергии, что и обусловливает модуляцию КЛ в структурах подобного типа;
б) понижение интенсивности КЛ (с обязательной анизотротизацией) возможно только
в том случае, когда длина транспортного пробега Л превышает размеры ловушки. В противном случае наблюдается увеличение интенсивности. Внутри ловушки в
10