2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение..........................................................................4
Глава 1. Методические вопросы анализа экспериментальных данных по релятивистским
СКЛ. Траекторные расчёты...........................................................13
1.1 Характеристики потока релятивистских солнечных протонов. Профили возрастания скоростей счёта нейтронных мониторов в событиях релятивистских СКЛ..............13
1.2. Модель наземного возрастания скорости счёта нейтронного монитора............17
1.3. Учёт барометрического эффекта при анализе событий РСП.......................19
1.4. Методика траекторных расчётов в диапазоне больших жесткостей................20
1.5. Влияние магнитосферных возмущений на движение частиц. Применение различных моделей геомагнитного поля. Роль магнитного поля хвостовых токовых систем. ..............................................................................25
Заключение первой главы.............................................................30
Глава 2. Квазппериодическое движение протонов диапазона жесткостей пенумбры в геомагнитном поле...................................................................32
2.1. Пенумбра космических лучей. Методика траекторных расчётов в диапазоне пенумбры......................................................................32
2.2. Асимптотические направления в диапазоне пенубры: эффект расфокусировки, случайный характер, единая область распределения..............................35
2.3. Морфологические особенности траекторий протонов в диапазоне жесткостей пенумбры и их объяснение на основе анализа движения частиц в поле диполя........................................................................45
2.4. Структура пенумбры. Её сверхтонкий вероятностный характер..................51
2.5. Неустойчивость квазипериодического движения в диапазоне пенумбры. Абсолютные критерии захвата при расчёте порогов геомагнитного обрезания.......54
Заключение второй главы............................................................61
3
Глава 3. Вероятностная модель возрастания скорости счета нейтронного монитора во время
солнечных протонных событий..........................................................62
3.1. Детерминированная модель наземных возрастаний и её критическая оценка в свете современных исследований пенумбры..............................................62
3.2. Вероятностная модель наземных возрастаний. Оценка математического ожидания
вклада пенумбры в скорость счёта нейтронного монитора.............................64
3.3 Численное решение задачи восстановления характеристик релятивистских солнечных протонов по данным наземных возрастаний.................................68
Заключение третьей главы........................................................... 69
Глава 4. Характеристики релятивистских солнечных протонов, полученные с помощью модели наземных возрастаний..........................................................71
4.1. Событие 29 сентября 1989 года................................................71
4.2. Событие 7-8 декабря 1982 года................................................90
4.3. Событие 2 мая 1998 г.........................................................97
Заключение четвёртой главы..........................................................103
Заключение..........................................................................105
Список литературы...................................................................107
4
ВВЕДЕНИЕ
Релятивистские солнечные протоны (РСП) - частицы, генерация которых происходит на Солнце во время мощных солнечных вспышек. Регистрация РСП производится, в основном, детекторами, расположенными на поверхности Земли. В связи с этим, события, в которых наблюдаются РСП, получили название GLE (Ground Level Enhancements). Впервые возрастания скоростей счёта наземных детекторов (ионизационных камер), связанные с релятивистскими солнечными протонами, были зарегистрированы 28.02.1942 и 7.03.1942/1-4/.
РСП, рожденные в солнечных вспышках, распространяются к Земле в межпланетном магнитном поле (ММП). Перед попаданием в детектор на поверхности Земли эти частицы должны пройти через магнитосферу, а затем и атмосферу, где они образуют потоки вторичных частиц /5,6,7/. Таким образом, характеристики регистрируемых наземными детекторами вторичных частиц несут на себе отпечаток не только условий генерации во вспышках на Солнце, но и распространения в ММП, магнитосфере и атмосфере Земли. В связи с этим, исследование релятивистских солнечных протонов является многоплановой проблемой, затрагивающей вопросы физики Солнца, а также межпланетной среды, магнитосферы и атмосферы Земли /8-12/.
В начальный период изучение РСП проводилось с использованием приборов, предназначенных для регистрации р-мезонной компоненты вторичных космических лучей. Число станций было мало, и полученных данных было недостаточно для точного определения характеристик РСП. В последующие годы происходило бурное развитие экспериментальной техники. Приборы для исследования космических лучей начали устанавливать не только на поверхности земли, но и на баллонах, ракетах и космических аппаратах, что привело к резкому увеличению потока информации о солнечных космических лучах. Наступила эра непрерывной комплексной регистрации космических лучей. Именно этот качественный скачок позволил составлять систематические каталоги солнечных протонных событий /13-16/, которые включали в себя не только данные наблюдений частиц, но и ценную информацию по характеристикам сопутствующих электромагнитных излучений. Несмотря на то, что к настоящему времени получено большое количество данных об энергетическом и пространственно - угловом распределении частиц в событиях РСП, отсутствует ясность в ряде вопросов, связанных с
5
этими частицами. Вполне понятно, что «мера неясности», при прочих равных условиях, растёт с удалением от детектора. Оживлённые дискуссии и по сей день, например, вызывает проблема механизмов ускорения частиц во вспышках на Солнце. Недостаточно изученными остаются и закономерности движения энергичных солнечных частиц в магнитосфере Земли. Именно это, в первую очередь, обусловливает широкое привлечение методов исследования, связанных с моделированием процессов генерации, ускорения и распространения РСП, которые, с одной стороны, базируются на экспериментальных измерениях потоков солнечных протонов, а с другой - подключают к решению задач мощный аппарат теоретического анализа.
В полной мере высказанное соображение относится к таким приборам, как нейтронные мониторы. Нейтронный монитор - это прибор, обладающий высокой статистической точностью. Вместе с тем, он регистрирует не первичные протоны вспышек, а вторичные нейтроны, генерируемые в атмосфере Земли /17-20/. Поэтому получение количественных характеристик первичных частиц (т. е. релятивистсских солнечных протонов) но данным нейтронных мониторов требует привлечения развитых методов численного моделирования.
Проблема определения характеристик РСП за пределами атмосферы и магнитосферы Земли традиционно подразделяется на несколько отдельных задач -первичную обработку данных (прежде всего, это коррекция на барометрический эффект), моделирование процессов образования вторичных частиц в атмосфере, моделирование распространения релятивистских протонов в магнитосфере, общий анализ наземных возрастаний с привлечением результатов, полученных на всех промежуточных этапах. Методы анализа на каждом из этих этапов отличаются большой сложностью и являются, обычно, итогом целого ряда соответствующих работ. Вес это, до последнего времени, ограничивало возможности исследования РСП тем больше, чем «дальше» от детектора находилась область локализации интересующих нас процессов. Например, судить о спектральных и пространственно-угловых характеристиках РСП за магнитосферой Земли по данным нейтронных мониторов до недавнего времени можно было скорее на качественном, чем на количественном уровне.
В последние годы, резко возросшая мощность современных компьютеров изменила ситуацию. Становятся принципиально доступными задачи, решение которых (как и сама разработка методов и подходов к их решению) ранее было невозможно. В первую очередь это относится к проблеме количественного решения задачи восстановления характеристик
6
РСП за пределами атмосферы и магнитосферы Земли по показаниям наземных детекторов /21,22/.
С математической точки зрения речь идёт о решении методами оптимизации обратной некорректной задачи /23, 24/. Именно это делает всю наземную сеть станций нейтронных мониторов интегральным прибором, позволяющим определить характеристики РСП за пределами влияния магнитного поля Земли или за сё условной границей -магнитопаузой. Полученные таким образом параметры РСП могут стать количественной основой для исследования процессов генерации этих частиц на Солнце и распространения их в межпланетной среде. Настоящая работа является существенным вкладом в решение этой проблемы. В некотором смысле, в ней происходит «повторное» обращение к ряду считавшихся хорошо изученными проблем физики космических лучей. В первую очередь, это относится к тому классу задач, решение которых сдерживалось недостаточной мощностью вычислительной техники. Например, это исследованные в работе особенности движения РСП в магнитосфере в диапазоне жесткостей пенумбры. На основе полученных в данной работе результатов была разработана принципиально новая модель отклика наземных детекторов на приход РСП к Земле во время солнечных протонных событий и методы её численного исследования как математического объекта. Полученный метод, в свою очередь, был использован при анализе ряда конкретных событий с релятивистскими солнечными протонами. Все исследования РСП в рамках данной работы тематически объединяет разработанный и реализованный в практическом анализе метол количественного решения задачи восстановления характеристик РСП за пределами магнитосферы Земли по данным наземных детекторов.
Цель работы
Цслыо работы являются модельные исследования движения релятивистских солнечных протонов (РСП) в магнитосфере Земли и решение, на основе этих исследований, проблемы восстановления их характеристик по показаниям наземных детекторов.
В связи с этим, в процессе работы решались следующие задачи:
- сравнительный анализ использования различных моделей магнитного поля Земли при расчете траекторий энергичных солнечных протонов;
- изучение влияния магннтосферных возмущений на асимптотические конусы приёма станций;
7
- исследование движения протонов диапазона жесткостей пенумбры в магнитосфере Земли;
- исследование вопроса об устойчивости квазизахвата для жесткостей пенумбры в реальном геомагнитном поле; а также определение количественного критерия захвата при расчете геомагнитных порогов обрезания;
- разработка модели наземных возрастаний, учитывающей стохастический характер движения протонов в диапазоне жесткостей пенумбры и гипотезу двунаправленной анизотропии РСП в межпланетном магнитном поле;
- разработка методов численного моделирования отклика наземных детекторов на поток РСП за пределами магнитосферы, использующих данные наблюдений мировой сети станций;
- получение подробной динамики характеристик РСП в солнечных событиях и сё анализ. Содержание роботы.
Диссертация состоит из Введения, четырёх глав и Заключения.
В 1-й главе, в основном, рассматриваются методические вопросы, связанные с определением и анализом характеристик солнечных релятивистских протонов по данным нейтронных мониторов. Прежде всего, это вопросы, относящиеся к классике модельных исследований РСП - траекторным расчётам в диапазоне больших жесткостей (превышающих значение жёсткости главного конуса). Описана реализованная в работе методика траекторных расчётов - система физических допущений, сформированный на основе их математический объект (система уравнений), метод решения, использованные модели магнитного поля, применяемая модель магнитопаузы и т. п.
Проводится сравнительный анализ использования различных моделей магнитного поля в условиях возмущения. Рассматривается влияние возмущения на асимптотические конусы приёма наземных станций.
Сделан важный методический вывод о необходимости адекватного описания хвостовых токовых систем при определении характеристик РСП на основе моделирования наземных возрастаний.
2-я глава посвящена исследованию движения в магнитосфере протонов с жесткостями из диапазона пенумбры. Траектории протонов в этом диапазоне жесткостей отличаются большой протяжённостью и сложностью. Исторически это ограничивало
8
систематические модельные исследования в этой области. Возросшие мощности вычислительной техники позволили п рамках данной работы провести исследование траекторий протонов в диапазоне пенумбры на новом уровне.
Описана морфология квазипериодического движения в реальном поле (не чисто дипольном, а учитывающем внешние источники поля). Были получены результаты, имеющие принципиальное значение в физике космических лучей. Это утверждение относится, например, к выводу о стохастическом характере асимптотических направлений (как и траекторий протонов, асимптотических конусов приёма, структуры иенумбрыи т. п.) в данном диапазоне, обусловленном стохастичностью слабых флуктуаций магнитного поля. Именно поэтому далее пересматривается принятая ранее методика оценки вклада пенумбры в счет нейтронного монитора и делается переход к оценке математического ожидания соответствующих величин.
В главе исследуются вопросы устойчивости квазизахвата в реальном поле. Решить эти вопросы для поля, учитывающего внешние источники поля, можно лишь численным путём. Результатом исследований в этом направлении явились дифференциальные и интегральные зависимости времени пребывания частиц в открытой геомагнитной ловушке для разных станций. Показано существование асимптоты в интегральном распределении времени квазизахвата частиц. На основании этого предлагаются абсолютные критерии захвата при вычислении геомагнитных порогов.
В 3~й главе описана предложенная в настоящей работе модель наземных возрастаний (откликов наземных детекторов на поток РСП за магнитосферой).
Модель эта была разработана в результате новых исследований распространения протонов в магнитосфере. Прежде всего, это относится к диапазону жесткостей пенумбры. Эффекты квазизахвата в этом диапазоне, как показывает исследование, заставляют отказаться при оценке вклада в скорость счета нейтронного монитора от детерминированного подхода и диктуют взгляд на ряд характеристик частиц с позиций стохасгичности. Поэтому был предложен способ оценки математического ожидания вклада диапазона пенумбры в скорость счёта нейтронного монитора.
В главе также описана применённая в исследованиях осесимметричная модель двух противонаправленных источников протонов с независимыми питч-угловыми и спектральными характеристиками. Предложен способ решения получаемых систем условных уравнений на основе методов безусловной оптимизации.
9
В 4-й главе проводится анализ ряда солнечных событий на принципиально носом качественном уровне с помощью численного решения задачи восстановления характеристик РСП за пределами магнитосферы по показаниям наземных детекторов.
В первом разделе проводится анализ самого мощного за последние 45 лет события РСП, которое произошло 29 сентября 1989 года. В результате решения методами оптимизации обратной некорректной задачи были получены характеристики РСП для 17 моментов времени. Это позволило детально изучить динамику спектров и питч-угловых характеристик РСП. В частности, примерно через час после начала события обнаружилось качественное изменение спектральных характеристик протонов, что свидетельствует в пользу гипотезы о двух генерациях частиц - быстрой и медленной. Путем моделирования проверена гипотеза о двунаправленной анизотропии РСП в межпланетном магнитном поле и оценены параметры двух противонаправленных потоков частиц. В данном разделе также проводится обсуждение пространственной «предсказательной» способности модели для тех участков земного шара, где станции нейтронных мониторов отсутствуют.
Во втором разделе главы проводится анализ события 7-8 декабря 1982 года. Результатом исследования, в первую очередь, стал детальный анализ динамики характеристик РСП на протяжении события. Особенностью анализа является то, что он проводился с привлечением двух разных моделей магнитного ноля - модели Цыганенко 1989 года и эмпирической модели Остапенко - Мальцева 1997 года. В разделе исследуются также чисто методические вопросы устойчивости решения (т.е. характеристик РСП) по отношению к различным представлениям магнитного поля.
В заключительном разделе четвертой главы проводится анализ события 2 мая 1998 года. Оно происходило на фоне Форбуш-эффекта и характеризовалось относительно небольшими возрастаниями на нейтронных мониторах. На основании сопоставления профилей возрастания и рассчитанных асимтотических конусов приёма проводится анализ эффектов анизотропии и предлагается модель данного события.
В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
Научная новизна.
1 .Впервые с помощью траскторных расчетов исследована морфология квазипериодического квазидрейфового движения протонов в диапазоне жесткостей пенумбры в модельном
- Київ+380960830922