Космические лучи в магнитосфере Земли как фактор космической погоды

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................4
ГЛАВА 1 МЕТОДЫ ПРОСЛЕЖИВАНИЯ ТРАЕКТОРИЙ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ЖЕСТКОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ОБРЕЗАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В РЕАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ МАГНИТОСФЕРЫ..........................................................................14
1.1 Метод прослеживания траекторий....................................................14
1.1.1 Характеристики заряженных частиц в магнитном поле................................14
1.1.2 Магнитосфера Земли...............................................................14
1.1.3 Магнитные бури...................................................................15
1.1.4 Индексы геомагнитной активности Об! и Кр.........................................16
1.1.5 Главное магнитное поле Земли от внутренних источников. Коэффициенты Гаусса 17
1.1.6 Движение заряженных частиц в магнитном поле Земли и численные методы расчета их траекторий....................................................................20
1.2 Описание моделей магнитного поля магнитосферы Цыганенко 1989,1996,2003 и 2005 гг.. 26
1.2.1 Модели магнитного поля магнитосферы..............................................26
1.2.2 Модель Цыганенко 1989 г. Ц89.....................................................27
1.2.3 Модель Цыганенко 1996 г..........................................................28
1.2.4 Модели Цыганенко Тэ01 (2003 г.) и Тэ04 (2005 г.) для сильно возмущенной
магнитосферы...........................................................................31
ГЛАВА 2 РАСЧЕТЫ ЖЕСТКОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ОБРЕЗАНИЯ В МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА ВДОЛЬ МАРШРУТА АНТАРКТИЧЕСКОЙ ЭКСПЕДИЦИИ...................................34
2.1 Широтный эффект в космических лучах..................................................34
2.1.1 Важность получения точных данных широтных исследований КЛ...................... 34
2.1.2 Широтные исследования: маршрут и основные результаты.............................35
2.1.3 Эффективные жесткости обрезания КЛ для разных зенитных и азимутальных углов прихода частиц КЛ в точки местонахождения судна вдоль маршрута.............. 44
. 2.2 Влияние угла наклона прихода космических лучей на их пороговые жесткости.^'.:::....:.49 *
$$ ‘ 2.3 Спектр и ширина пенумбры для наклонно падаюий^КЛ
2.4 Истинные жесткости обрезания вдоль маршрута корабля и функции связи.........:?....61
2.4.1 «Истинные» жесткости обрезания и их расчет.......................................61
2.4.2 Расчеты истинных жесткостей обрезания в реальном геомагнитном поле вдоль маршрута корабля из Антарктики в Италию с учетом результатов траскторных расчетов для наклонных направлений...................................................................64
ГЛАВА 3 МАГНИТОСФЕРНЫЙ ЭФФЕКТ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПЕРИОД ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ, НАБЛЮДАВШИХСЯ НА РАЗНЫХ ФАЗАХ СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА
.......................................................................................... 69
• 3.1 Исследование геомагнитных порогов в период трех умеренных магнитных бурь в минимуме и на фазе подъема солнечной активности...............................................70
3.1.1 Расчеты жесткостей обрезания КЛ в магнитном поле моделей Ц89 и Ц96 для умеренно возмущенных условий...........................................................70
3.1.2 Изменения эффективных жесткостей обрезания и их связь с межпланетными параметрами.......................1......................................... 72
■ 3.1.3 Исследование возможности использования данных по космическим лучам для тестирования моделей магнитосферного магнитного поля............................78
3.2 Изменения теоретических геомагнитных порогов в магнитном поле модели Тз01 (ЦОЗ) и экспериментальных порогов в период четырех магнитных бурь..........................83
83 84«:
Буря 18-24 ноября 2003 г. 88
3.2.4 Бури 7-13 ноября 2004 г.......................................................101
3.2.5 Буря 15-19 мая 2005 г........................................................110
3.3 Сравнение моделей Т$01 и Тб04 на примере сильной бури 18-24 ноября 2003 г.114
3.3.1 Связь теоретических геомагнитных порогов с экспериментальными порогами 117
3.3.2 Корреляция теоретических порогов с ОзСвариацией и межпланетными параметрами. 119
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................125
ЛИТЕРАТУРА.......................................................................126
3
ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена расчетам жесткостей обрезания галактических космических лучей в магнитосфере Земли, находящейся в условиях различной возмущенности на разных фазах солнечного цикла и исследованию связи полученных результатов с параметрами солнечного ветра и Оь^вариацией.
Астуальность темы
Изменения структуры и интенсивности магнитных полей магнитосферы Земли под влиянием солнечного ветра при изменении солнечной активности приводят к возникновению вариаций космических лучей, наблюдаемых на Земле. Космические лучи являются чувствительным зондом, прощупывающим магнитные условия в тех областях пространства, через которые они проходят и наряду с данными прямых измерений на космических аппаратах и спутниках являются весьма важными источниками информации о магнитных полях. В результате наблюдаемая на поверхности Земли интенсивность КЛ связана с процессами на Солнце и в межпланетном пространстве, а также в маг нитосфере и атмосфере Земли.
С ростом числа работающих в космосе спутников и космических аппаратов стало ясно, что сбои и отказы в работе аппаратуры космических систем не всегда можно отнести * к чисто техническим неполадкам, существенную роль играют’изменения.так называемой
I
космической погоды, т.е. условия на Солнце, в солнечном ветре, в магнитосфере, ионосфере и термосфере, которые могут влиять на надежность работы технологических систем космических аппаратов, технологических систем на Земле, а также создавать угрозу жизни и здоровью людей на Земле и в космосе. [1]. Запуск и рабога космических аппаратов в космосе стоит очень дорого, поэтому предсказание опасных для их работы периодов и разработка способов предотвращения потери спутников имеет огромное практическое значение. В настоящее время ведутся активные исследования космической погоды и проводятся регулярные конференции с обсуждением проблем ее прогноза. Однако пока не создано удовлетворительной модели и не найден такой ряд ключевых параметров, по которым можно было бы прогнозировать достаточно уверенно изменения космической погоды, поэтому исследования потоков высокоэнергичных и Л низкоэнергичных14 частиц, > магнитных ' полей . и «потоков 41 плазмы солнечного >' ветра 1 в
ч, <• ". - < • \ ; V-1' }■ < V;
межпланетном и околоземном пространстве являются очень важными.
Космические лучи являются важным фактором космической погоды, так как с одной стороны могут непосредственно влиять на свойства материалов и технологических систем. Например, повышенные потоки солнечных космических лучей вызывают ускоренное старение солнечных батарей на космических аппаратах или могут вывести из строя ячейки памяти бортового компьютера.
С другой стороны они могут служить в качестве удаленного зонда, так как поток частиц КЛ, модулированный магнитными полями солнечного ветра (СВ), которые генерируются на Солнце, приходит на Землю задолго до прихода самого возмущения. Например, есть основания полагать, что так называемые предпонижения и предповышения в интенсивности КЛ, которые наблюдаются за несколько часов до эффекта Форбуша, могут быть использованы для предсказания начала геомагнитных бурь, связанных с корональными выбросами плазмы Солнца.
Наиболее сильные эффекты космической погоды связаны с геомагнитными бурями, во время которых возмущение от Солнца возбуждает магнитосферно-ионосферную систему токов и приводит к ее усилению, изменениям магнитного поля в магнитосфере и на поверхности Земли, и соответственно, к изменениям в асимптотических направлениях прихода частиц КЛ и их жесткостей обрезания. Все это порождает магнитосферные
'> * • -с-г.’ Л«“....'* ; •.• •• ' '! /
^ вариации КЛ,. которые необходимо учитывать'при исследовании вариации галактического и солнечного происхождения. В настоящее время магнитосферные вариации К Л могут быть получены главным образом на основе теоретических расчетов геомагнитных порогов КЛ в магнитном поле той или иной модели магнитосферы.
Поскольку геомагнитное поле является своеобразным спектрометром, не пропускающим к поверхности Земли частицы с энергией ниже некоторого порога (жесткости геомагнитного обрезания), то при исследовании вариаций галактических космических лучей по данным наземных измерений КЛ необходимо учитывать вариации магнитосферного происхождения. Влияние магнитосферы отражается, прежде всего, в изменениях жесткости геомагнитного обрезания, важность расчета которых определяется их теоретическим и практическим значением.
В связи с возникшей в недавние годы проблемой потепления климата Земли активно V, ведутся поиски механизма влияния солнечных и геофизических событий на околоземную лсреду. Установлена корреляционная связь изменений глобальной температуры на Земле с числом солнечных протонных событий и геомагнитных бурь, во время которых
изменяются жесткости геомагнитного обрезания, а значит, и потоки заряженных частиц КЛ [2] Исследования динамики магнитосферных эффектов КЛ может помочь в разработке механизма влияния космических лучей на погоду и климат.
Для определения и прогноза уровня радиационной опасности на обитаемых космических аппаратах и самолетах очень важны расчеты изменений геомагнитных порогов на основе последних современных моделей магнитною поля магнитосферы Земли для разных уровней возмущенности в солнечном ветре на разных фазах солнечного цикла [1].
В последние годы появился интерес к исследованию магнитосферных вариаций в возмущенные периоды, оживившиеся в связи с наблюдавшимися выдающимися возмущениями в солнечном ветре и межпланетной среде в период 23 солнечного цикла [3,4].
Кроме того, сравнение жесткостей обрезания, рассчитанных в модельных нолях с жесткостями обрезания, полученными па основе экспериментальных данных КЛ, дает возможность судить о степени приближения к реальности моделей магнитного поля магнитосферы.
Цель работы
' :Ж, ^ Целью »данной « диссертационной•/ работы является* определение; • и* исследование
величины и динамики вариаций жесткостей геомагнитного обрезания галактических космических лучей в магнитных нолях моделей магнитосферы, построенных по эмпирическим данным, в спокойные периоды, во время умеренно и экстремально сильных магнитосферных возмущений на разных фазах солнечного цикла, а также их связи с Цб1-вариацией и параметрами солнечного ветра.
Основные задачи исследования:
I. Провести расчеты жесткостей геомагнитного обрезания в модельных магнитных полях магнитосферы с учетом внутренних и внешних источников магнитного поля в период минимума солнечного цикла, необходимых для интерпретации широтных измерений интенсивности КЛ и более точного определения коэффициентов связи между первичными и вторичными потоками космических лучей.
нескольких магнитных бурь, наблюдавшихся на разных фазах солнечного цикла, и
исследовал», как отражаются параметры солнечного ветра в рассчитанных теоретических и экспериментальных геомагнитных порогах.
3. Провести сравнение динамики возмущенных геомагнитных порогов космических лучей в магнитных полях разных моделей магнитосферы, построенных на основе экспериментальных магнитных данных, с экспериментальными геомагнитными порогами, полученными по данным мировой сети станций космических лучей.
Научная новизна работы
1. Были получены жесткости обрезания КЛ в магнитных полях моделей магнитосферы Цыганенко (1989, 1996, 2003 и 2005 гг.) для большого диапазона широт и уровней геомагнитной активности. Жесткости обрезания КЛ, рассчитанные для эпохи минимума солнечной активности (1996-1997 гг.) для модели Цыганенко 1989 г., были использованы для интерпретации данных широтных измерений КЛ и позволили получить более точные коэффициенты связи между первичными и вторичными потоками КЛ.
2. Проведены комплексные исследования теоретических и экспериментальных геомагнитных порогов КЛ: различных моделей магнитосферы, проанализирована их связь с ОзЬвариациями и с параметрами солнечного ветра.
3. Исследована возможность использования данных но космическим лучам для
тестирования моделей магнитосферного магнитного попяМрг&Уж ;к "
Защищаемые положения и результаты
1. С помощью составленной и отлаженной автором программы определены
асимптотические направления и жесткости обрезания как вертикально, так и наклонно падающих космических лучей на разных фазах солнечного цикла при различных уровнях возмущений магнитосферы в магнитных полях ряда эмпирических моделей магнитосферы в большом интервале широт.
2. Исследована связь геомагнитных порогов с КЫ-вариацией и параметрами
солнечного ветра (Вг, Ву ММП, плотность и скорость солнечного ветра). Показано, что основной вклад в вариации геомагнитных порогов вносит ОБ^вариация, уровень корреляции их с Ву, Вг ММП, с плотностью и скоростью солнечного ветра сильно варьирует от бури к буре.
Р ,,3. ,, Сопоставлены теоретические , и экспериментальные *. пороги, # что;... дает
возможность судить о степени приближения к реальности той или иноимодели магнитного поля магнитосферы, так как частицы КЛ несут информацию в целом о
магнитном поле, а сравнение модельного поля с непосредственными измерениями поля на спутниках возможны только в отдельных точках или в ограниченном объеме полета спутников.
Практическая значимость работы
1. Рассчитанные жесткости обрезания необходимы для интерпретации широтных измерений интенсивности КЛ и более точного определения коэффициентов связи между первичными и вторичными потоками космических лучей.
2. Установленная в работе связь жесткостей обрезания КЛ, рассчитанных в широком диапазоне широт, а также для разных уровней геомагнитной возмущенности, и для различных состояний солнечного ветра, с Оз1-вариацией и параметрами солнечного ветра, выявление роли отдельных токовых систем магнитосферы в вариациях геомагнитных порогов— вес это может быть использовано для прогноза радиационной обстановки в космическом пространстве и прогнозировании космической погоды на Земле.
3. На современном этапе исследование вариаций космических лучей приобретает также весьма большое значение для других областей науки. Например, по последним данным космические лучи являются источником, эффективно воздействующим на физико-химические процессы в атмосфере, в частности, отмечен ряд случаев, когда в
1, 1 ’ I. • * * 1 * > 1 ****** » г ^ ' •» 1
VI полярных* шапках во>, время''солнечных; протонных ‘событии-: наблюдалось * истощение ,
\ ж > , • ¥.\ > ' у ‘ • # * • I ' , ' * « , |, «• V 61 V V И
озонового слоя, который играет весьма существенную роль в атмосферных процессах.
4. В последние годы в связи с проблемой потепления на Земле активно ищут механизмы влияния солнечных и геофизических событий на околоземную среду. В этом аспекте очень важны исследования изменений геомагнитных порогов, которые приводят к перераспределению потоков заряженных частиц КЛ в магнитосфере, поэтому исследования динамики магнитосфсрных эффектов КЛ может помочь в разработке механизма влияния космических лучей на погоду и климат.
5. С теоретической точки зрения очень важны расчеты изменений геомагнитных порогов на основе последних современных моделей магнитного поля магнитосферы Земли для разных уровней возмущенности в солнечном ветре на разных фазах солнечного цикла, так как позволяют ввести поправки на вариации магнитосферного происхождения при
. ■ исследовании вариаций ГКЛ. в гелиосфере (определение первичных энергетических
с',-11ч,г,V.*,1,.1 Л1"*’'1-МУ. * спектров КЛ и их анизотропии в гелиосфере). г ’ 1 ч 4
6. Кроме того, сравнение жесткостей обрезания, рассчитанных в модельных полях с жесткостями обрезания, полученными на основе экспериментальных данных KJI, позволяет судить о степени приближения к реальности моделей магнитного поля магнитосферы.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 52 научных работы, 24 из которых в ведущих реферируемых научных изданиях.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 8 Всесоюзных и Всероссийских конференциях по космическим лучам в 1988, 1991, 1993, 1997, 2005, 2007, 2009 и 2010 гг.; на 7 Международных конференциях по КЛ в 1985 (Калифорния), 1987 (Москва), 1990 (Австралия), 1995 (Рим), 1997 (Дурбан), 1999 (Солт-Лейк-Сити), 2001 (Гамбург); а также на генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза (EGS) в Ницце в 2002 и 2003гг.; на конференции «Климатические и экологические аспекты солнечной активности» (Пулково, 2003); Всероссийской конференции «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогсофизичсской активности» (Москва - Троицк,
2006); на 6оП Международной конференции по проблемам геокосмоса (Пстродворец 2006); \ на ' 11°? ('Пулковской ’-международной .• конференции ^«Физическая1*, природа ► солнечной
активности и прогнозирование се геофизических проявлений» (С-Пстсрбург-Пулково,
2007); русско-болгарской конференции “Fundamental Space Research” (Болгария 2008); Всероссийской ежегодной конференция по физике Солнца «Солнечная и солнечно-земная физика» (Пулково, 2009 и 2011); EGU General Assembly 2010 (Vienna, Austria); 38th Scientific Assembly of the Committee on Space Research (Bremen, Germany, 2010); 28th IUGG Conference on Mathematical Geophysics CMG «Modelling Earth Dynamics: Complexity, Uncertainty and validation» (Pisa, 2010).
Личный вклад автора
Личный вклад Даниловой О. А. в получение научных результатов использованных в
• î
данной работе заключается в подготовке и отладке программ для расчета асимптотических направлений и жесткостей обрезания космических лучей, в обработке полученных , результатов, * построении . графиков, диаграмм. Диссертанту, принадлежит лидирующее ! авторство в выборе методов и решении поставленных задач научного исследования. Все результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы. Кратко описано содержание глав.
В 1-й части 1-й главы дано определение жесткости заряженной частицы КЛ, описано строение магнитосферы и приведены данные о природе геомагнитных бурь. Затем рассматривается метод траекторных расчетов. Приводится уравнение движения заряженных частиц в магнитном иоле, и обсуждаются методы его решения. Описывается метод Рунге-Кутга 4го порядка в модификации Гилла. Обсуждается задача выбора шага интегрирования и проверки сходимости решения. Расчет траекторий проводится с помощью интегрирования уравнений движения частицы с массой протона, но обратного знака, выпущенной вертикально от границы атмосферы (с высоты в 20 км) над данной станцией.
Вторая часть 1-й главы посвящена выбору и описанию моделей магнитного поля магнитосферы, поскольку от модели зависит точность конечного результата при получении асимптотических направлений и жесткостей обрезания космических лучей. В ^ настоящее время широко используются эмпирические модели магнитосферы, которые
основываются как на теоретических представлениях о динамических процессах в { магнитосФсРе>' так 'и 'на, данных }прямых 'измерений!магнитного Iполя /приборами»на космических аппаратах. Хорошо подходят для траекторных расчетов модели магнитосферного поля Цыганенко, которые автор данной работы использовал по мере их создания.
Во второй главе приведены и проанализированы результаты расчетов жесткостей геомагнитного обрезания и асимптотических направлений космических лучей в минимуме солнечного цикла вдоль маршрута Итальянской Антарктической экспедиции. Эти результаты были необходимы для получения достоверной широтной кривой интенсивности частиц КЛ и для дальнейшего использования этих данных при определении коэффициентов связи между первичными и вторичными потоками космических лучей, наблюдаемыми на поверхности Земли, а, также для изучения спектральных изменений КЛ в течение солнечного цикла.
V . \ * Во время Итальянской Антарктической экспедиции 1996-1997 гг. были выполнены
V' г широтные измерения нейтронной компоненты КЛ. Период измерений (с-20 декабря 1996 года но 26 марта 1997 года) пришелся на эпоху минимума солнечной активности,
10
когда маловероятны глобальные возмущения межпланегной среды и магнитосферы, что очень важно при определении функций связи.
Жесткости обрезания рассчитывались методом прослеживания траекторий для каждого дня экспедиции (96 точек но пути следования корабля к берегам Антарктиды и обратно) через каждый час в течение суток с точностью 0,001 вУ. В результате получены среднесуточные значения жесткостей обрезания КЛ и амплитуды их суточных вариаций. Построена зависимость от широты разностей между среднесуточными значениями жесткостей обрезания вертикально падающих космических лучей, полученных в модельном магнитном поле Цыганенко 89, и жесткостей обрезания в главном геомагнитном поле эпохи 1996.0 и 1997.0.
Также получена зависимость амплитуды суточной вариации жесткостей обрезания КЛ от широты места наблюдения. Кроме того, был оценен вклад учета внешних источников геомагнитного поля в полученные жесткости обрезания и их суточную вариацию. Если учесть, что спектр солнечных частиц во время вспышек весьма крутой и весьма чувствителен к области энергий 1-5 ГВ, то влияние асимметричной магнитосферы очень существенно и его необходимо учитывать при изучении поведения заряженных частиц этих энергий в периоды солнечных вспышек.
* Прикачке Iкорабля' происходит. отклонениел оси. прибора отвертикали,^^поэтому осевая часть прибора регистрирует уже не вертикально падающие частицы, а приходящие под некоторым углом к вертикали. С другой стороны, даже в штилевых условиях необходимо оценить вклад наклонно падающих частиц в скорость счёта нейтронного монитора. Оценка вклада от наклонно приходящих частиц важна еще и потому, что во время движения изменяется ориентация корабля по отношению к сторонам света. Для учета эффектов от наклонно падающих частиц были рассчитаны асимптотические направления и пороговые жесткости частиц, приходящих под зенитными углами 0°, 15°, 30° и 45° из 8 азимутальных направлений (от 0° до 360° с шагом в 45°). Пороговые жесткости определялись в нескольких точках по пути движения судна.
Вследствие известного эффекта восточно-западной асимметрии КЛ, у частиц, приходящих из восточных направлений, жесткости обрезания выше, чем у частиц, приходящих из ? западных направлений. <,Причём .эта. разница увеличивается с . ростом
9 «»Ш8 № & {
вертикального угла наклона ЪЕ (от 0 до 45 ) для восточных направлений и уменьшается для западных направлений. Чем ближе к экватору, тем больше разность жесткостей