CC BY
112
физика высоких широт
УДК 537.591.5
ДИНАМИКА СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ НА УРОВНЕ ЗЕМЛИ
Э.В. Вашенюк, Ю.В. Балабин, Б.Б. Гвоздевский
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
Аннотация
Создана новая методика решения обратной задачи - восстановления спектра потока первичных солнечных космических лучей (СКЛ) по данным наземной сети нейтронных мониторов. Применяются современные модели магнитосферы, устранены ошибки, связанные с точным вычислением геомагнитных порогов. С помощью этой методики исследованы более 3 десятков событий СКЛ. В большинстве событий обнаружены две компоненты, различающиеся формой спектра и условиями распространения. Рассмотрены возможные механизмы их генерации.
Ключевые слова:
нейтронный монитор (НМ), спектр солнечных космических лучей, наземное возрастание, релятивистские протоны, модели магнитосферы.
Введение
В статье рассматриваются особенности поведения спектров и других характеристик релятивистских солнечных протонов (РСП) на основе анализа данных мировой сети нейтронных мониторов в 35 крупных событиях СКЛ на уровне земли наблюдавшихся в период с 1956 по 2006 гг. Релятивистские СКЛ наблюдаются в довольно редких событиях, получивших название Ground Level Enhancements (GLE). С момента первого такого события 28.02.1942 г. (GLE №1) до последнего зарегистрированного GLE №70 (13.12.2006 г.) прошло 64 года. Наземные измерения остаются до настоящего времени основным и пожалуй единственным надежным источником данных о релятивистских СКЛ. Распределенная по земному шару сеть нейтронных мониторов (НМ) может рассматриваться как единый многонаправленный спектрометр для измерения характеристик потока релятивистских солнечных космических лучей (СКЛ) за пределами магнитосферы Земли. Целью настоящей работы явилось получение параметров потока релятивистских солнечных протонов (РСП) в межпланетном пространстве и исследование их динамики практически во всех крупных событиях, наблюдавшихся наземной сетью нейтронных мониторов. Методика анализа, использованная в работе, требует данных не менее чем 25-30 станций НМ и достаточного по величине наземного возрастания (> 10%). Поэтому нами исследовались только довольно крупные события. Характеристики РСП: энергетический спектр, анизотропия и питч-угловое распределение определялись методами оптимизации при сравнении модельных откликов нейтронных мониторов с наблюдаемыми [1, 2]. Параметры потока РСП, определенные в последовательные моменты времени, позволяют проследить его динамику. Методы анализа включали в себя определение асимптотических направлений прихода РСП путем расчета траекторий этих частиц в современных моделях геомагнитного поля.
Определение характеристик релятивистских солнечных протонов из данных НМ
Нейтронный монитор, как основной прибор в исследовании релятивистских СКЛ
Коэффициенты связи для нейтронного монитора, определяющие связь потока первичных космических лучей, падающих на границу атмосферы над прибором с его откликом, выраженным в скорости счета прибора, определялись все то время, пока существуют НМ.
В качестве коэффициентов связи мы использовали в нашей работе т.н. удельную функцию сбора нейтронного монитора [3], которая покрывает с приемлемой точностью диапазон жесткостей от 1 ГВ - атмосферная жесткость обрезания до 20 ГВ - оценка верхней границы жесткости солнечных космических лучей [4].
Данные нейтронных мониторов исправляются на барометрический эффект методом двух длин поглощения: А^=140 г/см2 для нейтронов, образованных галактическими и Х=100 г/см2 солнечными космическими лучами [5]. Длиной поглощения X (величина обратная барометрическому коэффициенту X = 1/р) называется пробег в атмосфере, на котором поток частиц уменьшается в е раз.
В силу особенностей метода регистрации вторичных нейтронов КЛ, нейтронный монитор имеет специфическую диаграмму направленности (рис. 1). При увеличении зенитного угла вместе с ослаблением потока частиц из-за поглощения, растет телесный угол приема прибора. Максимум диаграммы направленности достигается для ГКЛ при 0=20°, а для СКЛ - 18 °. На рис. 1, а пунктиром показана медиана угловой диаграммы направленности по зенитному углу для СКЛ. Как видно из рис. 1а, основной вклад в счет нейтронного монитора дают частицы, приходящие под зенитными углами от 5° до 45°. Для корректного учета вклада в счет нейтронного монитора наклонно падающих частиц угловая диаграмма НМ (рис. 1, б) была разделена на 8 равных секторов. Светлыми кружками отмечены центры распределения направлений падающих на нейтронный монитор частиц в пределах данного сектора. Эти точки соответствуют медиане распределения по вертикальному углу (пунктир на рис. 1, а) и середине угловой ширины сектора.
Рис. 1. Диаграмма направленности нейтронного монитора, а- в зависимости от зенитного угла, пунктир-медиана распределения; б-полная угловая диаграмма направленности, точками обозначены направления выпуска пробных частиц при расчете асимптотических направлений: в- схема выпуска пробных частиц на границе атмосферы над станцией НМ и асимптотических направлений на магнитопаузе
Расчет асимптотических направлений прихода проводился с использованием магнитосферной модели Цыганенко 2002 [6] и шагом по жесткости 0.001 ГВ путем интегрирования уравнения движения пробной частицы с отрицательным зарядом и массой протона. Частицы выпускались вверх с высоты 20 км над данной станцией (20 км - средняя высота образования вторичных нейтронов, которые дают вклад в счет нейтронного монитора). Интегрирование уравнений движения проводилось методом Рунге-Кутта порядка 4-5.
При расчете асимптотических конусов приема НМ вычислялись асимптотические направления для пробных частиц, выпущенных вверх из направлений, обозначенных светлыми кружками на рис. 1, б. Схема стартующих на границе атмосферы пробных частиц и достигших магнитопаузы (граница магнитосферы) показана на рис. 1, в. В дальнейшем, всем частицам, падающим на НМ из направлений внутри данного сектора, приписывалось одно асимптотическое направление, рассчитанное для частицы, стартующей из центральной точки сектора.
Методика Определения характеристик релятивистских солнечных протонов
С помощью методов математического моделирования, включающих оптимизацию, параметры РСП могут быть получены из данных сети станций нейтронных мониторов [7, 2]. Измерения не менее, чем на 25-30 станциях нейтронных мониторов необходимы для такого анализа. Процесс определения параметров первичных РСП состоит из нескольких этапов:
• определение асимптотических конусов приема для исследуемых станций нейтронных мониторов с помощью расчетов траекторий частиц различных жесткостей;
• вычисление откликов нейтронных мониторов на анизотропный поток солнечных протонов с заданными параметрами;
• определение методом наименьших квадратов (оптимизация) параметров потока релятивистских протонов за пределами магнитосферы Земли путем сравнения рассчитанных откликов нейтронных мониторов с наблюдениями.
С учетом рассчитанных асимптотических направлений для 8 секторов угловой диаграммы (рис. 1а, б) рассчитывалась функция отклика нейтронного монитора. Выражение для функции отклика НМ на анизотропный поток солнечных протонов имеет вид:
8 ^шах
^ , ЕЕ J|l(R)р (0 (я)) ^ (Я) А^(я) ая
1 О,,9)=! Дт,„____________________________
8 Nn
, (1)
где (АМ/^) - относительное возрастание скорости счета на НМ станции с номером ];
N - фон ГКЛ перед началом возрастания;
.У||(Л) = J0R'J - дифференциальный спектр по жесткости из направления источника с переменным наклоном; у* = у + Ау(Я-1), где у - показатель степенного спектра при Я = 1 GV, Ау скорость приращения у на 1 GV, ^ (м-2 с"1стер"1ГВ"1) константа нормализации.
Такая форма представления позволяет описать спектр произвольной формы с помощью 3-х параметров: у, Ау, и 30. Другие параметры в (1): Б(Я) - удельная функция сбора [3]; в(Я) - питч-угол при данной жесткости (точнее, угол между асимптотическим направлением для данной жесткости и расчетной осью анизотропии, задаваемой координатами Ф а^ Л, в солнечно-эклиптической системе координат GSE); величина А(Я) = 1 для разрешенных и 0 для запрещенных траекторий; Е(в(Я)) ~ ехр(-в/С) питч-угловое распределение РСП с характеристическим параметром С. Первая сумма в (1) учитывает вклад в отклик НМ всех 8 секторов, на которые разделен телесный угол приема прибора (рис.1). Вторая сумма производит сложение всех частей отклика НМ по всем жесткостям в пределах от 1 до 20 ГВ с шагом ДR=0.001 ГВ. Последовательно производится расчет откликов НМ (1) при различных значениях параметров анизотропного потока солнечных протонов за пределами магнитосферы Земли (Ф, Л, ^, у, Ау, С). Затем значения этих параметров в каждый данный момент времени определяются методами оптимизации путем сравнения расчетных откликов наземных детекторов с наблюдаемыми. С этой целью решается система условных уравнений для отыскания минимума функции:
-]2
F = 1
—
, (2) где верхние индексы соответствуют вычисленным по (1) и полученным из наблюдений откликам j-го нейтронного монитора. Это характерный пример из класса обратных задач, рассматриваемых теорией оптимизации. При решении (2) применялись средства математического пакета Mathcad 12. На основании результатов анализа многих событий нами был принят критерий истинности решения системы уравнений (2):
Ч = „^ ^ ■!,
1 < 0.1, где (3)
F - полученная из решения (2) минимальная величина суммарной квадратичной остаточной ошибки, в знаменателе (3) сумма возрастаний J1 по всем станциям НМ в данный момент времени. На практике, величина п часто оказывается значительно меньшей 0.1.
Характеристики РСП не всегда могут быть описаны в рамках модели с потоком частиц из одного заданного направления. Поэтому мы используем три модели потока частиц: а) однонаправленный поток вдоль оси анизотропии, б) двунаправленный поток из противоположных направлений с независимыми
наборами параметров (/0, У, Ау, С) и третью модель: в) с полностью независимыми параметрами и направлениями прихода частиц. Соответственно, число параметров во второй модели увеличивается до 10, а в третьей, до 12. При поиске минимума функции (2) модели потока частиц а, б, в используются в следующем порядке: если при использовании однонаправленной модели (а) оптимизационный процесс не сходится, используется вторая модель (б) с противоположно направленными потоками. Если же и в этом случае наблюдается большая остаточная ошибка, применяется третья модель (в), с полностью независимыми потоками. С целью проверки точности рассматриваемой методики мы применяли третью модель (в) для событий, заведомо описываемых однонаправленной моделью (а). Окончательное решение незначительно отличалось от расчета по однонаправленной модели.
Наблюдаемое питч-угловое распределение также не всегда может быть описано функцией, близкой к функции Гаусса. Не всегда удается его описать и комбинацией двух таких потоков из противоположных направлений, что наблюдается в случаях т.н. двунаправленной анизотропии. В данной работе мы использовали выражение для питч-углового распределения сложной формы, которое позволяет добиться хорошей сходимости процесса оптимизации:
F (в( R)) ~ ехр(-в2 / С )(1 - а ехр( - (в - п / 2)2) / Ь (4)
Такая функция имеет особенность при значениях питч-угла, близких к п/2 и, в принципе, может учитывать особенности в питч-угловых распределениях, предсказываемые теорией распространения частиц в ММП (например, [8, 9]). По своим свойствам выражение (3) близко к функции, применявшейся в работе [2] для описания сложных случаев питч-углового распределения. При использовании функции (4) к шести вышеперечисленным параметрам потока РСП добавляется еще два параметра: а и Ь. При нулевом значении этих параметров выражение (4) переходит в обычную функцию Гаусса.
Примеры анализа событий с РСП
В качестве наглядного примера рассмотрим анализ события 2.11.2003 г. ^ЕЕ №67 ).
Рис. 2. Профили наземного возрастания в событии 2.11.2003 г. на станциях НМ: а - Терре Адели (ТА), Апатиты (Ап), Наин (На); б - Мак-Мердо (МкМ), м. Шмидта (М.Ш.), Норильск (Но), в - асимптотические конусы приема для вертикально падающих частиц для соответствующих станций, рис. 2а,б. Жирными отрезками линий показаны участки конусов 1-3 ГВ, дающие
максимальный вклад в отклик НМ
Событие 2.11.2003 г. было связано со вспышкой балла 2В/Х8.3, гелиокоординаты S18 W59, начало радиоизлучения II типа 17.14 ЦТ. Событие имело сравнительно небольшую амплитуду и заметную анизотропию. На рис. 2а и б показаны профили возрастания на ряде станций НМ. Максимальное возрастание наблюдалось на южнополярных станциях Мак-Мердо и Терре Адели (~ 14%), средняя величина возрастания (6-11%) - на станциях Апатиты, м. Шмидта, и Норильск. Ст. Наин (Канада) не
показала возрастания вообще. В табл. 1 приведены параметры потока РСП, рассчитанные с помощью описанной выше методики по данным 36 станций НМ для двух моментов времени, отмеченных стрелками на рис. 2а, и соответствующих фазе роста (I) и началу спада (II). В последнем столбце таблицы приведена величина параметра п истинности найденного решения обратной задачи (2).
Таблица 1
Параметры потока РСП в событии 2.11.2003 г. для жесткостной шкалы
Время -у дх С Ф Л То а Ь л
17:40 2.93 0.29 2.12 -65 -35 1.2 103 - - 0.067
18:00 7.37 0 1.47 -66 -128 3.8 105 -2.31 0.51 0.062
На рис. 2 в показана карта рассчитанных с помощью модели [6] асимптотических конусов приема ряда станций для 18:00 ит, времени, близкого к максимуму наземного возрастания. Асимптотические конусы (АК) на рис. 2в рассчитаны для вертикально падающих на НМ частиц в диапазоне жесткостей от 1 до 20 ГВ. Жирными участками линий отмечены участки АК, от 1 до 3 ГВ, дающие максимальный вклад в отклик НМ. Для примера на рис. 2в цифрами обозначены характерные жесткости в ГВ для АК ст. Апатиты. На рис. 2, в также проведены линии равных питч-углов относительно рассчитанной оси анизотропии (Ф, Л, табл. 1).
СР
т
и
а
и
и
«Р
X
о
н
о
Л
И
10
ю6
ю4
ю2
10°
10'2
' V
N
__Л
Питч-угол, град.
В
Рис. 3. Энергетические спектры РСП, полученные в моменты времени I и II (рис. 3 а) в двойном логарифмическом (а) и полулогарифмическом масштабе (б), в - питч-угловые распределения РСП в
моменты времени I и II
Из рис. 2в видно, что асимптотические конусы (АК) станций Мак-Мердо и Терре-Адели, показавших наибольшее возрастание, повернуты близко к оси анизотропии. Станции Апатиты, м. Шмидта, Норильск принимали радиацию прямого потока с большими питч-углами и зарегистрировали умеренное возрастание (7-11%). Станции Наин и Баренцбург принимали радиацию с питч-углами > 110°, чем объясняется отсутствие возрастания на ст. Наин и его минимальная величина на ст. Баренцбург. На рис. 3в показаны питч-угловые распределения РСП для жесткости 1 ГВ на фазе роста (I) и сразу после максимума возрастания (II). В начале события питч-угловое распределение описывается функцией Гаусса с максимумом при нулевом питч-угле. В период после максимума возрастания наблюдается избыток частиц с питч-углами > 60о Событие 2.11.2003 г. произошло на фазе восстановления форбуш-эффекта и наличие характерных для захваченных частиц питч-углов ~ 90о может быть связано с вероятной структурой ММП в виде петли, основания которой имеют начало на Солнце. На рис. 3а, б показаны энергетические спектры релятивистских солнечных протонов (РСП), полученные методом решения обратной задачи на фазе роста
(I) и спада (II) возрастания (рис. 2). Спектры показаны в двух масштабах: двойном и полулогарифмическом. Отдельными точками представлены данные прямых измерений солнечных протонов на КА GOES-10 в максимуме возрастания протонов соответствующих энергий, а также на шаре-зонде в Апатитах. Спектр I имеет близкую к экспоненциальной зависимость от энергии: прямая линия в полулогарифмическом масштабе. Спектр II имеет степенную зависимость от энергии: прямая линия в двойном логарифмическом масштабе. Видно, что данные прямых измерений солнечных протонов в области энергий до 200 МэВ хорошо согласуются со спектром II. Как было показано в наших прежних работах [10] такие особенности в спектрах I и II объясняются тем, что они принадлежат к разным популяциям частиц РСП: быстрой компоненте (БК) и запаздывающей, медленной компоненте (МК). БК наблюдается в начале события. Ее характерными особенностями являются короткая продолжительность, сильная анизотропия и экспоненциальный энергетический спектр. Медленная компонента имеет плавный и продолжительный временной профиль, умеренную или слабую анизотропию и степенной энергетический спектр. Наличие двух компонент БК и МК не проявляется во временных профилях наземного возрастания для события GLE №67. Однако, в некоторых случаях приход БК отделен во времени от МК. Характерным примером является событие 22.10.1989 г. (GLE №44).
Энергия, ГэВ Энергия, ГэВ
Рис. 5. а - характерные профили наземного возрастания в событии 22.10.1989 г. на станциях НМЮ. Полюс(1) и Апатиты (2); б - питч-угловые распределения РСП в моменты времени I и II, рис. 5 а; в -энергетические спектры РСП в моменты времени I и II в двойном логарифмическом и полулогарифмическом (г) масштабах, соответственно. Точками показаны данные прямых измерений солнечных протонов, соответственно, на КА GOES-7 - кружки и на шарах- зондах в
Апатитах - квадраты
Событие 22.10.1989 г. было связано со вспышкой балла Ш^3.9, гелиокоординаты S25 E09, начало радиоизлучения II типа, 17.45 ОТ. Оно также произошло на фазе восстановления форбуш-эффекта, вызванного предыдущей вспышкой 19.10.1989 г. в той же активной области на Солнце [2]. На рис. 4а показаны профили наземного возрастания на станциях Ю.Полюс и Апатиты, Ст. Ю.Полюс зарегистрировала кратковременный пик БК, за которым следовало плавное возрастание МК. Как показывает наш анализ, расчетный асимптотический конус ст. Ю. Полюс был направлен вдоль оси анизотропии, а конус ст. Апатиты диаметрально противоположно. Таким образом, импульсообразное возрастание, зарегистрированное ст. Ю.Полюс было сильно анизотропным. В отличие от него, второе, медленное возрастание было близко к изотропному, т.к. наблюдалось почти одновременно на станциях, смотрящих вдоль оси анизотропии и в обратном направлении. В таблице 2 приведены параметры потока РСП, определенные по данным 35 станций НМ при решении обратной задачи: направление оси анизотропии, параметры спектра и питч-углового распределения.
Параметры потока РСП в событии 22.10.1989 г. для жесткости ой шкалы
Время
18:10
19:00
1.33
6.90
Ау
0.30
0.17
15.9
Ф
-38
Л
16
78
2.7 104
3.0 105
-0.80
2.10
а
0.047
0.053
В момент регистрации начального пика (БК) спектр имеет экспоненциальную зависимость от энергии (рис. 4г). Во время второго возрастания (МК) спектр становится степенным и в области умеренных энергий показывает хорошее согласие с данными прямых измерений солнечных протонов на КА GOES-7 и в стратосфере в Апатитах (рис. 4в, г). Полет шара-зонда проходил спустя 2 часа после максимума интенсивности протонов с энергией ~ 100 МэВ (данные КА GOES-7), с чем могут быть связаны более низкие значения интенсивности, измеренной в стратосфере. Поток БК был сильно коллимированным, что непосредственно видно из расчетного питч-углового распределения на рис. 4б. Питч-угловое распределение во время второго максимума (МК) включает в себя питч-углы от 0° до 180° и имеется также избыток частиц с питч- углами ~90°. Это может быть свидетельством квазизахваченной компоненты в петлеобразной структуре ММП, возможно существовавшей во время события GLE №44, происшедшего на фазе восстановления форбуш-эффекта [2]).
Характеристики энергетических спектров быстрой и медленной компонент РСП
Нами было проанализировано по описанной выше методике 35 крупных события РСП за период с 1956 по 2006 гг. В каждом из них, за редким исключением, мы видим присутствие двух компонент РСП: быстрой, с экспоненциальным энергетическим спектром, и медленной, со степенным. Следует отметить, что при определении параметров спектров, к тому же в жесткостной шкале, форма спектра явным образом не задавалась (см. соотношение (1) и комментарии к нему). Уже затем, форма спектров, полученных при решении обратной задачи, определялась по лучшему согласию с одним из двух представлений: экспоненциальным или степенным. В таблице приведены параметры спектров для каждого из событий. Для спектра БК это параметры J0 и Е0 экспоненциального спектра:
І(Е)=І0Єхр (Е/Е0). (4)
Для спектра МК - параметры Jl и у степенного спектра (5):
ДЕ^Е-у. 2111 (5)
J0 и J1 имеют размерность м-2 с-1 стер"1 ГэВ-1, Е и Е0 - ГэВ. В последовательных столбцах таблицы представлена информация о номере события GLE, солнечной вспышке: дата, время начала радиоизлучения II типа (предполагаемое время ускорения), балл вспышки в оптическом и рентгеновском излучениях, гелиокоординаты. В последних 4-х столбцах приводятся параметры спектров РСП для БК и МК.
Рис. 5. Семейства спектров БК и МК в ряде событий: а - спектры БК; б - МК, точками показаны данные прямых измерений на КА и шарах-зондах (б для сравнения со спектрами МК приведен спектр БК в суперсобытии GLE 69 (5р)
На рис. 5 показаны семейства спектров БК (а) и МК (б) в ряде событий. Здесь же точками показаны данные прямых измерений солнечных протонов в смежном энергетическом интервале 5G -7GG МэВ, полученных по данным КА серии GOES и стратосферных измерений. Интенсивности солнечных протонов взяты для моментов максимумов возрастаний в соответствующих энергиях. Это т.н. спектр максимальных потоков (СМП). Естественно, что время наступления максимума отличается для разных энергий, однако полученный таким образом СМП близок к спектру генерации на Солнце, если время инжекции частиц не очень велико и распространение в ММП происходит диффузионным путем. Хорошее совпадение СМП солнечных протонов умеренных энергий со спектром релятивистских протонов для МК может свидетельствовать об общем источнике этих частиц на Солнце, и, стало быть, об общем механизме ускорения. Для БК спектр РСП у нижнего энергетического предела (43G МэВ) лежит значительно ниже, чем СМП в смежной области энергий. Это может быть связано с особенностями механизма ускорения для БК (см. ниже). На рис. 5 специально отмечены спектры для суперсобытия 2G.G1.2GG5 г. (GLE №69): а - для БК и б - для МК. На рис. 5б, представляющем спектры МК в разных событиях, для сравнения приведен спектр БК в GLE 69. Видно его превышение над всеми спектрами МК, включая событие №69, в области энергий от 1 до 8 ГэВ. Однако при энергиях > 1 ГэВ интенсивность частиц БК значительно меньше, чем у МК, включая данные прямых измерений. В связи с этим следует отметить, что, несмотря на гигантскую величину возрастания на нейтронных мониторах, событие 2G.G1.2GG5 г. было весьма ординарным в области умеренных энергий СКЛ . Причиной этого является то, что произведение экспоненциального спектра на атмосферную функцию связи НМ имеет выраженный максимум в области жесткостей от 1.5 до 4 ГВ. В то же время, атмосферная функция связи НМ имеет минимальные значения при жесткостях меньших 1.5 ГВ [11].
При рассмотрении табл. 3 обращает на себя внимание относительная стабильность параметров спектров быстрой и медленной компонент. На рис. 6а показано распределение величины характерной энергии Eg экспоненциального спектра БК, а на рис. 6б распределение величины у степенного спектра МК. Полученные из этих распределений средние величины равны: <EG> = G.52±G. 15 ГэВ, < у > = 4.85±G.25.
В ряде наших прежних работ [1G, 12] делались попытки физической интерпретации для быстрой и медленной компонент РСП и их источников на Солнце. Было показано, что вероятным механизмом генерации БК может быть ускорение электрическим полем, возникающем при пересоединении в корональных токовых слоях [1G, 11]. В результате моделирования получался спектр солнечных протонов с экспоненциальной зависимостью от энергии. В первых трех перечисленных работах использовалась упрощенная модель электрического и магнитного полей в пересоединяющемся токовом слое. В работе же [13] проведено моделирование спектра протонов в реалистичной конфигурации магнитных и электрических полей в области пересоединяющегося токового слоя, рассчитанных для вспышки «день Бастилии» 14.G7.2GGG г. При этом характерная энергия Eg экспоненциального спектра солнечных протонов оказалась равной G.51 ГэВ, т.е. такой же, как и в спектре, полученном из экспериментальных данных (таблица 3), а также равной средней величине Eg для большинства событий.
Методом расчета траекторий в конфигурации магнитных и электрических полей [13] получен спектр протонов, ускоренных этим электрическим полем, и имеющий экспоненциальную форму.
В качестве наиболее вероятного источника медленной компоненты предполагается стохастический механизм ускорения плазменной турбулентностью в возмущенной плазме вспышечного или коронального выброса. Другим возможным механизмом генерации является ускорение на ударной волне в солнечной короне. Аргументом против механизма ускорения частиц СКЛ на ударной волне до релятивистских энергий является то, что указанный механизм ускорения дает степенной спектр с показателем ~ 2.5, в то время как полученный из экспериментальных данных спектр МК имеет средний показатель у~5. Такой же показатель получается при моделировании спектра МК с помощью модели стохастического ускорения плазменной турбулентностью, см. также [12].
Параметры спектров релятивистских солнечных протонов
№ № Дата Начато Балл Гелноко- Параметры спектров РСП
п п сооьпня раднонзл вспыш- ордннаты БК МК
ОБЕ II типа ки I; Е-з 11 V
1 05 23.02.1.956 03.36* 3 N23 \\-80 7.4' № 1.37 5.5-105 4.6
2 08 04.05.1960 10.17 3- N13 \\г90 2.1 № 0.65 1.6 103 4.2
3 10 12.11.1960 13.26 3- N27 ТОМ - - 7.5 № 4.1
4 11 15.11.1960 02.22 3 N25 - - 1.0 № 5.3
5 13 18.07.1961 09.47 3- 307 \\'59 5.2 103 0.52 3.6 № 6.0
б 16 28.01.1.967 07.55 - N22 VI54 1.4 104 0.58 6.7 № 4.7
7 19 18.11.1968 10.26 1Б N21 \У87 1.2 104 0.58 2.6 10* 3.3
8 20 25.02.1969 09.04** 2В. N13 Ш7 7.7-104 0..38 4.7-10* 5.0
9 22 24.01.1.971 23.16 ЗБ N19 4/49 3.4 104 0.45 8.7 10* 5.8
10 23 01.09.1.971 19.34 - зп того - - 4.7-10* 5.4
11 25 07.08.1.972 15.19 ЗБ N14 Ш7 6.6 102 1.23 4.3 103 5.0
12 29 24.09.1.977 05.55 - N10 \V120 6.5 102 1.14 9.3 103 3.2
13 30 22.11.1.977 09 59*** 2В N24 \У40 1.5 104 0.77 1.1 104 4.7
14 31 07.05.1978 03.27 1ВХ2 N23 V82 3.5-104 1.11 1.3-10* 4.0
15 32 23.09.1978 09.58 ЗБ XI N35 \\-50 - - 7.0 Ю- 4.7
16 36 12.10.1981 06.24** 2Б ХЗ 318Е31 1.7-11У 1.21 - -
17 38 07.12.1982 23.44 13X2.8 Й19^Т8Й 5.7103 0.65 7.2-10- 4.5
18 39 16.02.1984 09:00 - -'№132 . - 5.2-104 5.9
19 41 16.08.1989 01 03** 224X12. 515 \У85 6.8 10* 0.56 3.8 10* 5.1
20 42 29.09.1989 11.33 - Х9.8 - \V1CI5 1.5 10" 1.74 2.5 10" 4.1
21 43 19.10.1989 12.49 ЗБХВ 325 Е09 4.0 104 0.53 3.0 104 4.8
22 44 22.10.1989 17.44 2Б Х2.9 Э27 Ш1 7.5 104 0.91 1.5-10* 6.1
23 45 24.10.1989 18.00 2Б Х5.7 Э20 \\Г57 2.4 104 0.72 1.1. 105 4.9
24 47 21.05.19М 22.12 2Б Х5.5 N35 \\т3б 6.3-103 1.13 2.7-103 4.3
25 48 24.D5.1990 21.00 13X9.3 N36 \\’76 2.8 104 0.60 9.1 10-; 4.3
26 51 1 1.06.1991 02.05 2Б Х12. N32 VI5 2.6 103 0.83 3.3 105 4.8
27 52 15.06.1991 08.14 ЗВ XI2. N36 \\-70 - - 5.8 10* 4.6
28 06.11.1997 11.53 23 Х9.4 318 ^тбЗ 8.3 103 0.92 8.2 Ю" 4.6
29 59 14.07.2000 10.19 ЗВ Х5.7 N22 \\-07 3.3' № 0.50 5.0'104 5.4
30 60 15.04.2001 13.48 2Е Х14. Э20 Т№85 1.3-105 0.62 3.5'104 5.3
31 61 18.04.2001 02.17 - -VI20 2.5 104 0.52 1.2 101 3.6
32 65 28.10.2003 11.02 4ВХ17. 316Е08 1.2-104 0.60 1.5-104 4.4
33 67 02.11.2003 17.14 2В Х8.3 314 \V5fi 4.6-104 0.51 9.7' 10* 6.3
34 69 20.01.2005 06.44 2В Х7.1 N14 \\т61 2.5-105 0.49 7.2-104 5.6
35 70 13.12.2006 02:51 2ВХ3.4 306 \У24 3.5-104 0.59 4.3-104 5.7
* Б тнп н е нэблюдапся, н ачало мшсроЕ олн о® ого ради о® сплеска ** Б тнп не наблюдался начало радиоизлучения IV тап^
*** II тнп не наблюдался, начало «главного» радшиашеска (Она е[ аЦ 1982)
Заключение
Разработана методика определения характеристик релятивистских солнечных протонов (РСП) из данных измерений на уровне земли мировой сетью нейтронных мониторов. Методика включает в себя расчет асимптотических направлений прихода РСП для анализируемых станций НМ в современных магнитосферных моделях и решение обратной задачи с применением математической теории оптимизации. Существенной особенностью разработанной методики является учет вклада наклонно падающих на нейтронный монитор частиц.
По единой методике проведен анализ 35 крупных событий СКЛ на уровне земли, которые произошли за период 1956-2006 гг. При анализе были собраны и использованы все доступные данные по возрастаниям СКЛ на нейтронных мониторах мировой сети.
На основании проведенного анализа подтвержден вывод о существовании в событиях с релятивистскими СКЛ двух компонент: быстрой (БК) и медленной (МК). БК наблюдается в начальной фазе события, имеет короткую продолжительность сильную анизотропию и экспоненциальный энергетический спектр. МК имеет плавный временной профиль, слабую, иногда двунаправленную анизотропию и степенной энергетический спектр.
Вероятным механизмом генерации БК может быть ускорение электрическим полем, возникающем в области магнитного пересоединения солнечной вспышки. Источником МК может быть стохастическое ускорение в турбулентной плазме вспышечного выброса или ускорение на ударных волнах в солнечной короне.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 09-02-00076-а и Программы Президиума РАН № 8 «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика».
ЛИТЕРАТУРА
1. Vashenyuk E. V, Balabin Yu. V., Gvozdevsky B.B. Relativistic solar cosmic ray dynamics in large ground level events // Proc. 21-st ECRS. Kosice, Slovakia, 9-12 September, 2008. I nst. of Experimental Phys., Slovak Academy of Sci. 2009. - P. 264-268. 2. Cramp L.J., Duldig M.L., Flueckiger E.O., Humble J.E.,Shea M.A., Smart D.F. The October 22, 1989, solar cosmic ray enhancement: An analysis of the anisotropy and spectral characteristics // J. Geophys. Res. 1997.Vol. 102. № A11. P. 24237-24248. 3. Debrunner H., Flueckiger E., Lockwood J.A. Response of Neutron Monitors to Solar Cosmic Ray Events // Abstracts. 8th European Cosmic Ray Symp. Rome. 1984. 4. Miroshnichenko L.I. Solar Cosmic Rays, Kluwer Academic Publishers. 2001. P. 492. Gallegos-Cruz A., Perez-Peraza J. Derivation of analytical particle spectra from the solution of the transport equation by the WKBJ method // Astrophys. J. 1995, Vol. 446. P. 400-420. 5. Каминер Н.С. Об учете барометрического эффекта нейтронной компоненты во время вспышек космических лучей // Геомагнетизм и Аэрономия. 1967. Т. 7, № 5. С. 806-809. 6. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a down-dusk asymmetry: 1. Mathematical structure // J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107. № A8. 1176, doi:10.101029/2001JA000219. 7. Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б., Вашенюк Э.В., Щур Л.И. Динамика релятивистских СКЛ и регистрация множественных нейтронов в событии 13.12.2006 г. // Изв. РАН. Сер. физ. 2009. Т. 73. С. 321-323. 8. Топтыгин И.Н. Космические лучи в межпланетных магнитных полях. М.: Наука, 1983. 304 с. 9. Базилевская Г.А., Голынская Р.М. О распространении солнечных космических лучей в межпланетной среде с учетом адиабатической фокусировки // Геомагнетизм и Аэрономия. 1989. Т. 29. № 2. C. 204-209. 10. Балабин Ю.В., Вашенюк Э.В., Мингалев О.В., Подгорный А.И., Подгорный И.М. Спектр солнечных космических лучей: данные наблюдений и модельных расчетов // Астрон. журн. 2005. Т. 82. С. 940-949. 11. Vashenyuk, E.V., Miroshnichenko L.I., Balabin, Yu.V., Perez-Peraza J., Gallegos-Cruz A. Two component features of the two largest
GLEs: February 23, 1956 and January 20, 2005 // Proc. of 30* International Cosmic Ray Conference (Merida, Mexico, 3-
11 July 2007). Paper 643. P. 249-252. 12. J. A. Perez-Peraza, E.V. Vashenyuk, A. Gallegos-Cruz, Y.V. Balabin, Miroshnichenko L.I. Relativistic proton production at the Sun in the 20 January 2005 solar event // Adv. Space Res. 2008, Vol. 41, P. 947-954. 13. Подгорный А.И., Подгорный И.М., Биленко И.А. Солнечная вспышка Бастилия. Численное моделирование // Изв. РАН. Сер. физ. 2003. Т. 67 № 3. С. 406-414. 14. Miroshnichenko L.I., Klein K.L., Trottet G., Lantos P.,Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Relativistic Nucleon and Electron Production in the 2003 October 28 Solar Event // J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110. A09S08, doi: 10292004JA010936.
Сведения об авторах
Э.В. Вашенюк - д.ф.-м.н., зав. лабораторией, e-mail: [email protected] Ю.В. Балабин - к.ф.-м.н., научный сотрудник, e-mail: [email protected] Б.Б. Гвоздевский - к.ф.-м.н., научный сотрудник, e-mail: [email protected]
