CC BY
25
90
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2009. № 3
АСТРОНОМИЯ, АСТРОФИЗИКА И КОСМОЛОГИЯ
Модуляция галактических космических лучей корональными выбросами массы в межпланетном пространстве
Е.А. Чучков, В. И. Тулупов", В. П. Охлопков, Г. П. Любимов
Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2. E-mail: " [email protected]
Статья поступила 08.07.2008, подписана в печать 17.11.2008.
Данные измерений интенсивности галактических космических лучей с энергией протонов > 30 МэВ сопоставлены с данными измерений солнечного ветра и межпланетного магнитного поля на автоматических межпланетных станциях (AMC) ВЕГА-1,2. Обнаружены характерные по форме и длительности модуляционные структуры: квазисимметричные («бухты») кратковременные (около суток) Форбуш-по-нижения интенсивности. Показано, что причиной этих Форбуш-понижений является попадание станций в корональные выбросы массы.
Ключевые слова: космические лучи, солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, магнитосфера.
УДК: 523.165. PACS: 96.50.S^.
Введение
Важнейшей задачей космической физики является изучение состояния и динамики Солнца и межпланетной среды, т.е. космической погоды. Для успешного решения этой задачи необходим мониторинг электромагнитного излучения Солнца в разных спектральных диапазонах (от радио до жесткого рентгеновского), характеристик солнечного ветра, межпланетного магнитного поля (ММП) и интенсивности космических лучей в межпланетном пространстве. Поведение интенсивности космических лучей является функцией динамики ММП и, следовательно, солнечного ветра. Вследствие этого, как было ранее показано, космические лучи можно успешно использовать для диагностики межпланетной среды [1, 2, 3]. Центральной проблемой космической погоды является проблема поиска внемагнитосферных источников геомагнитных возмущений. Хотя эта проблема экспериментально на разных космических аппаратах изучалась давно, только в последнее десятилетие в результате анализа данных о солнечном ветре и ММП разных космических аппаратах стало ясно, что наиболее мощными источниками геомагнитных возмущений являются коротирующие области взаимодействия (КОВ) разноскоростных потоков солнечного ветра и корональные выбросы массы [4, 5, 6]. Как можно более раннее обнаружение коротирующих областей взаимодействия и корональных выбросов массы в межпланетном пространстве и, следовательно, как можно более раннее предсказание их появления в окрестности магнитосферы имеет важнейшее практическое значение. По этой причине целесообразно постоянно иметь в межпланетном пространстве данные мониторинга солнечного ветра, ММП и интенсивности космических лучей. Так как корональные выбросы массы имеют существенно более увеличенное (по сравнению с окружающим пространством) магнитное поле и ограниченные размеры (~30 млн км в окрестности Земли), то галактические космические лучи должны его «чувствовать» вполне определенным образом. А именно интенсивность галактических космических лучей должна на какое-то время (время прохождения корональных выбросов массы) уменьшиться,
т. е. должно наблюдаться кратковременное (порадка суток) Форбуш-понижение интенсивности. Конечно, для надежной идентификации корональных выбросов массы необходимо вместе с данными об интенсивности галактических космических лучей иметь в точке наблюдения данные измерений ММП и солнечного ветра. К сожалению, к настоящему времени по разным объективым причинам мы, кроме данных AMC ВЕГА-1,2, не располагаем каким-либо другим необходимым для соответствующего анализа набором данных. В предлагаемом сообщении мы анализируем данные AMC ВЕГА-1,2, полагая, что, несмотря на сравнительную давность полученных тогда экспериментальных данных, представляет определенный интерес осмыслить их в свете современных представлений о корональных выбросах массы.
Аппаратура
Обсуждаемые в работе данные получены во время полета автоматических межпланетных станций ВЕГА-1 и ВЕГА-2 в 1985-1986 гг. В качестве детекторов интенсивности космических лучей использовались газоразрядные счетчики типа СБМ-20. На каждой AMC находилось по три счетчика, расположенных рядом, оси были параллельны друг другу. Энергетический порог регистрации определялся только толщиной пассивной защиты. Порог с солнечной стороны (в угле ~ 60°) соответствовал энергии протонов > 30 МэВ и электронов > 2 МэВ. Для этих энергий геометрический фактор равнялся ~ 13 см2-стер. Для протонов с энергией > 500 МэВ геометрический фактор (глобальный) равнялся ~ 50 см2-стер. Максимальная относительная ошибка измерения скорости счета детектора была меньше процента. Данные о траектории полета, характеристики аппаратуры и данные измерений интенсивности космических лучей представлены в [7]. Данные измерений межпланетного магнитного поля и характеристик солнечного ветра представлены в [8]. В последующем обсуждении использованы часовые средние измеренных величин.
Обсуждение
За время полета AMC ВЕГА-1,2 неоднократно регистрировались квазисимметричные (бухты) кратковременные Форбуш-понижение интенсивности галактических космических лучей (рис. 1-3). Эти Форбуш-понижения имели длительность ~1 сутки и глубину понижения ~2-5%. Иногда им предшествовало Форбуш-понижение, связанное с ударной волной. Они регистрировались после некоторых солнечных вспышек, а также и в их отсутствие. Учитывая их сравнительно короткую длительность, можно полагать, что они являются следствием попадания AMC в какие-то довольно компактные магнитные образования с увеличенным модулем ММП; при этом глубина Форбуш-понижения не обнаруживает с ним заметной корреляции. При их идентификации обязательно учитывалось отсутствие признаков рекуррентности. Сопоставление этих Форбуш-понижений с данными измерений характеристик ММП и солнечного ветра
22.5
-ч 22.0
'о 21-5 " 21.0 ^ 20.5 20 15 10 5
24.0
£ к
eq
24.0
23.5
1 О 23.0
fe" 22.5
30
н 25
р 20
К 15
ßq 10 5
23.5
7 23.0
о 22.5
fef 22.0
£ 20
Я 15
°q 10
5
24.0
7 23.5
о 23.0
22.5
£ 20
и 15
oq" 10
22 24 26 28 30.01.1985
' б
16 18 20 24.04.1985
/На/^^vJAr
10 12 14.07.1985
1 2 3 4.08.1985
7 26.0 . A4/
о ^25.5 f
0 15 и 10 «S 5
11
13
15
17.12.1985
Рис. I. Форбуш-понижение интенсивности галактических космических лучей. На графиках показаны: N (1/с) — скорость счета детектора космических лучей; В (нТл) — модуль ММП
24.04.1985
Рис. 2. Форбуш-понижение интенсивности галактических космических лучей 19.04.1985. Обозначения данных на рисунке те же, что и на рис. 1. Показаны также графики индексов геомагнитной возмущенности: К,, и Да — вариация (нТл)
(рис. 1-3) показывает: Форбуш-понижения по времени совпадают с увеличением модуля ММП (в разы), изменением направления его вектора (особенно Z-компоненты), сильным (в разы) понижением температуры солнечного ветра, изменением отношения плотности тепловой энергии солнечного ветра (nkT) к плотности магнитной энергии (В2/8тт) от значения >1 в прилегающих к Фор-буш-понижениям периодах к значению <1 во время Форбуш-понижения (рис. 3). Перечисленные признаки характеристик ММП и солнечного ветра соответствуют известным представлениям о наблюдаемых в межпланетном пространстве корональных выбросах массы. Фор-буш-понижения галактических космических лучей, связанные с корональными выбросами массы, обсуждались в [9] по данным измерений скорости счета нейтронного монитора. Согласно [6], частота появления корональных выбросов массы в межпланетном пространстве зависит от фазы 11-летнего цикла солнечной активности. Она меняется от ~6/месяц в максимуме цикла до ~8/год — в минимуме. Корональные выбросы массы распространяются радиально от Солнца и иногда сопровождаются предшествующей ударной волной при достаточно большой скорости корональных выбросов массы по сравнению со скоростью окружающего солнечного ветра. Скорость их движения на орбите Земли 400-1000 км/с, а размер ~30 млн км. Характерный пример такого Форбуш-пони-жения интенсивности галактических космических лучей показан на рис. 2, где вместе со скоростью счета детектора галактических космических лучей показаны также модуль ММП и индексы геомагнитной возмущенности Кр и Д,-вариация. Это Форбуш-понижение интенсивности галактических космических лучей — невспышечного происхождения. В это время AMC находились на линии Солнце-Земля, но на 30 млн км ближе к Солнцу. Форбуш-понижение галактических космических лучей с хорошо выраженной квазисимметричной формой с длительностью порядка одних суток и глубиной порядка 6%
92
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2009. № 3
17.12.1985
Рис. 3. Форбуш-понижение интенсивности галактических космических лучей 02.08.1985 (а) и 13.12.1985 (б). На графиках (сверху вниз) показаны: N (1/с) — скорость счета детектора космических лучей, В (нТл) — модуль ММП, [ВХ,В,ИВ,] (нТл) — компоненты ММП, п (см-3) — плотность, V (км/с) — скорость, Т (К) — температура солнечного ветра, ¡3 (пкТ/В2/8ж) — плазменное отношение (оно обрезано сверху на уровне 2)
было зарегистрировано 19.04.1985 и совпало по фазе с мощным увеличением модуля ММП (~30 нТл). Этому Форбуш-понижению предшествует небольшое Фор-буш-понижение 18.04, имеющее характерную при прохождении ударной волны форму ступеньки в ходе интенсивности. На Земле Äp-индекс неплохо повторяет ход модуля ММП с учетом запаздывания на сутки, что и должно быть из-за большего удаления Земли от Солнца по сравнению с AMC. Можно достаточно уверенно полагать, что зарегистрированные на Земле два SC (19.04 08:30 UT; 20.04 03:11 UT) соответствуют последовательному прохождению ударной волны и корональным выбросам массы. В этом невспышечном событии впечатляет мощность геомагнитного возмущения (Ä"plax = 8+; |At|max = 160 нТл), сопровождающего прохождение коро-нальных выбросов массы. Таким образом, сопоставление данных измерений интенсивности галактических косми-
ческих лучей на AMC ВЕГА-1,2 с данными измерений характеристик ММП и солнечного ветра показывает, что обсуждаемые квазисимметричные кратковременные ФП интенсивности галактических космических лучей являются, вероятнее всего, следствием попадания AMC в корональных выбросах массы.
Заключение
Обнаружены (после некоторых солнечных вспышек, а также в их отсутствие) квазисимметричные (бухты) кратковременные (порядка суток) неглубокие (~5%) Форбуш-понижения интенсивности галактических космических лучей, сопровождаемые увеличением модуля ММП и изменением направления его вектора; их глубина не имеет заметной корреляции с величиной модуля ММП. Сопоставление с данными измерений ММП и солнечного ветра показывает, что причиной этих Фор-
буш-понижений, вероятнее всего, является попадание AMC в корональные выбросы массы. Если эта гипотеза верна, то регистрация таких Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей (имея в виду их форму и длительность) может являться маркером прохождения корональных выбросов массы.
Списож литературы
1. Верное С.Н., Тверской Б.А., Любимов Г.П. и др. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1975. 39, № 2. С. 340.
2. Kontor N.N., Lyubimov O.P., Pereslegina N.V. // 15th Intern. Cosmic Ray Conf. Papers MG Session. Plovdiv, Bulgaria, 1977. V. 3. P. 290.
3. Любимов Г.П. // Изв. РАН. Сер. физ. 2003. 67, № 3. С. 353.
4. Ермолаев Ю.И., Ермолаев М.Ю., Лодкина И.Г., Николаева Н.С. II Космические исследования. 2007. 45, № 1. С. 3.
5. Ермолаев Ю.И., Ермолаев М.Ю., Лодкина И.Г, Николаева Н.С. Н Космические исследования. 2007. 45, № 6. С. 489.
6. Хвиюзова Т.А. II Сб. ПГИ «Физика околоземного космического пространства». Т. 2. Апатиты. 2000.
7. Любимов Г.П., Тулупов В.И, Степина Т.Н. // Интенсивность космических лучей в межпланетном пространстве. Данные наблюдений 28.12.1984-01.11.1987. Материалы мирового центра данных Б. М., 1989.
8. http://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/spacecraftjata/vega.
9. Lyubimov G.Р., Pereslegina N. V., Tulupov V.l., Chuchkov E.A. II 18111 Intern. Cosmic Ray Conf. Conf. Papers. Bungalor, India, 1983. 3. P. 241.
Galactic cosmic rays intensity modulation by coronal mass ejections in interplanetary space E.A. Chuchkov, V.I. Tulupov", V.P. Okhlopkov, G.P. Lyubimov
Skobeltsyn Research Institute of Nuclear Physics (MSU SINP), M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
E-mail: 11 [email protected].
Galactic cosmic rays (protons of energies > 30 MeV) intensity data are compared with the solar wind and interplanetary magnetic field data measured on board automatic interplanetary stations VEGA-1,2. Specific form of modulation structures are detected as quasi-symmetrical («bays») short-term (about one day) Forbush decreases of galactic cosmic ray intensity. It is shown that these Forbush decreases are registered due to the spacecraft fly by through coronal mass ejection regions.
Keywords: cosmic rays, solar wind, interplanetary magnetic field, magnetosphere. PACS: 96.50.S-. Received 8 July 2008.
English version: Moscow University Physics Bulletin 3(2009).
Сведения об авторах
1. Чучков Евгений Андреевич — к.ф.-м. п., ет. научи, сотр.; тел.: 939-50-97.
2. Тулупов Владимир Иванович — к.ф.-м. п., ет. научн. сотр., зав. отделом; тел.: 939-50-97, e-mail: [email protected].
3. Охлопков Виктор Петрович — к.ф.-м. п., ет. научн. сотр.; тел.: 939-50-97.
4. Любимов Герман Павлович — д. ф.-м.н., профессор, гл. научн. сотр.; тел.: 939-50-97.
