1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 60, № 2, 2020

Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 2, стр. 187-194

Метод кольца станций в исследовании вариаций космических лучей: 2. Примеры использования

М. А. Абунина 1, А. В. Белов 1, *, Е. А. Ерошенко 1, **, А. А. Абунин 1, 2, В. А. Оленева 1, В. Г. Янке 1, А. А. Мелкумян 3

1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
г. Москва, г. Троицк, Россия

2 Калмыцкий государственный университет им. Б.Б. Городовикова
г. Элиста, Россия

3 Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) им. И.М. Губкина
г. Москва, Россия

* E-mail: abelov@izmiran.ru
** E-mail: erosh@izmiran.ru

Поступила в редакцию 15.03.2019
После доработки 14.06.2019
Принята к публикации 26.09.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

С помощью метода кольца станций можно выделять и исследовать специфические угловые распределения вариаций космических лучей, которые плохо описываются суммой первых сферических гармоник. Приводятся примеры использования метода кольца станций и их подробное описание. Показано применение метода для исследования предвестников Форбуш-эффектов и особенностей поведения космических лучей внутри возмущений солнечного ветра.

1. ВВЕДЕНИЕ

Метод кольца станций – это простой и полезный инструмент для изучения вариаций космических лучей (КЛ), в частности, во время Форбуш-эффектов (ФЭ) и для определения предвестников межпланетных возмущений. Возможность использования непосредственных данных отдельных детекторов, без сложной обработки, независимо от конкретных моделей является главным достоинством этого метода. В первой части этой работы [Абунина и др., 2020] подробно описаны характеристики и особенности метода кольца станций. А в данной работе приводятся примеры использования метода для различных задач.

Чаще всего метод кольца станций используется при изучении Форбуш-эффектов. Существуют два основных типа возмущений межпланетной среды: рекуррентные и спорадические [Lockwood, 1971; Dorman, 1974; Shah et al., 1981; Cane, 2000; Belov, 2009; Абунин и др., 2012; Mavromichalaki et al., 2013; Belov et al., 2014; Kryakunova et al., 2015]. К первому типу относятся вращающиеся вместе с Солнцем высокоскоростные потоки плазмы из корональных дыр. Ко второму – корональные выбросы, которые при распространении от Солнца трансформируются в межпланетные облака (см., напр., [Bothmer and Zhukov, 2007; Gopalswamy, 2009]). Оба типа межпланетных возмущений способны вызвать отклик как в магнитосфере Земли, так и в вариациях КЛ. Но высокоскоростные потоки плазмы из корональных дыр, как правило, вызывают менее интенсивные геомагнитные бури и меньшие по величине Форбуш-эффекты, чем корональные выбросы.

Цель данной работы привести конкретные примеры использования метода кольца станций, описанного в работе [Абунина и др., 2020]. Далее будут рассмотрены события, источниками которых являются корональные выбросы, поскольку они достаточно часто сопровождаются ударной волной и можно точно оценить время прихода возмущения к Земле.

2. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА

2.1. Предвестники Форбуш-эффектов и межпланетных возмущений

Перед геомагнитными бурями, если они обусловлены корональными выбросами, в галактических космических лучах (ГКЛ) часто наблюдаются предвестники возмущения – предповышение или предпонижение плотности КЛ в определенных областях долгот до прихода к Земле ударной волны [Nagashima et al., 1990, 1994; Belov et al., 1995]. Увеличение амплитуды первой гармоники анизотропии космических лучей в такие периоды по данным сети нейтронных мониторов (НМ), как правило, связано именно с появлением предвестника [Papailiou et al., 2013].

Изучение аномалий (предпонижений и предповышений) в интенсивности КЛ, обычно предшествующих Форбуш-эффектам, является главным предметом многих исследований (см., напр., [Leerungnavarat et al., 2003; Dorman, 2005; Kudela and Storini, 2006]). Предпонижения, по-видимому, можно объяснить эффектом “конуса потерь”, в котором Земля оказывается магнитно связанной с обедненной КЛ областью за фронтом ударной волны, и часть КЛ из области пониженной плотности может выйти из зоны ФЭ вдоль магнитных силовых линий [Belov et al., 1995; Leerungnavarat et al., 2003]. В то время как предповышения вызваны ускорением галактических КЛ на фронте приближающихся межпланетных возмущений в результате отражения частиц от ударной волны [Дорман и др., 1972; Каминер и др., 1981; Belov et al., 1995; Kudela and Storini, 2006]. Оба типа предвестников создаются одновременно в области перед ударной волной. Наблюдаемый эффект зависит от формы и свойств (прежде всего, от скорости) межпланетной ударной волны и от взаимного расположения ударной волны и точки наблюдения. В реальных событиях можно видеть либо один из этих предвестников, либо ни одного, либо оба. Последний случай наиболее интересен, в нем создаются наиболее сложные и необычные угловые распределения интенсивности КЛ.

В недавних исследованиях [Papailiou et al., 2012a, 2012b] отмечается, что увеличение экваториальной составляющей первой гармоники анизотропии КЛ (Аху), наблюдаемое, по крайней мере, за час до прибытия ударной волны, может рассматриваться как часть предвестников больших Форбуш-эффектов и геомагнитных бурь.

Чаще всего предвестники наблюдаются в событиях, источники которых располагаются в западной зоне видимого солнечного диска (см., напр., [Papailiou et al., 2013]). Но иногда они регистрируются и для ФЭ с восточными и центральными солнечными источниками. Далее на многих рисунках показаны долготно-временны́е распределения вариаций КЛ. По вертикальной оси – асимптотическая долгота для станций космических лучей, на горизонтальной оси показана временнáя шкала в формате день.час (DD.HH). Понижение интенсивности потока КЛ показаны черными кружками, увеличение интенсивности космических лучей показано серыми кружками относительно спокойного базового периода. Размер кружка пропорционален величине вариаций. Вертикальной линией отмечено начало события. Каждая наклонная прямая из кружков соответствует вариациям КЛ одного НМ за одни сутки.

Событие 10 марта 2011 г.

Примером Форбуш-эффекта, источником которого является солнечная вспышка в западной части диска, может служить событие 10 марта 2011 г. Это событие началось в 06:45 UT, когда на Земле было зарегистрировано SSC. Источником являлась вспышка М3.7 (в активной области № 11 164, с координатами N24W46), которая произошла 07.03.2011 г. в 19:43 UT. Максимальная величина межпланетного магнитного поля в возмущении составляла 11.9 нТл, максимальная скорость солнечного ветра была 405 км/с, понижение интенсивности космических лучей составило ~2.5%, а максимум анизотропии составил 3%. Данное событие сопровождалось малой магнитной бурей (Kp-индекс был равен 5+, а Dst-индекс составил ‒83 нТл).

На рисунке 1 в начале диаграммы, 8 марта, наблюдаются суточные изменения в вариации КЛ, далее за 6–8 ч до регистрации SSC видно предвозрастание интенсивности КЛ (увеличение размера кружков) на асимптотических долготах 170°–310°, продолжающееся 8–10 ч после начала возмущения. Кроме того, за 3–4 ч на нескольких станциях зарегистрировано предпонижение в области 130°–180°. Отметим, что Форбуш-эффект начинался неравномерно, на некоторых НМ только через 10–12 ч.

Рис. 1.

Пример предвестника Форбуш-эффекта с западным солнечным источником 10 марта 2011 г.

В ряде исследований (напр., [Belov et al., 2001]) отмечалось, что во время предвестников появляется специфичное угловое распределение интенсивности ГКЛ, при котором максимум и минимум находятся очень близко друг к другу по долготе, и в этот момент интенсивность КЛ меняется очень сильно в определенных долготах. На рисунке 2 приведен пример такого углового распределения вариаций КЛ для события 10 марта 2011 г. в 02:00 UT – за четыре с половиной часа до регистрации ударной волны.

Рис. 2.

Распределение вариаций космических лучей по асимптотической долготе нейтронных мониторов для события 10 марта 2011 г. в 02:00 UT: точки – часовые вариации интенсивности космических лучей, ромбы – вариации интенсивности космических лучей, усредненные по секторам ±20°. Кривая – первая гармоника анизотропии космических лучей (солнечно-суточная вариация).

На рисунке 2 разброс вариаций составляет более 2.2% с очень узким минимумом в области 90°–115°. Четко проявляется близкое положение минимальной и максимальной вариаций космических лучей в узкой полосе долгот (~90°). Также из рис. 2 видно, что кривая первой гармоники не подходит для описания наблюдаемой долготной зависимости. Все эти особенности можно рассматривать в качестве предвестников приближающихся межпланетных возмущений.

Событие 17 марта 2013 г.

Другим показательным примером возмущения, но уже от центрального сектора, является возмущение 17 марта 2013 г., где в 05:59 UT у Земли была зарегистрирована ударная волна. Данное возмущение связано со вспышкой М1.1 (координаты N07E07), произошедшей 15 марта в 05:46 UT. Максимальная величина межпланетного магнитного поля в возмущении составляла 17.8 нТл, максимальная скорость солнечного ветра была 725 км/с, уменьшение интенсивности космических лучей составило ~8.6%, максимум анизотропии был равен 4.6%. В результате была зарегистрирована большая магнитная буря с Kp-индексом, равным 7–, и Dst-индексом равным –132 нТл.

В этом событии (рис. 3) за 12–14 ч до регистрации SSC началось предпонижение интенсивности КЛ на долготах 50°–150°. В действительности предпонижение, видимо, началось на сутки раньше и почти совпало по фазе с суточной волной, усилив ее.

Рис. 3.

Пример предвестника Форбуш-эффекта с центральным солнечным источником 17 марта 2013 г.

Событие 23 июня 2013 г.

Ярким примером события от восточного солнечного источника является возмущение 23 июня 2013 г., в котором в 04:26 UT было зарегистрировано SSC. Это возмущение связано со вспышкой М2.9, которая произошла 21 июня в 02:30 UT в активной области № 11 777 (с координатами S16E73). Максимальная величина межпланетного магнитного поля в возмущении составляла 7.6 нТл, максимальная скорость солнечного ветра была 697 км/с, уменьшение интенсивности космических лучей составило ~5.9%, а максимум анизотропии составил 1.7%. Данное событие сопровождалось небольшим усилением геомагнитной активности (Kp-индекс был равен 4+, а Dst-индекс составил –49 нТл).

На рисунке 4 в конце 21 – начале 22 июня вариации КЛ показывают распределение, соответствующее спокойному состоянию межпланетной среды. Предвозрастание практически на всех станциях началось за 10–12 ч до начала события (рис. 4) и продолжалось после регистрации SSC еще 2–8 ч.

Рис. 4.

Пример предвестника Форбуш-эффекта с восточным солнечным источником 23 июня 2013 г.

Событие 24 августа 2013 г.

Выше приводились примеры предвестников для ФЭ, которые начинались с прихода ударной волны. Но иногда можно наблюдать предвестники и для Форбуш-эффектов, для которых ударная волна не была зарегистрирована. Примером такого события является ФЭ 24 августа 2013 г. (рис. 5), когда за 4 ч до его начала на долготах 140°–160° наблюдалось предпонижение интенсивности КЛ.

Рис. 5.

Пример предвестника Форбуш-эффекта без ударной волны 24 августа 2013 г.

На рисунке 5 вертикальной чертой отмечено начало ФЭ. Конечно, при отсутствии ударной волны точное время начала ФЭ определить достаточно трудно и при этом нельзя обойтись без субъективизма. Однако мы учитываем многие факторы (изменение параметров солнечного ветра, геомагнитной активности и космических лучей) и считаем, что определяем начало достаточно верно (с точностью 1–2 ч). На рис. 6 приведены данные солнечного ветра, геомагнитной активности и космических лучей для 23–26 августа 2013 г. Видно, что в начале 24 августа началось резкое снижение плотности КЛ одновременно с небольшим, но резким увеличением скорости солнечного ветра и напряженности ММП и значительный рост экваториальной составляющей анизотропии КЛ. Учитывая все изменения, мы обозначили начало ФЭ 24 августа в 00 UT.

Рис. 6.

Поведение основных параметров солнечного ветра, космических лучей и геомагнитной активности 23–26 августа 2013 г. На верхней панели показаны изменения скорости солнечного ветра (верхняя кривая) и напряженности ММП (нижняя кривая); на средней панели – поведение плотности (А0) и экваториальной составляющей векторной анизотропии (Axy) КЛ; на нижней – индексы геомагнитной активности (Kp и Dst).

Отметим, что в данном событии не наблюдались значительные геомагнитные возмущения, но величина Форбуш-эффекта составила 3%. Плотность КЛ (рис. 6, средняя панель, верхняя кривая) рассчитана методом глобальной съемки для частиц с жесткостью 10 ГВ [Белов и др., 2018].

Необычное угловое распределение интенсивности КЛ, подобное показанному в событии 10 марта 2013 г. (рис. 2), может длиться достаточно долго. На рисунке 7 приведен пример похожего распределения для события 23 августа 2013 г. Здесь объединены вариации для трех последовательных часов, начиная с 20:00 UT (за четыре часа до начала ФЭ).

Рис. 7.

Распределение вариаций космических лучей по асимптотической долготе нейтронных мониторов для события 24 августа 2013 г. в течение трех часов с 20:00 UT 23.08.2013 г.: точки – часовые вариации интенсивности космических лучей, ромбы – вариации интенсивности космических лучей, усредненные по секторам ± 20°. Кривая – первая гармоника анизотропии космических лучей (солнечно-суточная вариация).

Из рисунка 7 видно, что на большинстве станций наблюдаются положительные вариации, превышающее 1%, за исключением узкого сектора на долготах 110°–140°, где наблюдалось предпонижение интенсивности КЛ.

2.2. Особенности поведения вариаций КЛ во время Форбуш-эффектов

Метод кольца станций также применим для исследования вариаций КЛ во время Форбуш-эффектов. Рассмотрим его использование в этом аспекте.

Событие 25 августа 2018 г.

25 августа 2018 г. зарегистрировано интересное событие. В начале диаграммы (рис. 8) зарегистрированы вариации КЛ, соответствующие спокойной межпланетной обстановке. После начала события понижение интенсивности космических лучей показывают не все станции НМ, а 25–26 августа на долготах 100°–270° наблюдается значительное увеличение интенсивности КЛ выше фонового значения на 2–3%, что хорошо видно на рис. 8.

Рис. 8.

Изменение интенсивности КЛ 24–27 августа 2018 г.

Во время этого события наблюдалось небольшое понижение плотности КЛ (≈1.5%), но сравнительно большие значения составляющих векторной анизотропии КЛ (экваториальная составляющая Axy = 2.9%; северо-южная составляющая Az = 2.35%) и большая магнитная буря (Kp = 7+, Dst = –174 нТл).

Показанное на рис. 8 поведение КЛ во время ФЭ является нетипичным, и эту редкую особенность наиболее наглядно выявляет метод кольца станций.

Анизотропное начало Форбуш-эффектов

Довольно часто ФЭ начинаются не одновременно на всех станциях, что связано с постепенным попаданием Земли в обедненную космическими лучами область. При построении долготно-временны́х диаграмм методом кольца станций, такие Форбуш-эффекты имеют анизотропное начало, что ярко демонстрируют рисунки 1, 4, 5.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Метод кольца станций служит одним из главных способов качественного выявления специфических изменений распределения вариаций КЛ, возникающих при приближении больших межпланетных возмущений к Земле. Он позволяет изучать сложное поведение анизотропии внутри возмущений солнечного ветра и выделять необычные угловые распределения вариаций КЛ, которые невозможно описать суммой первых сферических гармоник.

Метод кольца станций используется для изучения вариаций космических лучей во время Форбуш-эффектов и для обнаружения предвестников межпланетных возмущений и ФЭ, что было неоднократно доказано на практике.

На наш взгляд, метод кольца станций имеет значительный потенциал для развития и будет активно использоваться в будущем.

Список литературы

  1. − Абунин А.А., Абунина М.А., Белов А.В., Ерошенко Е.А., Оленева В.А., Янке В.Г. Форбуш-эффекты с внезапным и постепенным началом // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 52. № 3. С. 313–320. 2012.

  2. − Абунина М.А., Белов А.В., Ерошенко Е.А., Абунин А.А., Оленева В.А., Янке В.Г., Мелкумян А.А. Метод кольца станций в исследовании вариаций космических лучей: 1. Общее описание // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 60. № 1. С. 41‒48. 2020.

  3. − Белов А.В., Ерошенко Е.А., Янке В.Г., Оленева В.А., Абунин А.А., Абунина М.А. Метод глобальной съемки для мировой сети нейтронных мониторов // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 3. С. 374–389. 2018.

  4. − Дорман Л., Каминер Н., Кузьмичева А. Временны́е и пространственные изменения возрастаний интенсивности космических лучей перед Форбуш-понижениями // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 12. № 5. С. 814–822. 1972.

  5. − Каминер H.C., Кузьмичева A.E., Мымрина H.B. Энергетический спектр эффекта возрастания космических лучей перед Форбуш-понижением // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 21. № 2. С. 358–359. 1981.

  6. − Belov A.V., Dorman L.I., Eroshenko E.A., Iucci N., Villoresi G., Yanke V.G. Search for Predictors of Forbush Decreases / Proc. 24th ICRC, Rome, Italy, 1995. V. 4. P. 888–891. 1995.

  7. − Belov A.V., Bieber J.W., Eroshenko E.A., Evenson P., Pyle R., Yanke V.G. Pitch-Angle features in cosmic rays in advance of severe magnetic storms: neutron monitor observations / Proc. 27th ICRC. Hamburg, Germany, 2001. P. 3507–3510. 2001.

  8. − Belov A.V. Forbush effects and their connection with solar, interplanetary and geomagnetic phenomena / Proc. IAU Symp. V. 257. P. 439–450. 2009.

  9. − Belov A., Abunin A., Abunina M., Eroshenko E., Oleneva V., Yanke V., Papaioannou A., Mavromichalaki H., Gopalswamy N., Yashiro S. Coronal mass ejections and non-recurrent Forbush decreases // Solar Phys. V. 289. P. 3949–3960. 2014.

  10. − Bothmer V., Zhukov A. The Sun as the prime source of space weather / Space Weather – Physics and Effects. Ed. V. Bothmer and I.A. Daglis. Springer. P. 31–102. 2007.

  11. − Cane H.V. Coronal mass ejections and Forbush decreases // Space Sci. Rev. V. 93. P. 55–77. 2000.

  12. − Dorman L.I. Cosmic rays: variations and space explorations. Amsterdam: North-Holland. 1974. 675 p.

  13. − Dorman L.I. Space weather and dangerous phenomena on the Earth: principles of great geomagnetic storms forecasting by online cosmic ray data // Ann. Geophys. V. 23. I. 9. P. 2997–3002. 2005.

  14. − Gopalswamy N. Coronal mass ejections and space weather. Climate and Weather of the Sun-Earth system (CAWSES): selected papers from the 2007 Kyoto Symposium. Ed. T. Tsuda, R. Fujii, K. Shibata, and M.A. Geller: TERRAPUB, Tokyo. P. 77–120. 2009.

  15. − Kryakunova O., Belov A., Abunin A., Abunina M., Eroshenko E., Malimbayev A., Tsepakina I., Yanke V. Recurrent and sporadic Forbush-effects in deep solar minimum // J. Phys.: Conf. Ser. V. 632. 2015.https://doi.org/10.1088/1742-6596/632/1/012062

  16. − Kudela K., Storini M. Possible tools for space weather issues from cosmic ray continuous records // Adv. Space Res. V. 37. I. 8. P. 1443–1449. 2006.

  17. − Leerungnavarat K., Ruffolo D., Bieber J.W. Loss cone precursors to Forbush decreases and advance warning of space weather effects // Astrophys. J. V. 593. P. 587–596. 2003.

  18. − Lockwood J.A. Forbush decreases in the cosmic radiation // Space Sci. Revs. V. 12. P. 658–715. 1971.

  19. − Mavromichalaki H., Papaioannou A., Gerontidou M., Papailiou M., Plainaki C., Belov A., Eroshenko E., Abunin A., Abunina M., Yanke V. Cosmic ray events in the beginning of 2012 // J. Phys.: Conf. Ser. V. 409. 2013.https://doi.org/10.1088/1742-6596/409/1/012206

  20. − Nagashima K., Sakakibara S., Fujimoto K., Tatsuoka R., Morishita I. Localized pits and peaks in Forbush decrease, associated with stratified structure of disturbed and undisturbed magnetic fields // Nuovo Cimento C. V. 13C. P. 551–587. 1990.

  21. − Nagashima K., Fujimoto K., Morishita I. Interplanetary magnetic field collimated cosmic ray flow across magnetic shock from inside of Forbush decrease, observed as local-time-dependent precursory decrease on the ground // J. Geophys. Res. V. 99. № A11. P. 21419–21427. 1994.

  22. − Papailiou M., Mavromichalaki H., Belov A., Eroshenko E., Yanke V. Precursor effects in different cases of Forbush decreases // Solar Phys. V. 276. I. 1–2. P. 337–350. 2012a.

  23. − Papailiou M., Mavromichalaki H., Belov A., Eroshenko E., Yanke V. The asymptotic longitudinal cosmic ray intensity distribution as a precursor of Forbush decreases // Solar Phys. V. 280. I. 2. P. 641–650. 2012b.

  24. − Papailiou M., Mavromichalaki H., Abunina M., Belov A., Eroshenko E., Yanke V., Kryakunova O. Forbush decreases associated with western solar sources and geomagnetic storms: a study on precursors // Solar Phys. V. 283. I. 2. P.557–563. 2013.

  25. − Shah G., Kaul C., Razdan H., Kaul S. Causes of Forbush decreases / Proc. 17th ICRC. Paris, France, 1981. V. 4. P. 21–24. 1981.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал