Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 586-589

ВВЕДЕНИЕ

Событие на Солнце 28 октября 2003 г. обсуждалось во многих работах, например [1–5]. Мы решили внести свой вклад в изучение некоторых характеристик наземного возрастания интенсивности космических лучей (КЛ) (GLE65), продолжая систематическое изучение методом спектрографической глобальной съемки (СГС) [6] серии GLE в 23 цикле солнечной активности (1996–2008 гг.), поскольку по ним имеются обширные базы данных наблюдений наземной сети, космических аппаратов и т.д.

Вспышка на Солнце 28.10.2003 г., вызвавшая GLE65, относится к экстремальным событиям. Максимальное значение потока протонов составило 29500 pfu при энергии протонов >10 MэВ. Вспышка произошла в активной области 10486 (координаты 16° S, 08° E) и имела балл X17.2/4B [7]. Начало вспышки наблюдалось в 09:51 UT, максимум – в ~11:10 UT. Согласно выводам работы [5] вспышка 28 октября 2003 г. состоит из комбинации трех энерговыделений в различных точках активной области, которые связаны с изменением магнитной полярности.

Начиная c 11:11 UT, вспышка сопровождалась всплеском II типа в метровом радиодиапазоне (m-Type II), а в 11:30 UT в поле зрения коронографа LASCO/SOHO [7] попал самый высокоскоростной корональный выброс массы (КВМ) типа полного гало (V = 2459 км ⋅ с^–1), детально изученный в работе [8]. Наличие всплеска II типа является показателем того, что КВМ способен генерировать сильную ударную волну из нижней части солнечной короны в межпланетную среду и является типичным для событий GLE [9].

28 октября 2003 г. ~12:00 UT мировой сетью станций КЛ было зарегистрировано повышение интенсивности нейтронной компоненты КЛ (GLE65). Особенностью этого события является, во-первых, что оно произошло на фазе восстановления форбуш-понижения, начавшегося после геомагнитной бури 28 октября 2003 г.; во-вторых, пик возрастания интенсивности КЛ на станциях мировой сети вследствие сильной анизотропии имеет сдвиг. Так, на высокоширотных станциях сдвиг наблюдается с задержкой относительно момента генерации (12:00 UT) за исключением станции Мак-Мердо (высота наблюдения 48 м, Rc = = 0.0 ГВ). К примеру, на среднеширотной станции Москва (высота наблюдения 200 м, Rc = 2.39 ГВ) и низкоширотной станции Цумеб (высота наблюдения 1240 м, Rc = 9.29 ГВ) – раньше, чем на высокоширотной станции Апатиты (высота наблюдения 177 м, Rc = 0.6 ГВ). Примечательно, что на станции Цумеб возрастание интенсивности КЛ наблюдалось одновременно с регистрацией нейтронов прибором СОНГ на космическом аппарате (КА) КОРОНАС [1].

Целью настоящей работы является получение энергетических спектров в широком диапазоне энергий и анизотропии КЛ в период GLE65.

ДАННЫЕ И МЕТОД

Для анализа GLE в нерелятивистском диапазоне энергий использовались данные измерений протонов на орбите Земли КА GOES-11 [10], при релятивистских энергиях – результаты обработки усредненных за часовые интервалы данные наземных измерений на мировой сети нейтронных мониторов (44 станции) [11].

Амплитуды модуляции отсчитывались от фонового уровня 12 октября 2003 г. Выбор спокойного периода обусловлен тем, что в этот период по сравнению с периодом, когда наблюдалось GLE, электромагнитная обстановка в межпланетном пространстве и геомагнитная обстановка были спокойными, а спектр галактических КЛ наименее модулирован.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Из рис. 1а видно, что относительно выбранного уровня отсчета амплитуда эффекта в часовом осреднении на высокоширотной станции Мак-Мердо (высота наблюдения 48 м, Rc = 0.0 ГВ) составляет ~16%, на среднеширотной станции Иркутск (высота наблюдения 465 м, Rc = 3.66 ГВ) – ~4% с максимумом смещенным на 1 ч относительно начала GLE (12:00 UT), а на низкоширотной станции Цумеб (высота наблюдения 1240 м, Rc = = 9.29 ГВ) амплитуда эффекта менее 1%. Увеличение амплитуды вариаций КЛ на станции Цумеб говорит о том, что на орбиту Земли пришли протоны, ускоренные до жесткостей свыше ~9 ГВ.

Рис. 1.

а – Временной ход амплитуд вариаций нейтронной компоненты КЛ на отдельных станциях мировой сети (1 – Мак-Мердо (Rc = 0.0 ГВ), 2 – Иркутск (Rc = 3.66 ГВ), 3 – Цумеб (Rc = 9.29 ГВ)); б – временной ход интенсивности протонов, зарегистрированных на КА GOES-11 в трех энергетических диапазонах (1 – 40–80 МэВ, 2 – 80–165 МэВ, 3 – 165–500 МэВ); в – вариации изотропной составляющей интенсивности первичных КЛ с жесткостью 4 ГВ; г, д – амплитуды первой A₁ и второй A₂ гармоник питч-углового распределения КЛ с жесткостью 4 ГВ.

Начиная с 12:00 UT 28 октября (см. рис. 1б), потоки протонов на орбите Земли в диапазонах 40–80, 80–165 и 165–500 МэВ выросли на ~1.5–2 порядка по сравнению с потоками частиц в 11:00 UT.

На рис. 1в видно, что поток протонов с жесткостью 4 ГВ на границе магнитосферы Земли в 12:00 UT увеличился на ~26% относительно потока в 11:00 UT. Как следует из графиков (см. рис. 1г, 1д), в отдельные часы 28.10.2003 г. наблюдается сильная анизотропия КЛ с амплитудами ~11–22% для первой сферической гармоники питч-угловой анизотропии (A₁). Максимальные амплитуды A₁ для частиц с жесткостью 4 ГВ наблюдались в 02:00 UT (~19%), 07:00 UT (~17%), 12:00 UT (~22%), а второй сферической гармоники питч-угловой анизотропии (A₂) для частиц той же жесткости – в 05:00–06:00 UT (~15%) и 12:00 UT (~17%). При входе и выходе Земли в структуры, подобные КВМ, наблюдается увеличение амплитуды первой гармоники питч-углового распределения, а возрастание амплитуды второй гармоники питч-углового распределения указывает на наличие в ММП петлеобразной структуры [12]. В работах [2, 3] упоминается о петлеобразной структуре ММП 28 октября 2003 г. Однако в работе [2] из-за отсутствия независимых доказательств авторы только предположили, что аномальное распространение частиц связано с расположением Земли внутри замкнутой магнитной петли при появлении GLE.

Используя выражение для жесткостного спектра КЛ, полученного в рамках модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями гелиосферы [12], по данным измерений на КА GOES-11 и мировой сети станций КЛ нами были рассчитаны дифференциальные жесткостные спектры КЛ на орбите Земли. Из рис. 2а видно, что используемый вид спектра хорошо описывает наблюдаемую зависимость интенсивности КЛ от их жесткости. Дифференциальный жесткостной спектр солнечных КЛ в этот период не описывается ни степенной, ни экспоненциальной функцией от жесткости частиц в широком диапазоне жесткостей. На рис. 2б представлены жесткостные спектры вариаций КЛ в последовательные моменты времени развития GLE65 относительно уровня 10:00–11.00 UT, принятого в базе данных [13]. В начальный момент исследуемого события (в 12.00 UT) спектр вариаций близок к степенному с показателем γ ~ –1.73. В последующие моменты времени спектры вариаций КЛ не являются степенными. Максимальная жесткость ускоренных протонов в 14:00 UT (спустя два часа после GLE65) по результатам обработки данных мировой сети методом СГС составила ~14 ГВ. В последующие моменты этого события ускоренные частицы с жесткостью выше ~8–10 ГВ не наблюдаются.

Рис. 2.

а – Дифференциальные жесткостные спектры КЛ (кривые – результаты расчетов, значки – данные наблюдений); б – жесткостные спектры вариаций КЛ в отдельные моменты времени развития GLE65 (1 – 12:00 UT, 2 – 14:00 UT, 3 – 16:00 UT).

28 октября 2003 г. повышенный поток частиц в 12:00 UT (в момент регистрации GLE ~ 46%) и 14:00 UT идет практически из одного направления ψ ~ 20°, λ ~ –30°, т.е. присутствует ярко выраженная первая гармоника питч-угловой анизотропии. В 16:00 UT наблюдается двунаправленная анизотропия с повышенной интенсивностью из направлений ~20°, ~0° и ~185°, ~15°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы: дифференциальный жесткостной спектр солнечных КЛ в диапазоне жесткостей от ~0.2 до 20 ГВ в этот период не описывается ни степенной, ни экспоненциальной функцией от жесткости частиц, а распределение КЛ по направлениям прихода к Земле динамично во времени; в начальной стадии события (12:00 UT) спектр вариаций близок к степенному с показателем γ ~ –1.73, а в последующие моменты спектры вариаций КЛ не являются степенными; в период GLE65 (28 октября 2003 г.) ускорение протонов произошло до жесткостей ~10–14 ГВ; в исследуемый период Земля находилась в петлеобразной структуре ММП.

Работа выполнена в рамках базового финансирования программы Фундаментальных научных исследований II.16. Результаты получены на оборудовании Центра коллективного пользования “Ангара” http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ и Уникальной научной установки “Российская национальная наземная сеть станций космических лучей (Сеть СКЛ)”.