Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 602-605

ВВЕДЕНИЕ

Интересной особенностью 11-летних циклов солнечной активности является появление мощных активных областей во время существенного спада ее уровня, практически вблизи минимума солнечной активности. Это наблюдалось, например, в конце 21-го цикла солнечной активности: в феврале 1986 г. произошли солнечные вспышки в активной области (АО) NOAA 4711 (солнечные координаты S06 W04), в том числе 6 февраля вспышка рентгеновского/оптического излучения балла X17/3B (начало в ≈06:18 UT [1]). В 22-м цикле солнечной активности – 9 июля 1996 г. в активной области NOAA 7978 (S10 W30) произошла серия вспышек, включая известное событие балла X2.2/2В (начало в ≈09:09 UT) [1, 2]. В 23-м цикле солнечной активности, в период 4–13 декабря 2006 г. наблюдалась серия вспышек рентгеновского излучения класса С, М и Х в АО NOAA 10930 (S07 E79), среди которых мощная вспышка балла X3.4/4B 13 декабря 2006 г. (≈02:40 UT) [1, 3]. Завершающийся 24-й солнечный цикл подтверждает эту особенность: в сентябре 2017 г. на Солнце появилась активная область NOAA 12673 (S11 W16), в которой произошел ряд солнечных вспышек, включая мощные вспышки 6 сентября (X9.3) и 10 сентября (X8.2) [4, 5]. Следует отметить, что появление вспышечных потоков частиц на орбите Земли и проявление геомагнитных возмущений зависят, в основном, от взаимного положения активной области на Солнце и земного наблюдателя относительно силовых линий межпланетного магнитного поля, вдоль которых происходит перенос основного потока солнечных космических лучей. Поэтому в ряде случаев мощная солнечная вспышка, произошедшая в “неблагоприятной” восточной части солнечного диска (или вблизи центрального меридиана), может привести к появлению больших потоков солнечных протонов с энергиями меньше 100 МэВ на орбите Земли при полном отсутствии протонов ГэВ-ных энергий.

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В СЕНТЯБРЕ 2017 г.

В сентябре 2017 г. на Солнце появилась активная область NOAA 12673 (S11 W16), в которой произошел ряд солнечных вспышек: вспышки 4 и 5 сентября привели к появлению межпланетного возмущения и геомагнитной бури, наблюдавшихся с 6 по 10 сентября. В этот период зарегистрирована серия форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей (КЛ), наблюдавшихся мировой сетью наземных нейтронных мониторов NMDB [6]. На рис. 1 для примера приведены временные профили скорости счета высокоширотных нейтронных мониторов (НМ) Терра Адели (кривая 1; Terre Adelie; жесткость геомагнитного обрезания R_c = 0.01 ГВ) и Апатиты (кривая 2; R_c = 0.65 ГВ) в период с 6 сентября (12 UT) по 11 сентября (24 UT) 2017 г. Понижение интенсивности ГКЛ с амплитудой ≈2% произошло в начале 7 сентября с началом геомагнитной бури. Далее значительное уменьшение потоков КЛ продолжилось в конце 7 сентября, оно достигло максимального спада 8 сентября (≈14–16 UT) с величинами ≈10 и ≈8%, на НМ Терра Адели и Апатиты, соответственно. Это понижение КЛ приходится на главную фазу геомагнитной бури, когда величина геомагнитного часового индекса Dst уменьшилась до –124 нТ, а 3-х часовой планетарный геомагнитный индекс K_p достиг величины 8.3. На низкоширотных НМ с жесткостью геомагнитного обрезания R_c > 5 ГВ уменьшение потока ГКЛ в это время составило меньше 1%. Восстановление потоков ГКЛ началось 8 сентября (позже 16 UT).

Рис. 1.

Вариации темпа счета N (отн. ед.) на наземных нейтронных мониторах Терра Адели (Terre Adelie; кривая 1) и Апатиты (кривая 2) в период с 6 сентября (12 UT) по 11 сентября (24 UT) 2017 г.

Первый приход потоков малоэнергичных солнечных протонов (<50 МэВ; по данным измерений на борту GOES-13) зарегистрирован 4 сентября в ≈23 UT. Источником этих частиц является серия солнечных вспышек класса М, произошедшая 4 сентября в АО 12673 (S08 W15). Более энергичные солнечные протоны с энергией выше 100 МэВ наблюдались 6 сентября (начиная с ≈13 UT). Основными источниками этих частиц являлись солнечные вспышки класса Х2.2/2В и Х9.3/3В, произошедшие 6 сентября в ≈08:57 UT и ≈11:53 UT в той же АО 12673 (S09 W35). Возрастание темпа счета наземных НМ во время этих событий не зарегистрировано. Самым мощным солнечно-протонным событием явилось возрастание СКЛ 10 сентября, начавшееся в ≈16:06 UT [6], в котором наблюдалось возрастание потоков протонов в широком интервале энергий (десятки МэВ – несколько ГэВ). Оно зарегистрировано по данным сети НМ как наземное возрастание потоков СКЛ – событие GLE 72 (см. рис. 1). Источником этого GLE 72 является солнечная вспышка 10 сентября балла X8.2, произошедшая в 15:35 UT в АО 12673 (S09 W84) [5].

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ СКЛ 11 И 13 СЕНТЯБРЯ 2017 г.

Важной характеристикой процесса ускорения в солнечной вспышке, процесса распространения заряженных частиц в солнечной короне и в межпланетной среде является их энергетический спектр и его вариации во время развития вспышки. Непрерывные измерения потоков солнечных протонов на борту GOES-13 в период 3–12 сентября позволяют определить интегральные энергетические спектры частиц в области энергий 5–100 МэВ. Баллонные измерения солнечных протонов в земной атмосфере были проведены в Мурманской обл. (ст. Апатиты, R_c = 0.65 ГВ) и в Антарктиде (обс. Мирный, R_c = 0.03 ГВ) лишь 11 и 13 сентября 2017 г. Это обусловлено стандартным графиком проведения измерений в атмосфере. Для выделения потоков солнечных протонов на фоне потоков ГКЛ и определения энергетических спектров солнечных протонов использована методика, разработанная на ДНС ФИАН [7–11]. В ней предусмотрено определение спектра поглощения протонов, введение поправок на ядерное взаимодействие высокоэнергичных протонов с энергией свыше 500 МэВ и пересчет Гросса. В области энергий свыше 450 МэВ данные о спектре протонов получены на основе измерений на наземных нейтронных мониторах. В основе примененного нами метода лежит использование коэффициентов кратности вторичной компоненты, образуемой в земной атмосфере первичными потоками высокоэнергичных солнечных протонов. Оценка максимальной энергии в спектре протонов (Е_мах) проводилась на основе зарегистрированного широтного эффекта возрастания темпа счета наземных НМ в заданное время. Более подробно описание этого метода дано в работах [8, 9]. Полученные характеристики энергетических спектров солнечных протонов на основе их измерений на борту GOES-13 [1], в земной атмосфере и на мировой сети наземных НМ представлены в таблице. На рис. 2а представлен спектр протонов, определенный по описанной выше методике. В качестве баллонных измерений использованы результаты, полученные в атмосфере в обс. Мирный (Антарктида) 11 сентября, 08:30–09:30 UT. Возрастание счета на НМ Терра Адели и Апатиты составило в среднем 2%. Оценка величины Е_мах дает значение 5 ГэВ. Результаты определения характеристик энергетического спектра для других интервалов времени представлены в таблице.

Рис. 2.

а – Энергетический спектр солнечных протонов (а), восстановленный по данным измерений 11 сентября 2017 г. в 08:30–09:30 UT на борту спутника GOES (область энергий меньше 100 МэВ, кресты), по измерениям в стратосфере в обс. Мирный, Антарктида (кружки) и на наземных НМ Терра Адели и Апатиты, Е > 500 МэВ (сплошная линия). Единица потока протонов 1 СЕП = 1 см^–2 · с^–1 · ср^–1; б – энергетический спектр Time-Of-Maximum (TOM), определенный по данным GOES-13 (кресты) и наземной сети нейтронных мониторов (сплошная линия) для солнечного протонного события 10 сентября 2017 г. (GLE72). Штриховая линия соответствует интерполяции между данными GOES-13 и данными наземных НМ.

Важной характеристикой солнечной вспышки является энергетический спектр солнечных протонов, определенный на основе максимальных величин потоков, зарегистрированных во время события различными детекторами и приборами (т.н. Time-Of-Maximum spectrum, или ТОМ-спектр [12]). Для его определения нами использованы данные о максимальных потоках протонов в различных энергетических интервалах, зарегистрированных на GOES-13, и данные об амплитудах возрастания счета на наземных НМ. При этом для определения спектра протонов использована вышеуказанная методика. Определенный таким образом энергетический спектр представлен на рис. 2б. Анализ ТОМ-спектра в этом событии приводит к выводу о том, что наблюдавшиеся потоки солнечных протонов в области энергий меньше 100–200 МэВ сопоставимы по величине с предыдущими мощными солнечно-протонными событиями 29 сентября и 19 октября 1989 г. А в области энергий больше 1 ГэВ потоки протонов на ~3 порядка меньше, чем в указанных выше событиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен анализ экспериментальных данных о солнечной активности и результатов измерений космических лучей в околоземном космическом пространстве, в земной стратосфере и на наземных нейтронных мониторах в сентябре 2017 г. Этот период отмечен внезапным усилением солнечной активности и появлением ряда мощных солнечных вспышек (в том числе Х-класса) в период 4–10 сентября на фоне исключительно низкого уровня солнечной активности в текущем 24-ом цикле. Эти вспышки вызвали геомагнитные возмущения и форбуш-понижение интенсивности галактических космических лучей 5–10 сентября 2017 г. Вместе с тем, большие потоки солнечных протонов с энергиями 10 МэВ–сотни МэВ зарегистрированы в околоземном космическом пространстве, в стратосфере и на наземных нейтронных мониторах. Совместный анализ указанных массивов экспериментальных данных позволил определить энергетические спектры солнечных протонов 11 и 13 сентября и ТОМ-спектр для нового события GLE 72.

Работа выполнена при частичной поддержке программы Президиума РАН 2018 (23 П). В работе использованы данные вспышек, представленные в международной базе данных нейтронных мониторов NMDB и университета г. Оулу (Финляндия, http://gle.oulu.fi/).