Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1623-1626

ВВЕДЕНИЕ

В период умеренной солнечной активности [1] 9 апреля 1990 г. произошла геомагнитная буря с внезапным началом ~08:42 UT, вызванная приходом ударной волны от солнечной вспышки в активной области 6007 (координаты 24° с.ш., 28° в.д.). Вспышка сопровождалась радиовсплеском II типа, что указывает на наличие коронального выброса массы [2, 3]. К сожалению, в данный период имеются только отрывочные данные наблюдений межпланетного магнитного поля (ММП), но можно отметить, что скорость солнечного ветра (СВ) на орбите Земли составляла ~500 км/с и выше, модуль ММП и его B_z-составляющая в 19:00 UT 10 апреля доходили до ~28 и ~–25 нТл, соответственно. В этот период на мировой сети станций космических лучей (КЛ) наблюдался Форбуш-эффект (ФЭ). Следует отметить, что максимальное понижение интенсивности КЛ произошло почти на сутки раньше максимальной депрессии геомагнитного поля. Так максимальное понижение скорости счета нейтронного монитора (НМ) в Иркутске составило ~–8% в 21:00 UT 9 апреля, а минимальное значение D_st-индекса составило –280 нТл 10 апреля 1990 г. в 19:00 UT.

В работе рассчитаны спектры вариаций и анизотропия КЛ, а также параметры магнитосферных токовых систем в период исследуемых событий, с целью получения дополнительной информации для понимания природы этих явлений.

ДАННЫЕ И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Для анализа использовались данные мировой сети станций КЛ (42 НМ) [4], исправленные на давление и усредненные за часовые интервалы, а также данные космического аппарата GOES-7 (протоны в семи энергетических интервалах 0.8–4, 4–9, 9–15, 15–40, 40–80, 80–165 и 165–500 МэВ) [5]. Амплитуды модуляции отсчитывались от фонового уровня 8 апреля 1990 г. Выбор спокойного периода обусловлен тем, что в этот период электромагнитная обстановка в межпланетном пространстве и геомагнитная обстановка были спокойными, а спектр галактических КЛ наименее модулирован.

Анализ выполнен с применением метода спектрографической глобальной съемки (СГС) [6, 7]. Результаты интерпретированы в рамках модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями гелиосферы [8] и осесимметричной модели ограниченной магнитосферы Земли [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены амплитуды вариаций нейтронной компоненты КЛ (ΔI/I) на ст. Иркутск (R_c = 3.64 ГВ), амплитуды вариаций КЛ с жесткостью 10 ГВ на границе магнитосферы (ΔJ/J), амплитуды первой (А₁) и второй (А₂) гармоник питч-угловой анизотропии для частиц с жесткостью 4 ГВ, а также изменения жесткости геомагнитного обрезания (ЖГО) (ΔR) в Иркутске совместно с D_st-индексом 6–15 апреля 1990 г. Амплитуда понижения интенсивности КЛ на ст. Иркутск (см. рис. 1а) 9 апреля в 21:00 UT составила ~ –8%, а амплитуда эффекта в это время для частиц с жесткостью 10 ГВ на границе магнитосферы составила ~–15%. Максимальные значения А₁ (более 20%) наблюдались 7, 8 и 10 апреля, а А₂ (~15%) – 9 апреля (см. рис. 1б). В рамках модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями гелиосферы [8] возрастание амплитуд A₁ и A₂ (двунаправленной) наблюдается при изменениях напряженности ММП. Перед началом ФЭ амплитуды А₁ наблюдались в отдельные часы 06:00–08:00 UT, а также перед понижением интенсивности КЛ в конце 9–начале 10 апреля. Появление А₂ указывает на пребывание Земли в магнитном поле петлеобразной структуры. В это время повышенный поток частиц наблюдался из направлений с координатами в солнечно-эклиптической геоцентрической системе ψ = ~110°, λ = ~20° и ψ = ~270°, λ = = ~–20°.

Рис. 1.

Вариации нейтронной компоненты КЛ на ст. Иркутск (сплошная кривая) совместно с вариациями изотропной составляющей интенсивности первичных КЛ с жесткостью 10 ГВ (штриховая кривая) (а). Амплитуды первой A₁ (сплошная кривая) и второй A₂ (штриховая кривая) гармоник питч-углового распределения КЛ с жесткостью 4 ГВ (б); Временной ход изменений ЖГО в Иркутске (R_c = 3.64 ГВ) (сплошная кривая) совместно с D_st-индексом (штриховая кривая) (в).

Изменения ЖГО в Иркутске в период магнитной бури, сопровождавшей ФЭ, доходили до ~‒1.1 ГВ (см. рис. 1в). Максимальное понижение ЖГО и D_st-индекса произошло 10 апреля в 15:00 UT и в 19:00 UT, соответственно. Коэффициент корреляции между изменениями ЖГО в Иркутске и D_st -индексом составил ~0.82. ФЭ на Земле произошел на ~18 ч раньше, чем максимальное понижение ЖГО и на ~22 ч раньше, чем депрессия D_st-индекса. Причиной большой разницы начала ФЭ и геомагнитный бури согласно [10, 11] является геометрический фактор пересечения Землей переднего фронта крупномасштабных возмущений СВ.

Спектры вариаций КЛ в период рассматриваемого ФЭ не являются степенными в широкой области жесткостей. Только в диапазоне жесткостей выше ~10 ГВ эти спектры по жесткости близки к степенным. Получены средние значения показателя степени γ на разных стадиях события при аппроксимации жесткостных спектров вариаций степенной функцией от жесткости частиц в диапазоне жесткостей выше 10 ГВ. В моменты максимальной модуляции КЛ спектры вариаций мягче (γ = 0.93), чем на фазах спада (γ = 0.80), и восстановления (γ = 0.87) интенсивности КЛ.

На основе рассчитанных планетарных изменении ЖГО в период магнитной бури в апреле 1990 г. в рамках осесимметричной модели ограниченной магнитосферы, учитывающей токи на магнитопаузе и кольцевой ток [9], мы рассчитали расстояние до подсолнечной точки и радиус кольцевого тока, силу кольцевого тока (I_DR), тока на магнитопаузе (I_DCF), а также соотношение между вкладами от этих токов в D_st-индекс на разных фазах магнитной бури.

На рис. 2 представлены изменения ЖГО в отдельные моменты на разных фазах геомагнитной бури в апреле 1990 г. в зависимости от ЖГО. Видно, что на фазах наиболее интенсивного развития магнитной бури и на фазах ее затухания результаты расчетов изменений ЖГО по данным наблюдений интенсивности КЛ на мировой сети станций хорошо описываются осесимметричной моделью ограниченной магнитосферы [9], включающую только кольцевой ток и токи на магнитопаузе.

Рис. 2.

Зависимость изменения ЖГО от ЖГО на разных фазах геомагнитной бури в апреле 1990 г. Сплошная линия – результаты, полученные из данных мировой сети станций КЛ методом СГС, штрих-пунктирная линия – расчет по осесимметричной модели ограниченной магнитосферы с кольцевым током. Штриховая линия – вклад в изменения ЖГО от кольцевого тока, полученного по осесимметричной модели ограниченной магнитосферы.

В табл. 1 представлены наблюдаемые (D_{st набл}) и рассчитанные (D_{st расч}) значения D_st-индекса на разные фазах развития магнитной бури, а также вклад кольцевого тока (D_{st DR}) и токов на магнитопаузе (D_{st DCF}) в полную величину D_st-индекса и силу тока этих токовых систем. Рассчитанные параметры кольцевого тока и тока на магнитопаузе отражают суммарные вклады нескольких токовых систем. Поэтому правильнее говорить об эффективных радиусах токовых систем, дающих вклады в D_st-индекс подобно кольцевому току и току на магнитопаузе.

В табл. 2 приведены средние радиусы кольцевого тока (r_с) в единицах радиуса Земли и средние расстояния до подсолнечной точки (r_m) в рамках осесимметричной модели ограниченной магнитосферы для разных фаз развития геомагнитной бури. Минимальные радиусы кольцевого тока наблюдаются в главной фазе геомагнитной бури с последующим возрастанием на фазе восстановления геомагнитного возмущения. Поскольку в осесимметричной модели ограниченной магнитосферы не учитываются вклад многих токовых систем, а рассчитанные значения D_st-индекса в некоторые моменты близки к наблюдаемым, можно предположить, что в эти периоды магнитной бури основной вклад в ее интенсивность вносят симметричная составляющая DR и DCF-токов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спектры вариаций КЛ в период ФЭ не являются степенными в широкой области жесткостей, только выше ~10 ГВ жесткостные спектры вариаций КЛ близки к степенным. При аппроксимации спектров вариаций в период ФЭ степенной функцией от жесткости частиц при жесткости более 10 ГВ на фазе максимальной модуляции интенсивности КЛ наблюдается наибольший показатель спектра. В период повышенной амплитуды двунаправленной питч-угловой анизотропии КЛ в апреле 1990 г. Земля находилась в петлеобразной структуре ММП. Показана возможность по данным наземных измерений КЛ на мировой сети станций проводить количественную оценку радиуса и силу кольцевого тока, а также рассчитывать расстояние до подсолнечной точки и силу тока на магнитопаузе в периоды геомагнитных возмущений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Результаты получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования “Ангара” http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ и Уникальной научной установки “Российская национальная наземная сеть станций космических лучей” (Сеть СКЛ) [12].