1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 11, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1619-1622

Анализ жесткостных спектров вариаций космических лучей в октябре 2012 г.

А. А. Луковникова *

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук
Иркутск, Россия

* E-mail: luk@iszf.irk.ru

Поступила в редакцию 21.06.2021
После доработки 05.07.2021
Принята к публикации 28.07.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

По данным наземных и спутниковых наблюдений космических лучей на мировой сети станций нейтронных мониторов методом спектрографической глобальной съемки исследованы Форбуш-эффекты в октябре 2012 г. Получены жесткостные спектры вариаций первичных космических лучей на орбите Земли. Приведены показатели спектров вариаций космических лучей в отдельные периоды исследуемого события.

ВВЕДЕНИЕ

В течение 24-го цикла солнечной активности (СА) наблюдались аномалии в гелиосфере и на Солнце, например, ослабление солнечных магнитных полей, что подтверждается различными наблюдениями. Из-за этих аномалий данный цикл отличался необычно слабой модуляцией космических лучей (КЛ) на фазах роста и максимума СА [1].

Во время исследуемого периода наблюдался низкий уровень солнечной активности [2–4]. Число групп пятен на видимом диске Солнца менялось от 3 до 9. Вспышечная активность отмечена на среднем уровне 8–10 октября, на высоком – 20, 22 и 23 октября, когда в выходящей на видимый диск Солнца группе пятен Южного полушария произошли три мощные вспышки рентгеновского балла М9, М5 и X1.8. На средних широтах Земли возникли две магнитные бури, и четверо суток сохранялась возмущенная геомагнитная обстановка. На геостационарных орбитах 9–26 октября был отмечен очень высокий поток релятивистских электронов с энергиями более 2 МэВ. В октябре 2012 г. максимальные значения модуля межпланетного магнитного поля (ММП) были ~20 нТл, скорости солнечного ветра (СВ) ~600 км/с и Dst = –130 нТл. В течение октября 2012 г. по наземным наблюдениям на мировой сети станций КЛ было зафиксировано 10 Форбуш-эффектов [5] с различными амплитудами. На полярных станциях КЛ амплитуды модуляций доходили до ~–6.5%, на среднеширотных до ~–4%, на низкоширотных до ~–3%.

Целью данной работы является получение жесткостных спектров вариаций первичных КЛ на орбите Земли и спектральных индексов галактического спектра КЛ в периоды Форбуш-эффектов в октябре 2012 г.

ДАННЫЕ И МЕТОД

Для анализа использовались усредненные часовые данные наземных измерений на мировой сети нейтронных мониторов (42 станции) [6, 7], а также данные спутника GOES-13 [8]. Методом спектрографической глобальной съемки (СГС) [9–11] исследовались Форбуш-эффекты в октябре 2012 г. (период на фазе роста в 24-м цикле СА). Амплитуды модуляций отсчитывались от фонового уровня 05 октября 2012 года. В этот период электромагнитная обстановка в межпланетном пространстве и геомагнитная обстановка были спокойными: магнитных бурь не наблюдалось, вспышек класса C и выше на Солнце не было, Dst – индекс был ~0 нТл. По данным наземных наблюдений космических лучей на мировой сети станций, используемой как единый многоканальный прибор, методом СГС возможно исследовать вариации жесткостного спектра, анизотропии и изменения жесткостей геомагнитного обрезания за каждый час наблюдений [12]. Выражение для жесткостного спектра КЛ получено в рамках модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями гелиосферы [13, 14]. Жесткостный дифференциальный спектр КЛ в широком диапазоне энергий описывается выражением:

(1)
$J(R) = A\frac{{{{{\left( {{{{{\varepsilon }}}^{2}} - {{\varepsilon }}_{0}^{2}} \right)}}^{{{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}}}{{{{\varepsilon }}\left[ {{{{\left( {{{\varepsilon }} + \Delta {{\varepsilon }}} \right)}}^{2}} - {{\varepsilon }}_{0}^{2}} \right]}}{{\left( {\frac{{{{\varepsilon }} + \Delta {{\varepsilon }}}}{{{{T}_{0}} + {{{{\varepsilon }}}_{0}}}}} \right)}^{{ - \gamma }}},$
где ε – полная энергия частиц с жесткостью R, ε0 – энергия покоя, T0 – кинетическая энергия, при которой интенсивность КЛ соответствующей жесткости равна A, γ – спектральный индекс галактического спектра КЛ, Δε – изменение полной энергии частиц в электромагнитных полях гелиосферы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На рис. 1а–1е представлены дифференциальные жесткостные спектры КЛ за отдельные часы октября 2012 г. совместно с фоновым спектром КЛ. Результаты расчетов спектра в указанные моменты времени показаны сплошными кривыми на графиках, данные наблюдений – кругами. Для сравнения расчетный фоновый спектр за 00:00 UT 5 октября 2012 года обозначен пунктирной кривой, а данные наблюдений – треугольниками. Анализ рисунков показывает, что дифференциальный жесткостный спектр солнечных КЛ в этот период не описывается ни степенной, ни экспоненциальной функцией от жесткости частиц в широком диапазоне жесткостей. Используемый вид спектра хорошо (1) описывает наблюдаемую зависимость интенсивности КЛ от их жесткости в заданном диапазоне жесткостей.

Рис. 1.

Дифференциальные жесткостные спектры КЛ за 11 октября (панели а–в, 12:00, 13:00 и 15:00 UT соответственно) и 31 октября 2012 г. (панели г–е, 14:00, 15:00 и 19:00 UT соответственно) совместно с фоновым спектром КЛ. Сплошные кривые – результаты расчетов модельного спектра в указанные моменты времени, круги – данные наблюдений. Пунктирная кривая – расчетный фоновый спектр, треугольники – данные наблюдений.

На рис. 2 представлены спектры вариаций КЛ в отдельные часы 11 и 31 октября 2012 г. на разных стадиях исследуемого события. Во время фазы максимальной модуляции (13:00 UT) 11 октября (рис. 2а) максимум понижения КЛ находился в диапазоне ~2–3 ГВ, на фазе спада (12:00 UT) – в области ~6–7 ГВ, затем постепенно возвращался к начальным значениям во время восстановления (15:00 UT). Из рис. 2а видно, что вид спектра вариаций КЛ степенной только в области жесткостей от ~6 ГВ и выше в фазе максимальной модуляции КЛ, в другие моменты времени спектр степенным не является.

Рис. 2.

Спектры вариаций первичных КЛ в отдельные моменты Форбуш-эффектов 11 (а) и 31 (б) октября 2012 г. Сплошные линии – фаза максимальной модуляции КЛ, штриховая и штрихпунктирная линии – фазы спада и восстановления соответственно.

На рис. 2б представлены спектры вариаций КЛ в отдельные часы 31 октября 2012 г. на разных стадиях исследуемого события: 14:00 UT (фаза спада), 15:00 UT (фаза максимальной модуляции), 19:00 UT (фаза восстановления). Во время фазы максимальной модуляции максимум понижения КЛ находился в диапазоне ~3 ГВ, на фазе спада и восстановления – в области ~7 ГВ.

В табл. 1 приведены показатели спектра КЛ при его представлении степенной функцией по жесткости частиц в виде

(2)
${{\Delta J} \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta J} J}} \right. \kern-0em} J}\sim {{R}^{{ - \gamma }}},$
где ΔJ/J – амплитуда вариаций первичного спектра КЛ, R – жесткость частиц, γ – спектральный индекс галактического спектра КЛ (показатель спектра вариаций КЛ). Значения спектрального индекса γ (2) в диапазоне жесткостей 7–50 ГВ изменяются 11 октября от 0.7 до 2.13 (стандартная ошибка ~0.024), 31 октября от 0.87 до 1.02 (стандартная ошибка ~0.022).

Табл. 1.  

Спектральные индексы галактического спектра КЛγ при представлении его степенной функцией жесткости частиц в различных диапазонах жесткостей

Дата и время, UT Диапазон жесткостей, ГВ γ
11.10.2012 12:00 UT 10–50 0.7
31.10.2012 14:00 UT 0.87
11.10.2012 13:00 UT 7–30 2.13
31.10.2012 15:00 UT 10–50 1.02
11.10.2012 15:00 UT 10–50 0.75
31.10.2012 19:00 UT 0.85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Используемый вид спектра (1) хорошо описывает наблюдаемую зависимость интенсивности КЛ от их жесткости на всем анализируемом временном интервале. Максимум понижения КЛ во время фазы максимальной модуляции находился в диапазоне ~2–3 ГВ, на фазе спада и во время восстановления – в области ~6–7 ГВ. Вид спектра амплитуд модуляции является степенным только в области жесткостей от ~6 ГВ и выше в фазе максимальной модуляции КЛ во время описываемых Форбуш-эффектов, в другие моменты времени спектр степенным не является. Значения спектрального индекса γ (2) изменяются 11 октября от 0.7 до 2.1, 31 октября от 0.87 до 1.02.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России. 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)” [15].

Список литературы

  1. Гущина Р.Т., Белов А.В., Ерошенко Е.А. и др. // Геомагн. и аэроном. 2014. Т. 54. № 4. С. 470; Gushchina R.T., Belov A.V., Eroshenko E.A. et al. // Geomagn. Aeron. 2014. V. 54. No. 4. P. 430.

  2. Ишков В.Н. // Земля и Вселенная. 2013. № 2. С. 33.

  3. http://tesis.lebedev.ru/sun_flares.html.

  4. http://www.spaceweather.com.

  5. http://spaceweather.izmiran.ru.

  6. http://nmdb.eu/nest.

  7. ftp://ftp.isee.nagoya-u.ac.jp.

  8. https://satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/avg/2012/ 10/ goes13.

  9. Dvornikov V.M., Sdobnov V.E., Sergeev A.V. // Proc. 18th ICRC. V. 3. (Bangalore, 1983). P. 249.

  10. Dvornikov V.M., Sdodnov V.E. // JGR. 1997. V. 102. No. A11. Art. No. 24209.

  11. Richardson I.G., Cane H.V., Dvornikov V.M., Sdob-nov V.E. // JGR. 2000. V. 105. No. A6. Art. No. 12579.

  12. Lukovnikova A.A. // Proc. 36th ICRC. V. 358. (Madison, 2019). Art. No. 27.

  13. Dvornikov V.M., Sdobnov V.E. // IJGA. 2002. V. 3. No. 3. P. 217.

  14. Dvornikov V.M., Kravtsova M.V., Lukovnikova A.A. et al. // Proc. 30th ICRC. V. 1. (Merida, 2007). P. 127.

  15. http://cr.izmiran.ru/dbs_unu.html.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал