Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1608-1610

ВВЕДЕНИЕ

Корональные дыры на Солнце являются областями с пониженной светимостью. Именно в них формируется высокоскоростной солнечный ветер [1]. В годы низкой солнечной активности, ввиду отсутствия более мощных источников, он является основной причиной возмущений межпланетного магнитного поля. Такие возмущения модулируют поток космических лучей (КЛ), пронизывающих магнитосферу Земли, и возмущают ее, порождая магнитные бури. Достигая земной поверхности, мюонная компонента КЛ регистрируется в режиме реального времени мюонным годоскопом УРАГАН [2], входящим в состав уникальной научной установки НЕВОД (НИЯУ МИФИ). Таким образом, используя данные мюонного годоскопа, возможно изучение пространственно-временных вариаций потока мюонов, несущих информацию о гелиосферных возмущениях.

ФОРМАТ ДАННЫХ МЮОННОГО ГОДОСКОПА УРАГАН

Мюонография – это часовая матрица параметров треков, нормированная на количество событий, сглаженная относительно медленных трендов и суточных колебаний интенсивности потока мюонов, а также скорректированная на форму углового распределения потока мюонов [3]. Последовательность таких матриц дает возможность изучать временное изменение угловых распределений потока мюонов [4]. Для получения мюонографий вычисляются относительные отклонения интенсивностей регистрируемого потока мюонов в единицах статистических погрешностей. Используя асимптотические направления, мюонографии из лабораторной системы координат преобразуются в угловое распределение родительских протонов на границе магнитопаузы в системе координат GSE (geocentric solar ecliptic system). Как в лабораторной системе, так и в GSE-отображении, мюонографии показывают области изменения потока вторичных и первичных космических лучей, а именно, размер областей (в стерадианах) и величину отклонения потока КЛ от среднего за предыдущие сутки (в единицах среднеквадратичного отклонения) [5]. Временные последовательности таких отклонений формируются в GSE-карты, удобные для анализа отклика мюонного годоскопа на гелиосферные события.

ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ

Рассмотрены магнитные бури [6], произошедшие в результате воздействия высокоскоростного солнечного ветра, порожденного корональными дырами [7], на магнитосферу Земли. Всего рассмотрено 81 событие, произошедшее в течение четырех лет: в конце 23 солнечного цикла–начале 24: 2009 (15 бурь), 2010 (25 бурь) и в конце 24 солнечного цикла – 2018 (30 бурь) и 2019 (14 бурь).

С 27 августа 2019 года на видимом диске Солнца находились две корональные дыры. Одна из них – контрастная, положительной полярности, пересекла центральный меридиан 28 августа. Возмущение геомагнитного поля Земли от нее было зарегистрировано с 31 августа по 02 сентября на всех широтах, а также 30 августа и 03 сентября в отдельные часы суток на средних широтах и в течение суток в высоких широтах [8]. Эта дыра являлась источником высокоскоростного солнечного ветра, ставшего причиной возмущения в межпланетном пространстве и магнитосфере Земли. На рис. 1 приведены изменения индукции межпланетного магнитного поля B, скорости солнечного ветра V_sw и индекса геомагнитной активности Kp в конце августа – начале сентября 2019 г. Из графика (рис. 1а) видно, что возмущение индукции межпланетного поля B началось утром 30 августа (в 05:00 и в 02:00 UTC соответственно), после вхождения корональной дыры в геоэффективные долготы. Начало возмущения скорости солнечного ветра зарегистрировано 30 августа в 20:00 (рис. 1а). Магнитная буря (Kp > 4) на Земле началась 31.08.2019 в 02:00 UTC. Максимального значения индекс геомагнитной активности достиг 31.08.2019 в 13:00 UTC. Серые и черные области на графиках – это области повышения и понижения потока КЛ в соответствии с полученными мюонографиями. Черными точками на графиках отмечены области понижения потока КЛ, серыми – повышение на 4σ. Долгота, на которой были зарегистрированы данные возмущения указана на левой вертикальной оси. Первое понижение потока КЛ было зарегистрировано 30.08.2019 в 03:00. Повышение потока КЛ зарегистрировано 30.08.2019 в 10:00. На протяжении двух последующих суток в потоке КЛ, зарегистрированных мюонным годоскопом, присутствовали области повышения и понижения интенсивности потока на 3σ. Первая область понижения потока была зарегистрирована за 23 ч до начала магнитной бури. Аналогичным образом были проанализированы все бури. Найдено, что в среднем отклик МГ УРАГАН на возмущения, порожденные корональными дырами, наблюдается на 17 ± 2 ч раньше, чем начало магнитной бури. Первая зарегистрированная область понижения потока КЛ соответствовала питч-углу 50°, а первая зарегистрированная область повышения потока КЛ соответствовала питч-углу 105°. Область с максимальным отклонением была зарегистрирована 30.08.2019 в 22:00 UTC, отклонение составило –5.3σ, и соответствовала питч-углу 73°.

Рис. 1.

Временные ряды индукции межпланетного магнитного поля (а), скорости солнечного ветра (б), индекса геомагнитной активности Kp (в). Серые точки – области повышения потока КЛ на 4σ и более, черные точки – области понижения потока КЛ на 4σ и более.

На рис. 2 представлены распределения областей деформаций и питч-углов для изменений (и повышений, и понижений) потока КЛ на 5σ и более.

Рис. 2.

Распределения размера областей изменения потока космических лучей (а) и питч-углов изменений потока КЛ, зарегистрированных в годы пониженной активности Солнца (б). Линиями с квадратами обозначены распределения 2009 г., с ромбами – 2010, круглыми точками – 2018 и треугольниками – 2019.

На рис. 2а представлено распределение размеров областей за 4 рассмотренных года с низкой активностью Солнца. В этот период наблюдались области деформации размером от 0.1 до 0.8 стерадиан. Наиболее часто были зарегистрированы области размером 0.4 стерадиана в независимости от года.

На рис. 2б представлены распределения питч-углов в рассмотренные годы. Получено, что в 2009 г. наиболее часто частицы, зарегистрированные годоскопом, влетали в магнитосферу Земли с питч-углом 50°, в 2010 г. с углом 90°, в 2018 – 50° и в 2019 – 80°. Не влетали в магнитосферу частицы с питч-углами 180° и 0° (направленные вдоль и против силовой линии магнитного поля).

Аналогично были проанализированы остальные события. Установлена связь между 81 корональной дырой, магнитной бурей и изменением потока космических лучей на поверхности Земли и при влете первичных частиц в магнитопаузу. Найдено, что отклик МГ УРАГАН проявляется на 17 ± 2 ч раньше, чем начинается магнитная буря в средних широтах. Установлены наиболее частые питч-углы влета первичны частиц в магнитопаузу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ GSE-карт подтверждает влияние корональных дыр на поток космических лучей, регистрируемых на Земле в годы минимума солнечной активности, а также показывает возможность прогнозирования геомагнитных возмущений, вызванных высокоскоростным солнечным ветром.

Работа выполнена на уникальной научной установке НЕВОД при поддержке гранта Президента Российской Федерации (проект МК-2203.2019.5).