1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 8, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 8, стр. 1189-1193

Определение момента инжекции протонов в солнечных протонных событиях по их временному ходу

Ю. П. Очелков *

Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова
Москва, Россия

* E-mail: yur_och@mail.ru

Поступила в редакцию 25.02.2021
После доработки 12.03.2021
Принята к публикации 28.04.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Предложен способ определения времени инжекции протонов с энергиями 10–100 МэВ в солнечных протонных событиях, обладающих свойством масштабного подобия. В таких событиях можно определить момент инжекции по временному ходу. На примере ряда событий показано, что инжекция протонов в них происходит при распространении коронального выброса масс в момент времени, когда он достигает расстояния один – полтора радиуса Солнца.

ВВЕДЕНИЕ

Определение момента инжекции протонов в солнечных протонных событиях (СПС) имеет большое значение в решении вопроса о том, где ускоряются солнечные протоны: в солнечных вспышках или при движении корональных выбросов масс (КВМ). Этот вопрос является важнейшим в физике солнечных космических лучей и до сих пор не решен [1, 2]. Существуют различные точки зрения и различные подходы к его решению. Обычно исследуется начальная стадия СПС и по первому приходу протонов делаются попытки определить момент инжекции протонов в область свободного распространения [3, 4]. Недостатки такого подхода: использование только одного измерения для решения задачи и трудности определения времени распространения частиц от Солнца до Земли. Другой подход – определение момента инжекции по временному ходу – также встречается с трудностями, так как временные ходы событий СПС отличаются большим разнообразием из-за многообразия условий распространения частиц, и, поэтому, отсутствует достаточно хорошая их аппроксимация. В [5] было показано, что существуют события с достаточно простым временным ходом, который описывается функцией, одинаковой для всех энергий и событий и содержащей только один временной параметр. Это означает, что существует целый ряд событий, временной ход которых обладает свойством масштабного подобия (для энергий от 10 до 100 МэВ), что позволяет определять момент инжекции протонов в этих событиях по их временному ходу.

МАСШТАБНО-ПОДОБНЫЕ СОБЫТИЯ

Если временной ход зависит от одного временного параметра, то его можно записать в виде:

(1)
$J\left( t \right) = {{J}_{m}}\left( E \right)f\left( {t,~{{{{\tau }}}_{1}},~{{\alpha }}\left( E \right)} \right).$

В (1) J(t) – наблюдаемый поток протонов на орбите Земли, Jm(E) – поток протонов в максимуме события, f – безразмерная функция, зависящая от одного макроскопического временного параметра τ1. В общем виде существует также зависимость от энергии протонов в виде параметра α(E). В [5] было показано, что зависимость от энергии отсутствует: α(E) = const(E) (по крайней мере, в диапазоне энергий от 10 до 100 МэВ). В этом случае можно говорить о существовании масштабного подобия и перейти к безразмерным переменным: x = t/τ1 и J/Jm (см. также [6]). Тогда временные профили таких событий будут описываться функцией одной переменной x для всех энергий из указанного выше диапазона. В качестве параметра τ1 удобно выбрать интервал времени от момента инжекции Tinj протонов до момента времени достижения максимума в протонном событии Tm: ΔTm = Tm – Tinj.

В [5] показано, что временной профиль масштабноподобных событий хорошо описывается функцией:

(2)
$\begin{gathered} {\text{lg}}J\left( t \right) = \\ = \,\,{\text{lg}}{{J}_{m}} - 3\left( {{\text{lg}}\frac{{t - {{T}_{{inj}}}}}{{\Delta {{T}_{m}}}}~ - {{\left( {1 - \frac{{\Delta {{T}_{m}}}}{{t - {{T}_{{inj}}}}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {1 - \frac{{\Delta {{T}_{m}}}}{{t - {{T}_{{inj}}}}}} \right)} {{\text{ln}}10}}} \right. \kern-0em} {{\text{ln}}10}}} \right). \\ \end{gathered} $

Такая зависимость соответствует диффузионному распространению протонов в двумерном пространстве с коэффициентом диффузии, зависящим от расстояния r по степенному закону с показателем степени, равным 1 для всех энергий (от 10 до 100 МэВ).

Следует отметить, что масштабно-подобный временной ход часто искажается возмущениями особенно для малых энергий. На фазе максимума эти возмущения могут быть объяснены длительной инжекцией протонов [5], приводящей как бы к срезанию вершины кривой (см. рис. 1б, 1в), а на фазе спада влиянием ударной волны от КВМ.

Рис. 1.

Аппроксимация временного хода события 15.04.2001. Точки – экспериментальные данные, жирная линия – зависимость (2), по которой определялось Tinj. Пунктир для (а) и (б) – зависимости (2) для Tinj ± 5 мин, тонкие линии для (а) и (б) – зависимости (2) для Tinj ± 10 мин.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ИНЖЕКЦИИ ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ СОБЫТИЙ

Аппроксимация реальных временных ходов с помощью зависимости (2) осуществлялась путем подбора параметра Tinj, при котором совпадение кривых (реального временного хода и аппроксимирующего) будет наилучшим. Из рис. 1a, 1б и 2а, 2б видно, что Tinj при этом можно определить с точностью ±5 мин. При этом нельзя использовать данные по интегральным энергетическим каналам, так как масштабное подобие справедливо для потоков протонов с определенной энергией.

С целью определения времени инжекции протонов в протонных событиях были построены временные ходы для следующих событий СПС: 4.11.1997, 6.11.1997, 15.04.2001, 20.05.2001, 13.12.2006 (17 временных ходов для разных энергий), обладающих свойством масштабного подобия, и в которых возмущения временного хода проявляются слабо. На рис. 1 и 2 приведены временные ходы для событий 15.04.2001, 13.12.2006 для разных энергий протонов. Как видно из рисунков, зависимость (2) достаточно хорошо описывает экспериментальные данные при одинаковом времени инжекции для всех энергий.

Рис. 2.

Аппроксимация временного хода события 13.02.2006. Точки – экспериментальные данные, жирная линия–зависимость (2), по которой определялось Tinj. Пунктир для (а) и (б) – зависимости (2) для Tinj ± 5 мин, тонкие линии для (а) и (б) – зависимости (2) для Tinj ± 10 мин.

Для исследования временных ходов и анализа момента инжекции были использованы следующие данные: данные по потокам протонов с КА GOES с пятиминутным усреднением [7] (данные для каналов 10–30, 30–50, 50–60 и 60–100 МэВ получены путем вычитания данных интегральных каналов 10, >30, >50, >60, >100 МэВ); данные по мягкому рентгеновскому излучению с КА GOES (диапазон 0.1–0.8 нм) с минутным временным разрешением [7]); данные по жесткому рентгеновскому излучению RHESSI [8]; данные по КВМ (CME) [9]; время инжекции релятивистских протонов, рассчитанное по первому их приходу, взято из [3] (это время с точностью до погрешностей совпадает с результатами [4] для событий 15.04.2001 и 13.12.2006). Все интенсивности потоков протонов в част. · см–2 · с–1 · ср–1, все временные параметры в минутах; на всех рисунках ось Х – время в мин, начало отсчета – 00 UT для суток начала протонного события. Для всех величин, определяемых по электромагнитному излучению, время соответствует времени на Солнце. Характерные времена для КВМ получены путем экстраполяции данных коронографов C2 и C3 LASCO.

В табл. 1 для каждого из событий приведены параметры lgJm, ΔTm и Tinj, рассчитанные при экстраполяции временных ходов для разных энергий протонов (колонки 10–12). Из рис. 1 и 2 видно, что ошибка в определении Tinj не превышает 5 мин. В 4-ой колонке таблицы 1 приведено время максимума мягкой рентгеновской вспышки, в 5-ой – время ее начала, в 6-ой – время старта КВМ, в 7-ой – время достижения КВМ расстояний равных радиусу Солнца (Rs) и удвоенному радиусу Солнца, в 8-ой – время инжекции релятивистских протонов.

Таблица 1.  

Параметры протонных событий. Пояснения см. в тексте

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Дата класс, балл λ, ϕ, град Tsx,start,мин Tsx, max,мин Tcme, start, мин Tcme r = Rs Tcme r = 2Rs, мин TRP inj, мин Ep, МэВ lgJm, част./см2 · с · ср ΔΤm, мин Tinj, мин
04.11.1967 X2.1 3B S14 W34 350 347 300 318 340 – >100 60–100 0.43 0.58 200 250 340 340
06.11.1997 X9.4 2B S18 W63 707 703 682 690 698 726 >100 60–100 30–50 1.79 1.75 1.60 270 305 325 684 690 690
>100
15.04.2001 X14.4 2B S20 W84 822 818 794  802 827 60–100 50–60 30–59 2.2 2.15 1.9 2.5 120 150 160 190 805 805 805 805
20.05.2001 M6.4 – S18 W90 355 353 310 331 352 – >100 60–100 0.1 0.15 215 255 337 340
>100 1.95 160 135
60–100 2.13 180 135
13.12.2006 X3.4 S07 152 128 130 137 158 50–60 1.9 217 130
4B W24 40–80 1 200 130
80–165 0.025 155 135
165–500 –0.58 140 135

Как следует из полученных результатов, время инжекции протонов для всех 17 временных ходов (выделено жирным шрифтом) совпадает (с указанной точностью в 5 мин) со временем достижения КВМ расстояния r = (1–2)Rs и не совпадает с другими характерными временами солнечной вспышки: Tsx, start, Tsx, max, THXmax (для события 13.12.2006 оно равно 151 мин).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как показало проведенное исследование, для всех 5 событий (4.11.1997, 6.11.1997, 15.04.2001, 20.05.2001, 13.12.2006) инжекция протонов связана с КВМ и происходит в момент достижения КВМ расстояния в (1–2)Rs. Инжекция начинается для всех энергий в диапазоне от 10 до 100 МэВ практически одновременно (с точностью до 5 мин). Для протонов малых энергий часто наблюдается длительная инжекция (с характерным временем инжекции, сравнимым с временем достижения максимума временного хода). Имеется существенное различие найденного времени инжекции с временем инжекции релятивистских протонов, определенным по первым наблюдением прихода релятивистских протонов. Причины различия требуют дополнительного анализа.

Список литературы

  1. Cane H.V., Lario D. // Space Sci. Rev. 2006. V. 123. P. 45.

  2. Trottet G., Samwel S., Klein K.-L. et al. // Solar Phys. 2015. V. 290. No. 3. P. 819.

  3. Bazilevskaya G.A. // Adv. Space Res. 2009. V. 43. P. 530.

  4. Reams D.V. // Astrophys J. 2009. V. 706. P. 844.

  5. Очелков Ю.П. // Гелиогеофиз. иссл. 2018. Т. 19. С. 47.

  6. Беловский М.Н., Очелков Ю.П. // Геомагн. и аэроном. 1981. Т. 21. № 5. С. 793.

  7. https://satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/avg.

  8. https://hesperia.gsfc.nasa.gov/rhessi3.

  9. https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list.

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