Космические исследования, 2019, T. 57, № 1, стр. 17-20

ДАННЫЕ И МЕТОД

Для анализа использовались данные мировой сети станций нейтронных мониторов (44 нейтронного монитора) (ftp://cr0.irmiran.rssi.ru), исправленные на давление и усредненные за часовые интервалы, а также информация об электромагнитной обстановке в межпланетном пространстве в период гелиосферных и магнитосферных возмущений (https://www.solarmonitor.org, http://cdaw.gsfc. nasa.gov/CME_list/UNIVERSAL/2015_01/univ2015_ 01.html, http://omniweb.gsfc.nasa.gov).

Амплитуды модуляции КЛ отсчитывались от фонового уровня 15.I.2015 г. Выбор спокойного периода обусловлен тем, что в этот период по сравнению с периодом, когда наблюдался форбуш-эффект, электромагнитная обстановка в межпланетном пространстве и геомагнитная обстановка были спокойными, а спектр галактических КЛ менее модулирован.

Анализ выполнен с применением метода СГС [3, 4]. В отличие от существующих методов, метод СГС позволяет использовать для анализа весь имеющийся комплекс наземной регистрирующей аппаратуры (мировую сеть нейтронных мониторов, расположенных на разных уровнях в атмосфере Земли, а также наземные и подземные мюонные телескопы и т.д.). Метод СГС дает возможность, наряду с фазами первой и второй гармоник питч-угловой анизотропии, определять жесткостной спектр вариаций изотропной составляющей.

При апробировании метода СГС на большом наблюдательном материале с использованием практических всех доступных данных мировой сети станций КЛ (практически более 40 станций КЛ) было установлено, что среднеквадратическая ошибка решения с учетом статистических ошибок в данных наблюдений всех станций КЛ, а также ошибок, вносимых моделью, в среднем составляет ~ 0.4–0.5%. С амплитудой такой величины на исходные данные был наложен белый шум, проведены порядка 10000 испытаний. На этой основе были получены величины ошибок (1–2%) при определении амплитуд первичных спектров вариаций, амплитуд первой и второй гармоник питч-угловой анизотропии КЛ – (1–2%), широтного и долготного углов межпланетного магнитного поля (ММП) – (10°–15°), а также изменений пороговых жесткостей геомагнитного обрезания КЛ – (0.05–0.07 ГВ).

РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

На рис. 1 за период 3–10.I.2015 г. приведены значения модуля и B_z-компоненты ММП, скорости СВ, вариаций изотропной составляющей интенсивности первичных КЛ с жесткостью 4 и 10 ГВ, амплитуды первой А₁ и второй А₂ гармоник питч-углового распределения КЛ с жесткостью 4 ГВ; временной ход изменений жесткости геомагнитного обрезания R = 4 ГВ совместно с Dst-индексом.

Рис. 1

Рис. 1 демонстрирует, что приведенные параметры СВ (а–в) отреагировали на межпланетное возмущение, произошедшее 3.I.2015 г. и достигнувшее Земли 7.I.2015 г. Прохождение МО можно оценить по возрастанию модуля ММП до ~21 нТл и отрицательной компоненты B_z ~ –17 нТл, а также по изменению скорости СВ, которая варьирует от 400 до 500 км/с.

На рис. 1г можно видеть, что максимальная амплитуда модуляции наблюдается для частиц с R = 4 ГВ. 7.I – величина амплитуды вариаций составила ~–12%.

Как следует из графиков (см. рис. 1д, 1е) в отдельные моменты рассматриваемого периода наблюдается сильная питч-угловая анизотропия КЛ с амплитудами от 8 до ~18% для первой сферической гармоники (A₁). Амплитуды второй сферической гармоники питч-угловой анизотропии (A₂) для частиц той же жесткости незначительные и составляют ~2%. В момент максимальной модуляции форбуш-эффекта 7.I.2015 г. в 12.00 UT амплитуды A₁ составили ~4%.

Временной ход изменений жесткости геомагнитного обрезания (ΔR) в период геомагнитной бури соответствует изменениям Dst-индекса (см. рис. 1ж), так как они отражают одно и то же явление: усиление кольцевого тока в магнитосфере. При сравнении кривых видно, что максимальное понижение пороговой жесткости в период магнитной бури наблюдается одновременно с минимальным значением Dst-индекса. Во время геомагнитной бури (7–8.I.2015 г.) коэффициент корреляции между ΔR иDst-индексом составил 0.69.

В качестве примера на рис. 2 представлены жесткостные спектры амплитуд вариаций первичных КЛ в отдельные моменты развития исследуемого форбуш-эффекта. Исследована динамика жесткостного спектра вариаций КЛ на разных фазах развития форбуш-эффекта. Изменения интенсивности КЛ во время форбуш-эффекта были разделены на три фазы: 1 – спада – интервал от начала уменьшения интенсивности КЛ до ее минимального значения, 2 – максимальной модуляции – интервал от момента минимального значения интенсивности до начала ее возрастания и 3 – восстановления – интервал, в течение которого темп счета растет до исходного уровня.

Рис. 2

Из рис. 2 видно, что жесткостные спектры амплитуд вариаций для форбуш-эффекта нельзя описать степенной функцией от жесткости в жесткостном диапазоне от ~2 до 50 ГВ. Аппроксимация жесткостного спектра степенной функцией от жесткости частиц возможна лишь при жесткостях выше ~10 ГВ.

В табл. 1 приведены средние значения показателя степени γ при аппроксимации жесткостных спектров вариаций степенной функцией от жесткости частиц в диапазоне жесткостей от 10 до 50 ГВ на разных стадиях развития события.

Из таблицы видно, что на фазе максимальной модуляции показатель спектра больше, чем на фазах спада и восстановления интенсивности КЛ и составил γ ~ –1.0. В общем, наблюдается смягчение спектра в минимуме форбуш-эффекта, что согласуется с результатами, полученными нами ранее [5, 6]. Отметим, что наличие более мягкого спектра в максимальной модуляции форбуш-эффекта можно отнести к закономерности, однако, это заключение противоречит выводам, полученным в работе [7]. В этой работе утверждается, что в минимуме форбуш-эффекта спектр обычно жесткий, а на фазе восстановления – мягкий спектр. Такое расхождение в оценках объясняется тем, что авторы работы [7] представляют спектр степенной функций в диапазоне жесткостей >1 ГВ, а мы неоднократно показывали [5, 6, 8, 9], что спектр вариаций КЛ в данном диапазоне не является степенным. Только при жесткости более ~10 ГВ спектр вариаций КЛ в период форбуш-эффекта можно описывать степенной функцией от жесткости.

На рис. 3 представлены относительные изменения интенсивности КЛ (в процентах) для частиц с жесткостями 4 и 10 ГВ в солнечно-эклиптической геоцентрической системе координат на разных фазах развития исследуемого форбуш-эффекта (фазе спада интенсивности, фазе максимальной модуляции и фазе восстановления интенсивности). По оси абсцисс отложены значения долготного угла ψ, а по оси ординат – широтного угла λ.

Рис. 3

Из рис. 3 видно, что как для частиц R = 4 ГВ, так и для частиц R = 10 ГВ во время максимальной модуляции КЛ доминируетпервая гармоника. 7.I.2015 г. в 12.00 UT интенсивность КЛ была понижена на ~6% из направления ψ ~ 305°, λ ~ 30°. В рамках модели модуляции КЛ регулярными полями гелиосферы при входе и выходе Земли в структуры подобные КВМ наблюдается повышение первой гармоники питч-углового распределения. Отсутствие заметного возрастания второй гармоники питч-угловогораспределения указывает на то, что в это время не сформировалась петлеобразная структура в ММП [10].

Проанализировав зависимость изменений пороговых жесткостей геомагнитного обрезания (ΔRc) от пороговых жесткостей Rc в отдельные моменты исследуемого события с результатами расчетов влияния на изменения жесткости геомагнитного обрезания тока, текущего в западном направлении по параллелям на сфере с силой, пропорциональной косинусу широты, для разных радиусов токового кольца в дипольном поле [11] мы получили, что по мере развития магнитной бури 7–8.I.2015 г. радиус кольцевого тока изменялся от ~5 до ~3.5–4 радиусов Земли. В начальной фазе магнитной бури подсолнечная точка магнитосферы сместилась до ~8 радиусов Земли.

ВЫВОДЫ

Форбуш-эффект и умеренная геомагнитная буря 7.I.2015 г. обусловлены рекуррентным возмущением в СВ.

При аппроксимации спектров вариаций в период форбуш-эффекта 7.I.2015 г. степенной функцией от жесткости частиц в интервале 10–50 ГВ на фазе максимальной модуляции показатель спектра больше, чем на фазах спада и восстановления интенсивности КЛ.

Отсутствие двунаправленной анизотропии в максимальной фазе модуляции КЛ в рассмотренном событии свидетельствует о том, что в этот период в СВ не сформировалась петлеобразная структура ММП.

Полученные результаты по расчету измененийпороговых жесткостей геомагнитного обрезаниямогут быть использованы для тестирования различных моделей магнитосферных токовых систем иих динамики в периоды геомагнитных возмущений.

Работа выполнена в рамках государственного задания на 2018 г. № 007-00163-18-00 от 12.I.2018 г. на научном оборудовании Центра коллективного пользования “Ангара” (ЦКП “Ангара”) и УНУ “Российская национальная наземная сеть станций космических лучей (Сеть СКЛ)”.