Изменения жесткости геомагнитного обрезания космических лучей в отдельных пунктах Азиатского региона в период экстремальных событий 2003 г

Возмущения магнитного поля Земли во время магнитных бурь могут приводить к существенному изменению траекторий заряженных частиц в магнитосфере, вплоть до того, что разрешенные траектории могут стать запрещенными и наоборот. Это приводит к двум главным следствиям для наземных наблюдений: 1) изменяются эффективные пороги обрезания; 2) изменяются эффективные асимптотические направления прихода частиц и, следовательно, приемные коэффициенты для различных станций.

Магнитосферный эффект, связанный с изменением жесткостей обрезания, может быть достаточно велик, чтобы существенно изменить поведение временного хода вариаций интенсивности космических лучей (КЛ), наблюдаемых на средне- и низкоширотных станциях, по сравнению с временным ходом вариаций интенсивности КЛ на высокоширотных станциях, где этот эффект не наблюдается.

Большие магнитосферные эффекты в КЛ, как правило, наблюдаются одновременно с большими модуляционными эффектами КЛ, обусловленными электромагнитными процессами в межпланетном пространстве, поскольку в основе и тех и других лежат одни и те же причины. Интерес к магнитосферным вариациям интенсивности КЛ обусловлен, во-первых, с физической точки зрения, т. е. с точки зрения образования, развития и распада магнитосферных токовых систем. Кроме того, изменения пороговых жесткостей геомагнитного обрезания (ЖГО), полученные при исследовании геомагнитных эффектов в КЛ, могут служить дополнительным источником информации для проверки тех или иных моделей магнитосферы Земли. Во-вторых, магнитосферные эффекты важны с методической точки зрения, поскольку мешают изучать внеземные вариации КЛ и по возможности должны быть удалены из экспериментальных данных.

Методические вопросы учета магнитосферной составляющей в вариациях интенсивности КЛ и определения изменений ЖГО в периоды различных магнитных бурь рассматривались в работах [Dvornikov, Sdob- nov, 1993; Baisultanova, et al. 1987; ; Belov, et al. 2005]. В данной работе исследовались изменения пороговых ЖГО в период мощных спорадических явлений в гелиосфере в октябре–ноябре 2003 г.

Данные и метод

Для анализа использовались усредненные за часовые временные интервалы данные наблюдений интенсивности протонов в энергетических диапазонах 4–9, 9–15, 15–40, 40–80, 80–165 и 165–500 МэВ, полученные на спутнике GOES-11 [ ], и данные о вариациях интенсивности КЛ различных жесткостей, полученные методом спектрографической глобальной съемки (СГС) [Dvornikov, Sdobnov, 1998; Dvornikov, Sdobnov, 1982] по наземным измерениям на мировой сети нейтронных мониторов (44 станции). Амплитуды модуляции отсчитывались от спокойного уровня 12 октября 2003 г.

Методом СГС получена информация о вариациях углового и энергетического распределения первичных КЛ за пределами магнитосферы Земли, а также об изменениях планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания за каждый час наблюдений.

При этом решалась следующая система нелинейных алгебраических уравнений:

δ Iⁱ

"ЗТ ( h i ) = -AR c W, ( R , h i ) X

I _С

X | 1 + J ( R ) | +f J ( R W i ( R , h ) dR .         (1)

J ^С J ^{С l}

R _С

Здесь δIСi IСi (hl) – амплитуда вариаций потока вто-рич-ных частиц типа i (относительно некоторого фонового уровня IСi ), наблюдаемых в географическом пункте C на уровне hl в атмосфере Земли; RС – эффективная жесткость геомагнитного обрезания; WСi (R,hl ) – функция связи между первичными и вторичными вариациями КЛ; δJ J (R) – амплитуда вариаций первичного спектра. В методе СГС используется формальная математическая аппрокси- мация δJ J (R) . Зависимость изменения пороговой жесткости геомагнитного обрезания ARС от пороговой жесткости аппроксимирована выражением ARС (RС) = (b1 RС + b2RС) e—'R . Станции КЛ распределены по земному шару неравномерно, поэтому в расчетах не учитывался долготный эффект в планетарных изменениях ЖГО космических лучей.

Для станций КЛ, расположенных в диапазоне ЖГО от ~1 до ~2 ГВ, коэффициенты связи около пороговой жесткости малы, и при решении системы нелинейных уравнений точность определения значений спектра в этом жесткостном интервале невысока, следовательно, недостаточно хорошо определяются значения изменений ЖГО ( A R С ).

Для того чтобы улучшить точность определения AR С , для таких станций используется спектр, полученный с привлечением данных в нескольких энергетических диапазонах с космических аппаратов GOES.

Жесткостный дифференциальный спектр КЛ в широком энергетическом интервале ищется в виде [Dvornikov, et al., 2007]

J ( R ) = A

(■ - « 0 )

3/2

( £ + A s ) — s 0

X

s + A s \^{(s + A s} ) ^{— s} 2

^{X s}    V (T o + s o )² — s 2

где e - полная энергия частиц; e ₀ - энергия покоя, T 0 – кинетическая энергия, при которой интенсивность КЛ соответствующей жесткости в Галактике равна А; Ae - изменение энергии частиц в гелиосфере, определяемое выражением

A s =

A s pt + s — -\l e(s 2 — s 2 ) + s 0 + s(1 — e ^a/2), если R < R 0 , A s pt — s( R o )(1 — e ^{a /2}), если R >  R 0 .

Здесь Ae _pt = Z _e U ( Z _e - заряд частицы, U - потенциал индуцированного электрического поля гелиосферы

E = ——u X B, с - скорость света, u - скорость сол-c нечного ветра (СВ), B – напряженность межпланетного магнитного поля (ММП)); β∞=В/В0, B0 – напряженность фонового, а B – переменного во вре-

E2l мени ММП, a = в^, Epl - напряженность поляриза- ционного электрического поля, возникающего в гелиосфере при распространении пучков ускоренных частиц, R0 – жесткость частиц, ларморовский радиус которых равен размерам областей с нестационарными электромагнитными полями, в которых происходит их ускорение. Вид первичного спектра (2) получен на основе физической модели модуляции КЛ за счет изменения их энергии в регулярных электромагнитных полях межпланетной среды различной природы.

Изменения ЖГО для каждой станции КЛ рассчитываются с учетом вариаций первичного спектра, полученного из выражения (2).

Результаты анализа

На рис. 1 представлены: модуль ММП, скорость СВ V [ ftp://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/spacecraft_data/omni /omni2_2003.dat], изменения ЖГО (AR С ) при R _С=3.66 ГВ (Иркутск), R С =6.61 ГВ (Алма-Ата) и R С =8.86 ГВ (Пекин) соответственно, полученные при анализе методом СГС, а также D st -индекс [ ftp://nssdcftp.gsfc . nasa.gov/spacecraft_data/omni/omni2_2003.dat]. На рис. 2 представлены более подробные графики AR _С для этих же пунктов наблюдения за 29–31 октября совместно с D st -индексом. На рис. 3 представлены изменения ЖГО A R _С в зависимости от пороговых жесткостей R С в отдельные моменты времени в октябре и ноябре 2003 г.

Обсуждение результатов и выводы

Как следует из графиков AR _Ирк, AR _А _ _Ата и AR _Пек , изменения ЖГО в Иркутске, Алма-Ате и Пекине для магнитной бури 29–31 октября имеют значительные различия. В Иркутске наиболее значительные понижения пороговой жесткости наблюдались в15:00 UT (~ –2.9 ГВ, D st =–126 нТл) и в 21:00 UT 29 октября (~ –2.9 ГВ, D _st=–265 нТл). Эти понижения ЖГО не совпадают по времени с локальными минимумами D st -индекса, хотя временной ход A R _Ирк 30 октября соответствует временному поведению D st -индекса. Обращают на себя внимание большие различия в значениях A R _Ирк при приблизительно одинаковых значениях D st -индекса 30 октября. Так, например, в 00:00–01:00 UT 30 октября AR _Ирк=-0.5 ГВ, D _st=-363 нТл, а в 22:0023:00 UT 30 октября AR _Ирк=-1.9 ГВ, D _st=-342 нТл.

В Алма-Ате (график A R _А _ _Ата, рис. 1) в моменты первых двух значительных понижений ЖГО на среднеширотных станциях наблюдались понижения пороговых жесткостей на ~–1.2 и ~–1.5 ГВ соответственно, а максимальное понижение наблюдалось в главную фазу магнитной бури 30 октября ( A R _С ~ –1.6 ГВ, D _st=–342 нТл) за час до максимального понижения D st -индекса (–401 нТл), т. е. в 22:00 UT. А в Пекине (график A R _Пек, рис. 1) в вышеупомянутые моменты наблюдались понижения пороговых жесткостей на ~–0.7 и ~–1.2 ГВ соответственно, а максимальное понижение наблюдалось в главную фазу магнитной бури 30 октября ( A R _С —1.4 ГВ, D st =–342 нТл) так же, как и в Алма-Ате, за час до максимального понижения D st -индекса.

Для события 20 ноября максимальное понижение ЖГО ( A R _С —1.2 ГВ) в среднеширотных областях наблюдалось в главную фазу магнитной бури в 20:00 UT при D st =–472 нТл, а в Алма-Ате и Пекине ( A R _С ~ -1.1 ГВ) - за час до этого при D _st=-451 нТл.

В зависимостях AR _С от пороговых жесткостей для 30 октября с 22:00 до 24:00 UT наблюдались уменьшение изменения ЖГО при высоких пороговых жесткостях и смещение максимума изменения ЖГО в сторону низких ЖГО (рис. 3).

В широтной зависимости A R _С для события 20ноября 2003 г. максимальное понижение ЖГО на начальной стадии в 20:00 UT 20 ноября наблюдалось при R С ~ 2 ГВ, затем к 24:00 UT этот максимум сместился к R _С ~ 5 ГВ. На рис. 3 на графике широтной зависимости A R _С для 20:00 UT 20.11.2003 г.

Изменения жесткости геомагнитного обрезания космических лучей в отдельных …

октябрь                      ноябрь

Рис . 1. Параметры межпланетной среды ( модуль ММП , скорость СВ ), временные профили изменений ЖГО в Иркутске , Алма - Ате и Пекине , а также D _st- индекс .

Рис . 2. Изменения ЖГО в Иркутске , Алма - Ате и Пекине в период геомагнитных возмущений 29–31 октября 2003 г . ( сплошные линии ) и D _st- индекс ( штриховая линия ).

треугольниками представлены результаты расчетов [Tyasto, et al., 2008] по модели магнитосферы Цыганенко [Tsyganenko, et al., 2003]. Видно, что эти расчеты удовлетворительно согласуются с результатами, по-

Рис . 3. Зависимость изменений ЖГО ∆ R _С от пороговых жесткостей R _С в отдельные моменты возмущенного периода в октябре – ноябре 2003 г . Треугольники – результаты расче тов по модели Цыганенко [Tsyganenko, et al., 2003].

лученными по данным наземных наблюдений космических лучей на мировой сети станций .

На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы.

Между временными профилями изменения ЖГО в Иркутске, Алма-Ате и Пекине имеются существенные различия.

В периоды магнитных бурь 29 октября 2003 г. наблюдались резкие изменения ЖГО, связанные, по-видимому, с токами на магнитопаузе, так как по данным GOES-10 в этот период магнитопауза смещалась до расстояний меньше 6.6 радиуса Земли [].

В октябре 2003 г. нет однозначной связи между временными профилями изменений ЖГО и D st -индекса.

Результаты расчетов по модели магнитосферы Цыганенко удовлетворительно согласуются с результатами, полученными по данным наземных наблюдений космических лучей на мировой сети станций .

Полученные результаты могут быть использованы для тестирования различных моделей магнитосферных токовых систем и их динамики в периоды геомагнитных возмущений.

Данная работа поддержана программой Президиума РАН «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика» в рамках проекта «Космические лучи в гелиосферных процессах по наземным наблюдениям».