Спорадические события в космических лучах в первой половине 2012 г

В первой половине марта 2012 г. мировой сетью станций нейтронных мониторов зарегистрировано несколько понижений интенсивности космических лучей (КЛ). Эти понижения были связаны с процессами на Солнце в активной области 11429. Форбуш-эффект, начавшийся 8 марта, был вызван солнечной вспышкой класса X5.4 7 марта 2012 г. Амплитуда эффекта достигала ~ –(15–17 %) на полярных и ~ –(10–12 %) на среднеширотных станциях КЛ. Это событие сопровождалось умеренной магнитной бурей, в период главной фазы которой D st -индекс понижался примерно до –140 нTл, модуль межпланетного магнитного поля (ММП) достигал ~(20–25) нТл, а скорость солнечного ветра (СВ) составляла ~(700–800) км/с. В этой же активной области на Солнце 10 марта произошла еще одна вспышка балла М8.4, в результате которой в конце 12 марта на Земле на фазе восстановления предыдущего форбуш-эффекта зарегистрировано очередное понижение интенсивности КЛ с амплитудами, близкими амплитудам понижения интенсивности КЛ 8–9 марта. В этот период D st -индекс достигал значений ~ –(40–50) нТл, модуль ММП составлял ~(10–20) нТл, а скорость СВ ~700 км/с.

17 мая 2012 г. в ~02:00 UT на высокоширотных нейтронных мониторах было зарегистрировано начало повышения интенсивности КЛ (GLE, Ground Level Enhancements). Максимальные амплитуды этого повышения наблюдались в ~03:00 UT. На средне- и низкоширотных станциях КЛ GLE не наблюдалось. Это повышение было вызвано солнечной вспышкой класса 1F/M5.1, которая произошла в 01:36 UT в активной области 11429 с гелиокоординатами N09W74. Судя по поведению параметров СВ, в этот период Земля находилась внутри гелиосферного токового слоя, возмущенного корональным выбросом массы (КВМ) [ftp://spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/low_res_omni/].

Данные и метод

Для анализа рассматриваемого периода использовались усредненные за часовые интервалы данные наземных измерений мировой сети нейтронных мо- ниторов (39 станций).

Методом спектрографической глобальной съемки (СГС) [Dvornikov et al., 1983; Dvornikov, Sdobnov, 2002], которым ранее исследовались эффекты в КЛ в другие периоды [Dvornikov, Sdobnov, 2010; Tyasto et al., 2013; Кравцова, Сдобнов, 2013; Тясто, 2011], 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. Амплитуды модуляции отсчитывались от фонового уровня 8 января 2012 г.

Форбуш-эффект 8–17 марта 2012 г.

На рис. 1 показаны вариации интенсивности КЛ на станции Оулу, модуль ММП и скорость СВ на орбите Земли, а также вариации первичных КЛ с жесткостью 6 и 10 ГВ, амплитуд первой и второй гармоник питч-угловой анизотропии для частиц с жесткостью 6 ГВ и изменения жесткости геомагнитного обрезания КЛ в пункте с пороговой жесткостью 6 ГВ совместно с D st -индексом. Видно, что амплитуда второй гармоники питч-угловой анизотропии 8–9 марта повышалась до ~5–6 %, а 13 марта повышалась до ~12 %. Это указывает на то, что Земля попала в петлеобразную структуру ММП. Амплитуда первой гармоники питч-угловой анизотропии 8–9 марта достигала величины ~35–40 %, а в конце суток 12 марта составляла величину ~80 %. Изменения жесткости геомагнитного обрезания КЛ в пункте с пороговой жесткостью 6 ГВ в максимальной стадии магнитной бури достигали значений ~ –(0.4–0.5) ГВ. Расчеты широтного хода изменений жесткости геомагнитного обрезания КЛ показали, что по мере развития геомагнитной бури максимум изменений жесткости геомагнитного обрезания КЛ смещается от высоких пороговых жесткостей геомагнитного обрезания ~(12–15) ГВ в сторону низких пороговых жесткостей ~(2–3) ГВ.

На рис. 2 приведены жесткостные спектры вариаций первичных КЛ на орбите Земли в некоторые моменты начала, главной фазы и восстановления в период форбуш-эффекта в марте 2012 г. В большинстве

Рис. 1 . Форбуш-эффект в марте 2012 г.: вариации КЛ на станции Оулу ( а ); модуль ММП ( б ); скорость СВ ( в ); вариации первичных КЛ с жесткостями 6 и 10 ГВ ( г ); амплитуды первой и второй гармоник питч-угловой анизотропии для частиц с жесткостью 6 ГВ ( д , е ); изменения жесткости геомагнитного обрезания в пункте наблюдения с пороговой жесткостью 6 ГВ и D _st-индекс ( ж ).

моментов времени эти спектры не описываются степенной функцией жесткости частиц в широком диапазоне энергий. Максимальная модуляция наблюдается для частиц с жесткостью от ~2 до ~4 ГВ.

В таблице приведены показатели γ при аппроксимации спектров модуляции степенной функцией жесткости частиц в виде Δ J / J ~ R ^{– γ} . Эти значения γ

Дата март 2012 г. UT Жесткостной интервал (ГВ) γ 08 12:00 7–50 1.00 09 11:00 7–50 0.93 11 10:00 7–50 0.86 12 21:00 7–50 0.92 13 14:00 7–50 0.94 17 10:00 7–50 0.92 изменяются от 0.86 до 1.00 в диапазоне жесткостей от 7 до 50 ГВ.

На рис. 3 представлены относительные изменения интенсивности КЛ для частиц с жесткостями 2, 4 и 10 ГВ (относительно 8 января 2012 г.) в солнеч-

Рис. 2 . Спектры вариаций первичных КЛ в отдельные моменты форбуш-эффекта в марте 2012 г.

Рис. 3 . Относительные изменения интенсивности КЛ для частиц с жесткостями 2, 4 и 10 ГВ в солнечно-эклиптической геоцентрической системе координат в марте 2012 г.

но-эклиптической геоцентрической системе координат в различные моменты развития форбуш-эффекта. По оси абсцисс отложены значения долготного угла, а по оси ординат – широтного угла. Видно, что на начальной стадии события 8 марта в 12:00 UT для частиц с жесткостями 2 и 4 ГВ наблюдается небольшая двунаправленная анизотропия, а в распределении частиц с жесткостью 10 ГВ преобладает первая гармоника питч-угловой анизотропии. Для частиц с жесткостями 4 и 10 ГВ 9 марта в 10:00 UT наблюдается двунаправленная анизотропия, а для частиц с жесткостью 2 ГВ преобладает первая гармоника питч-угловой анизотропии. В 13:00 UT 13 марта двунаправленная анизотропия наблюдается для частиц в широком диапазоне жесткостей.

GLE 17 мая 2012 г.

Повышение интенсивности КЛ 17 мая 2012 г. на высокоширотных нейтронных мониторах началось в ~02:00 UT и продолжалось до ~07:00 UT. На рис. 4, а, б приведены вариации интенсивности КЛ на станциях Оулу и Новосибирск. На рис. 4, в, г приведены модуль ММП и скорость СВ, наблюдаемые в мае 2012 г. На рис. 4, д показаны рассчитанные вариации первичных КЛ с жесткостью 2 и 10 ГВ (сплошная и штриховая кривые соответственно), амплитуды первой (рис. 4, е) и второй (рис. 4, ж) сферических гармоник питч-угловой анизотропии для частиц с жесткостью 4 ГВ, а также изменения жесткости геомагнитного обрезания в пункте наблюдения с пороговой жесткостью 4 ГВ совместно с Dst-индексом (рис. 4, з) (сплошная и штриховая кривые соответственно). Амплитуда наземного повышения интенсивности КЛ в Оулу достигала величины ~8 %, в то время как в Новосибирске эффект не наблюдался. Амплитуда повышения интенсивности первичных частиц с жесткостью 2 ГВ 17 мая в 03:00 UT составила величину ~150 %. В это же время амплитуды вариаций для первичных частиц с жесткостью 10 ГВ незначительны. В ~03:00 UT 17 мая 2012 г. наблюдалось повышение амплитуды второй сферической гармоники питч-углового распределения КЛ с жесткостью 4 ГВ до величины ~12 %, а амплитуда первой сферической гармоники для частиц той же жесткости составляла величину ~20 %.

На рис. 5 представлены спектры вариаций первичных КЛ в разные моменты времени в период GLE. Видно, что спектры во время этого событий не описываются ни степенной, ни экспоненциальной функциями жесткости частиц. Максимальная жесткость ускоренных частиц составила ~4.2 ГВ в 03:00 UT. В другие моменты эта величина была менее 2–3 ГВ.

На рис. 6 представлены относительные изменения интенсивности КЛ 17 мая 2012 г. (относительно 8 января 2012 г.) с жесткостями 2, 4 и 10 ГВ в сол-

май, 2012 г.

Рис. 4 . GLE в мае 2012 г.: вариации КЛ на станциях Оулу и Новосибирск ( а , б ); модуль ММП ( в ); скорость СВ ( г ); вариации первичных КЛ с жесткостями 2 и 10 ГВ ( д ); амплитуды первой и второй гармоник питч-угловой анизотропии для частиц с жесткостью 4 ГВ ( е , ж ); изменения жесткости геомагнитного обрезания в пункте наблюдения с пороговой жесткостью 4 ГВ и D _st-индекс ( з ).

Рис. 5 . Спектры вариаций первичных КЛ в период GLE 17 мая 2012 г.

нечно-эклиптической геоцентрической системе координат для различных моментов времени в период GLE. Видна сложная динамика изменений интенсивности КЛ различных энергий по направлениям прихода частиц. Так, повышенный поток частиц с жесткостями 2, 4 и 10 ГВ в 02:00 UT идет из направлений ~270°, —15° и двунаправленная анизотропия не наблюдается. В следующий момент времени топология распределения интенсивности КЛ различных энергий по направлениям прихода частиц существенно отличается от топологии в предыдущем часе. Для частиц с жесткостями 2 и 4 ГВ наблюдается двунаправленная анизотропия с повышенной интенсивностью из направлений (~135°, —15°) и (~315°, ~0°). Для частиц с жесткостью 10 ГВ двунаправленная анизотропия не наблюдается. В последующие часы в широком диапазоне жесткостей двунаправленная анизотропия не наблюдается, а распределения частиц с жесткостями 2 и 10 ГВ существенно различаются. Так, в 05:00 и 07:00 UT повышенная интенсивность частиц с жесткостью 2 ГВ наблюдается из северной полусферы, а для частиц с жесткостью 10 ГВ – из южной.

Рис. 6 . Относительные изменения интенсивности КЛ для частиц с жесткостями 2, 4 и 10 ГВ в солнечноэклиптической геоцентрической системе координат в период GLE 17 мая 2012 г.

Выводы

Повышенные значения амплитуд первой сферической гармоники и двунаправленной анизотропии КЛ в марте 2012 г. свидетельствуют о том, что Земля попала в область усиленной напряженности ММП, образованную прохождением КВМ с петлеобразной структурой ММП, что послужило причиной форбуш-эффекта и геомагнитного возмущения.

В период GLE 17 мая 2012 г. Земля находилась в петлеобразной структуре магнитного поля. Максимальная жесткость, до которой произошло ускоре- ние протонов, составила ~4 ГВ в 03:00 UT 17 мая 2012 г. Жесткостной спектр вариаций КЛ не описывается ни степенной, ни экспоненциальной функциями жесткости частиц, а распределение КЛ по направлениям прихода к Земле динамично во времени и зависит от их энергии.

Работа выполнялась при поддержке программы Президиума РАН «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика» в рамках проекта «Космические лучи в гелиосферных процессах по наземным и стратосферным наблюдениям», а также при поддержке Минобрнауки: ГК № 14.518.11.7047 и Соглашение на предоставление гранта в форме субсидии № 8407.