close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Мониторинг околоземного космического пространства по наблюдениям космических лучей

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Луковникова Анна Александровна Шифр научной специальности: 01.03.03 - физика Солнца Шифр диссертационного совета: Д 002.237.01 Название организации: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма,
На правах рукописи
Луковникова Анна Александровна
МОНИТОРИНГ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
ПО НАБЛЮДЕНИЯМ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
01.03.03 – физика Солнца
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Троицк – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки
Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук.
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
Сдобнов Валерий Евгеньевич
Официальные оппоненты:
Лившиц Моисей Айзикович, доктор физико-математических наук, профессор,
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного
магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской
академии наук, главный научный сотрудник.
Янчуковский Валерий Леонидович, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Алтае-Саянский филиал Геофизической службы Сибирского отделения Российской академии наук, заведующий
лабораторией.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера Сибирского отделения Российской академии наук
Защита состоится « 24 » апреля 2012 года в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д.002.237.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук по адресу: 142190, г. Троицк,
Московская область, ИЗМИРАН (проезд автобусом № 398 от станции метро «Теплый стан» до остановки «ИЗМИРАН»).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института земного магнетизма, ионосферы
и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук.
Автореферат разослан «
2012 г.
»
Ученый секретарь диссертационного совета
доктор физико-математических наук,
профессор
2
Ю.М. Михайлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
Процессы взаимодействия космических лучей (КЛ) с солнечным ветром и электромагнитными полями в межпланетном пространстве приводят к различным изменениям интенсивности, энергетического спектра, ядерного состава и пространственного
распределения КЛ при изменении условий в космосе. Кроме этого, КЛ чувствительны
к изменениям атмосферы и магнитосферы Земли. Заряженные частицы первичных КЛ,
прежде чем попасть на земную поверхность, распространяются через магнитосферу
Земли, проходят через большой слой воздуха и генерируют вторичные КЛ (элементарные частицы различных типов). Таким образом, наблюдаемая на поверхности Земли
интенсивность КЛ подвержена влиянию процессов на Солнце и в межпланетном пространстве, в магнитосфере и атмосфере Земли.
В период проведения Международного геофизического года (1957 г.) была
создана мировая сеть нейтронных мониторов, существующая и в настоящее время.
Станции космических лучей мировой сети, расположенные по всему земному шару, вместе могут рассматриваться в качестве уникального единого детектора, проводящего измерения в различных направлениях, с разрешением по направлению
прихода частиц и энергии. Программно-аппаратные комплексы станций КЛ проходили множество этапов модернизации согласно требованиям научного сообщества
обеспечить оперативный анализ и диагностику солнечно-земных связей на современном уровне для решения как фундаментальных, так и прикладных задач. Современное развитие сетевых технологий, быстродействия компьютеров и радиоэлектронной аппаратуры дает возможность получать, обрабатывать и публиковать
данные станций космических лучей об интенсивности КЛ для оперативного прогноза и определения параметров межпланетной среды в спокойные периоды и во
время спорадических процессов на Солнце, сопровождающихся выбросами в межпланетное пространство высокоскоростной плазмы солнечного ветра (СВ), электромагнитным излучением в широком диапазоне частот и генерацией высокоэнергичных частиц в широком диапазоне энергий.
В настоящий момент мировая сеть станций насчитывает около 50 станций КЛ,
из них примерно 40 станций КЛ представляют данные в режиме реального времени. Наземная сеть станций КЛ поставляет информацию по мере накопления и обработки данных в международные центры и базы данных, для отдельных станций
запаздывание составляет несколько месяцев. Такая задержка связана с неавтоматизированной обработкой и несовершенством регистрирующей аппаратуры, что делает невозможным представление данных в режиме реального времени. В связи с
этим модернизация программно-аппаратных комплексов станций КЛ является актуальной задачей, от успешного решения которой зависит дальнейшее развитие
диагностики и прогнозирования электромагнитных условий в межпланетной среде.
3
Комплексный и оперативный анализ данных о вариациях КЛ требует автоматизации первичной обработки информации, своевременного поступления информации
в базы данных c обновлением в режиме реального времени, а также предоставления
широких возможностей доступа к необходимым сведениям.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является проведение модернизации
программно-аппаратных комплексов станций КЛ ИСЗФ СО РАН и получение оперативной информации о вариациях КЛ и параметрах межпланетной среды методом
спектрографической глобальной съемки.
Основные задачи исследования
1. Модернизация станций КЛ ИСЗФ СО РАН для получения информации в
режиме реального времени.
2. Обновление мировой базы данных нейтронных мониторов (NMDB) в
реальном времени данными станций КЛ ИСЗФ СО РАН.
3. Создание локальной базы данных станций КЛ ИСЗФ СО РАН и обеспечение
доступа к данным о вариациях КЛ в реальном времени.
4. Анализ отдельных спорадических событий в гелиосфере и их проявлений в
космических лучах методом спектрографической глобальной съемки (СГС).
5. Получение методом СГС оперативной информации для диагностики
околоземного космического пространства на основе использования в реальном
времени данных со станций мировой сети.
Научная новизна работы
1. Впервые с помощью метода спектрографической глобальной съемки (СГС)
получена информация о спектрах, изменениях планетарной системы жесткостей
геомагнитного обрезания и вариациях углового и энергетического распределения
первичных КЛ за пределами магнитосферы Земли за каждый час наблюдений во
время отдельных спорадических явлений в гелиосфере в периоды: июль 1982 г., август–октябрь 1989 г., ноябрь 2004 г., январь, май–август 2005 г. и декабрь 2006 г.
2. Получены новые доказательства связи магнитных неоднородностей СВ типа
ловушек со значительными возрастаниями второй гармоники анизотропии КЛ.
3. Впервые данные о вариациях космических лучей станций КЛ ИСЗФ СО РАН
обрабатываются и публикуются в Интернете, а также пополняют международную базу
данных c высоким разрешением (NMDB) в режиме реального времени.
Достоверность результатов диссертационной работы основана на сопоставлении информации, получаемой по данным о вариациях интенсивности КЛ, об ориентации ММП, об изменениях жесткости геомагнитного обрезания, о вариациях анизотропии и жесткостного спектра КЛ, с соответствующей информацией из незави4
симых источников – спутниковых измерений ориентации и модуля ММП и временных профилей интенсивности низкоэнергичных частиц, а также с данными по геомагнитной возмущенности.
Научная и практическая значимость работы
1. Создана локальная база данных (БД) станций КЛ ИСЗФ СО РАН с доступом
в режиме реального времени и возможностью расширения БД за счет сбора информации от других станций КЛ. В результате участия иркутского комплекса станций
КЛ в пополнении базы NMDB получен доступ к данным всей мировой сети нейтронных мониторов в реальном времени.
2. Создан программно-аппаратный комплекс для обработки данных, передачи
информации от удаленных станций КЛ ИСЗФ СО РАН и синхронизации БД с возможностью применения на других станциях КЛ мировой сети.
3. Результаты, полученные при расчетах методом СГС по данным станций КЛ
мировой сети (порядка 20 станций КЛ), которые в настоящее время представляют
информацию в режиме реального времени, могут быть использованы для оперативной диагностики электромагнитных условий в межпланетном пространстве и магнитосфере Земли и прогнозирования космической погоды.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Модернизация программно-аппаратного комплекса станций КЛ ИСЗФ СО
РАН и организация передачи данных в режиме реального времени для решения задач солнечно-земных связей и космической погоды.
2. Создание базы данных КЛ ИСЗФ СО РАН для сбора, синхронизации, обработки и контроля качества данных по нейтронной компоненте КЛ в режиме реального времени.
3. Диагностика изменений электромагнитных условий в межпланетном пространстве и магнитосфере по наземным наблюдениям в реальном времени на станциях КЛ. Получение методом СГС информации о спектрах КЛ, изменении планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания, а также об ориентации ММП
по данным в реальном времени.
4. Выявление двунаправленной анизотропии большой амплитуды в угловом
распределении частиц, которая может быть связана с нахождением Земли внутри
петлеобразной структуры ММП в данный момент.
Личный вклад автора
Автором самостоятельно проведена модернизация программно-аппаратного
комплекса для работы в реальном времени, создана и настроена база данных станций КЛ ИСЗФ СО РАН; автор внес определяющий вклад как в первичный анализ
полученных данных, так и в реализацию непрерывности работы систем всех станций КЛ ИСЗФ СО РАН, а также в выбор аппаратных решений и методов для пере5
дачи данных в реальном времени. Автором проделана большая работа по обработке
и анализу экспериментального материала мировой сети станций КЛ. В совместных
исследованиях автору принадлежит равное участие на всех этапах: от постановки
задачи, проведения численных расчетов, анализа данных, обсуждения и интерпретации полученных результатов до получения выводов и написания статей.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: Международная Байкальская молодежная научная
школа по фундаментальной физике, Иркутск, 1998, 1999, 2004, 2005, 2006, 2007,
2009 гг.; Всероссийская конференция по физике солнечно-земных связей, Иркутск,
2001 г.; Всероссийская конференция по космическим лучам, Москва, 2004, 2006 гг.,
Санкт-Петербург, 2008 г.; Европейский симпозиум «EGS», Nice, 2002 г.; Всероссийская конференция «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности», Троицк, 2005 г.; VII Russian-Chinese
Workshop on Spase Weather, Иркутск, 2006 г.; Международный симпозиум SEE, Athens, Greece, 2007 г.; Всероссийская конференция «Современные проблемы космической физики», Якутск. 2007 г.; Международная конференция по космическим лучам
ICRC, Merida, Mexico, 2007 г.; Конференция молодых ученых ИКИ, Москва, 2011 г.;
Конференция «Базы данных, инструменты и информационные основы полярных
геофизических исследований», Троицк, 2011 г.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и списка использованных источников. Общий объем составляет 139 страниц, 41 рисунок, 2 таблицы, 1 приложение. Библиографический список включает 102 наименования.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении изложены актуальность задачи и цель исследований, научное и
практическое значение, перечислены положения, выносимые на защиту, дано краткое содержание работы.
В первой главе рассматриваются основы изучения вариаций космических лучей, методы получения информации о первичных КЛ и условиях в межпланетной
среде по данным наземных наблюдений.
В разделе 1.1 рассмотрено уравнение вариаций космических лучей. Изменение
δI
во времени наблюдаемой интенсивности КЛ
, обусловленное изменением дифI
6
ференциального жесткостного спектра первичного потока J(R), геомагнитного порога обрезания Rс и изменением кратности, описывается уравнением [1]
i
∞ δm ( R, h ) dR
δI ci
0
(
h
)
=
Wci ( R, h0 )dR −
i
i
i
∫
R
c m ( R, h ) dR
Ic
0
(1.1)
∞ δJ ( R )
i
i
−δRcWc ( Rc , h0 ) + ∫
Wc ( R, h0 )dR,
Rc J ( R )
где первое слагаемое представляет собой вариации метеорологического происхождения, обусловленные изменениями интегральной кратности (температурный и барометрический эффекты). Второе слагаемое описывает изменения интенсивности
вторичных КЛ, вызванные возможными изменениями жесткости геомагнитного обрезания (за счет магнитосферных возмущений). Третье слагаемое представляет собой вариации, обусловленные изменением жесткостного дифференциального спектра первичных КЛ за границей магнитосферы, т. е. отражает вариации первичного
потока КЛ, имеющие внеземное происхождение; mi(R, h0) – интегральная кратность
генерации вторичных частиц, определяющая количество зарегистрированных частиц типа i от одной первичной частицы с жесткостью R. Функции Wci ( R, h0 ), с поδJ
мощью которых можно по известным
определять наблюдаемые вариации комJ
поненты типа i и осуществлять связь между первичными и вторичными вариациями
КЛ, называются функциями (коэффициентами) связи:
mi ( R, h0 ) J ( R )
W ( R, h0 ) =
.
I ci (h0 )
i
c
В разделе 1.2 описано определение спектра по широтному эффекту, при котором, если имеются компоненты, коэффициенты связи которых отличаются только
постоянными множителями (нормировочными коэффициентами) αc и жесткостью
δJ
( R ) находится с применением теоремы о среднем.
обрезания Rc ,
J
δJ
В разделе 1.3 описан метод моментов, при котором решение
( R ) разлагается
J
в ряд по некоторой системе функций φj(R). При этом полагается, что линейная комδJ
бинация из m функций достаточно точно аппроксимирует
( R) .
J
В разделе 1.4 представлен метод эффективных энергий.
При некотором спектре вариаций (спектре нулевого приближения) для каждой
компоненты вычисляются эффективные энергии ∈ief , затем по данным наблюдений
для каждой компоненты с помощью вычисленных энергий ∈ief строится зависимость
амплитуды вариаций от энергии, т. е. энергетический спектр вариаций. Далее, исполь7
зуя спектр первого приближения, уточняются эффективные энергии и тому подобное,
т. е. используется метод последовательных приближений.
В разделе 1.5 описан метод глобальной съемки, в котором объединены, фактически три метода. Это метод функций связи, позволяющий вариации космических
лучей на уровне наблюдения связать с ожидаемыми вариациями на границе атмосферы. На следующем этапе метод траекторных расчетов движения частиц для конкретной магнитосферы позволяет перейти от этих вариаций к вариациям за пределами магнитосферы. На заключительном этапе метод сферического анализа позволяет выделить значимые для конкретной задачи сферические гармоники и провести
дальнейший анализ. Объединение этих трех методов для решения задач вариаций
космических лучей составляет суть метода глобальной съемки. Рассмотрен один из
самых первых и хорошо разработанных глобальных методов, предложенных в ИКФИА коллективом авторов под руководством Крымского Г.Ф. [2], и метод, разработанный несколько лет спустя в ИЗМИРАН [3].
В разделе 1.6 описан спектрографический метод анализа вариаций интенсивности космических лучей, который был разработан с целью разделения вариаций КЛ
на составляющие межпланетного и магнитосферного происхождения и определения
параметров, характеризующих дифференциальный жесткостной спектр вариаций
КЛ и изменения жесткостей геомагнитного обрезания.
В разделе 1.7 описан метод спектрографической глобальной съемки (СГС).
Метод разработан на основе модели модуляции, согласно которой определяющее
влияние на функцию распределения КЛ в межпланетном пространстве оказывают
эффекты, накапливающиеся при многократном вращении частиц по ларморовской
окружности: дрейфовые движения, изменения питч-угла вследствие сохранения поперечного адиабатического инварианта и изменения энергии частиц в регулярных
полях СВ.
Распределение амплитуд вариаций вторичных КЛ по земному шару описывается следующей системой нелинейных алгебраических уравнений:
δI ci
δJ
(hl ) = −δRcW i ( Rc , hl ) 1 + ( Rc ) +
i
Ic
J
+∫
∞
Rc
{∑
α R − k + ∑ n=1 ∑ k =1 (cnk R − k ) Pn (µ) +
k =1 0 k
3
2
2
(1.2)
+ ∑ k =1 (dlk R − k ) Pl (µ) dR,
2
}
δI ci
где i (hl ) – амплитуды вариаций интегрального потока вторичных частиц типа i
Ic
(относительно некоторого фонового уровня I ci ), наблюдаемых в географическом
пункте с на уровне h в атмосфере Земли, Wi(Rc, hl) – функция связи между первичными и вторичными вариациями КЛ, Rc – эффективная жесткость геомагнитного
8
обрезания, Pn(µ), Pn(ν) – полиномы Лежандра, µ – косинус питч-угла частицы, Ψс(R),
λс(R) – асимптотические углы прихода частиц в данный пункт.
Метод СГС позволяет по данным наземных наблюдений КЛ на мировой сети
станций получать информацию об изменении первичного спектра КЛ, о распределении
первичных КЛ по энергиям и питч-углам в ММП, а также об изменениях планетарной
системы жесткостей геомагнитного обрезания за каждый час наблюдений.
В разделе 1.8 описано определение дифференциального жесткостного спектра
по данным наблюдений интенсивности КЛ на мировой сети станций и космических
аппаратах. В том случае, когда жесткостной спектр КЛ в Галактике описывается
степенной функцией от жесткости частиц, а изменение их интенсивности в гелиосфере происходит в соответствии с теоремой Лиувилля, т. е. при условии постоянства плотности частиц вдоль траекторий движения в фазовом пространстве, жесткостной дифференциальный спектр КЛ будет иметь следующий вид [36]:
−γ
(ε 2 − ε 02 )3 / 2 ε + δε J ( R) = A
,
ε (ε + δε)2 − ε 02 T0 + ε 0 (1.3)
где ε – полная энергия частиц с жесткостью R; ε0 – энергия покоя; T0 – кинетическая
энергия частиц, при которой интенсивность КЛ соответствующей жесткости в Галактике равна А; А и γ – спектральные индексы галактического спектра, δε – изменения ε в электромагнитных полях гелиосферы.
Во второй главе дано краткое описание мировой сети станций КЛ и нейтронных супермониторов NM64, которыми они оснащены, а также освещены вопросы,
касающиеся работы станций КЛ ИСЗФ СО РАН.
В разделе 2.1 сформулированы условия, необходимые для получения и публикации данных в режиме реального времени.
В разделе 2.2 описана первичная обработка данных, целью которой является
подготовка полноценного экспериментального материала для обработки более высокого уровня.
В разделе 2.3 представлены станции КЛ ИСЗФ СО РАН, даны их характеристики.
В разделе 2.4 подробно рассмотрены программно-аппаратный регистрирующий
комплекс и системы передачи данных от удаленных станций КЛ ИСЗФ СО РАН, модернизированные для работы в режиме реального времени. Передача данных осуществляется на расстояние до 15 км в горных условиях.
В разделе 2.5 рассматриваются ныне действующие международные проекты по
разработке баз данных и участие в них станций КЛ ИСЗФ СО РАН.
В разделе 2.6 приводятся примеры создания баз данных на сервере станции КЛ
ИРКУТСК (IRKT) и на удаленных станциях КЛ (ИРКУТСК 2 (IRK2), ИРКУТСК 3
(IRK3), НОРИЛЬСК (NRLK)), а также их синхронизация.
9
В третьей главе методом спектрографической глобальной съемки (СГС) в
рамках модели модуляции космических лучей регулярными электромагнитными
полями гелиосферы исследуется поведение КЛ в периоды: июль 1982 г., август–
октябрь 1989 г., ноябрь 2004 г., январь, май–август 2005 г. и декабрь 2006 г. по
данным мировой сети наземных нейтронных мониторов и спутниковых измерений в
энергетическом диапазоне до десятков ГэВ. Приводится информация о вариациях
углового и энергетического распределения первичных КЛ за пределами магнитосферы Земли и об изменениях планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания за каждый час наблюдений.
В разделе 3.1 исследованы вариации жесткостного спектра и анизотропии галактических КЛ, а также изменения жесткости геомагнитного обрезания в период
форбуш-понижения в июле 1982 г. События связаны со вспышкой балла 2B/X7,
произошедшей 12 июля и вызвавшей большой форбуш-эффект 13 июля 1982 г., со
значительными амплитудами модуляции КЛ (~–20 % на полярных станциях), сопровождавшийся геомагнитными возмущениями с D st ~–300 нТл.
Рис. 1.
10
Рис. 2.
На рис. 1 представлены данные прямых измерений в космосе модуля ММП в
(нTл) и углов Ψ и λ, характеризующих ориентацию вектора ММП в межпланетном
пространстве за рассматриваемый период (панели а–в, соответственно). На панели г
представлены временные профили вариаций глобальной интенсивности КЛ с жесткостью 4 и 20 ГВ. На панелях д–ж соответственно, модуль первой сферической
гармоники и амплитуды тессеральной (m≠n) и секториальной (m=n) составляющих
второй гармоники.
На рис.2. представлены изменения жесткости геомагнитного обрезания (ЖГО)
δRc при Rc=4 ГВ совместно с Dst-индексом. На правой панели представлены относительные изменения интенсивности КЛ с R=4 ГВ в зависимости от асимптотических
направлений в солнечно-эклиптической системе координат для различных моментов
времени 14–15 июля (панели a–в – во время событий, панель г – после). Символами
«+» обозначена ориентация вектора ММП в рассматриваемые моменты времени.
О достоверности получаемой информации можно судить по степени соответствия между изменениями ЖГО δRc при Rc=4 ГВ с Dst-индексом. Вариации ЖГО
(δRc), определенные по космическим лучам, хорошо коррелируют с Dst-индексом
(коэффициент корреляции с 10 июля по 24 июля ~0.9), поскольку отражают одно
и то же явление – усиление кольцевого тока в магнитосфере. Максимальная амплитуда модуляции для частиц с R=4 и 20 ГВ наблюдалась 14 июля и составляла
~–40 % и ~–20 % соответственно. Спектр вариаций очень жесткий (показатель спектра вариаций γ≈0.4). Максимальная амплитуда анизотропии наблюдалась в период
максимальной модуляции 14, 15 июля и составляла – А 1 ~25 %, A21 и A22 ~5 % для частиц с R=4 ГВ. Распределение изолиний на правой панели (рис. 2, а и в) указывает на
существование двунаправленного потока. Распределение изолиний на рис. 2, б и г показывает существование однонаправленных потоков.
Как следует из приведенных результатов, в момент максимальной модуляции
КЛ наблюдается двунаправленная анизотропия большой амплитуды в угловом распределении частиц, что свидетельствует, во-первых, о высокой степени регулярно11
сти ММП, во-вторых, о наличии структуры ММП типа магнитной ловушки. Из совместного анализа данных вариаций функции распределения КЛ и данных по ММП
следует, что в период рассматриваемого события в межпланетное пространство выносится поток магнитного поля петлеобразной структуры, который деформирует
фоновое магнитное поле, как показано на рис. 3.
Проникновение КЛ внутрь магнитной ловушки и выход из нее происходит за
счет центробежного и градиентного дрейфа частиц, а понижение интенсивности – за
счет энергетических потерь при движении КЛ в расширяющейся магнитной ловушке высокоскоростного потока. Наличие двунаправленной анизотропии, характеризующейся дефицитом частиц с большими питч-углами, указывает на чисто временное уменьшение напряженности магнитного поля внутри высокоскоростного потока. Большие амплитуды первой сферической гармоники обусловлены большими пространственными градиентами плотности частиц на ларморовском радиусе.
Для получения количественных оценок характеристик высокоскоростного потока необходимо численное моделирование процесса модуляции КЛ в полях рассматриваемой геометрии.
Также представлены жесткостные спектры вариаций для различных значений
δε при условии, что значение δεi превышает δε на 0.5 ГэВ. Показано, что приведенный вид спектра отражает характерные особенности наблюдаемого на космических аппаратах спектра КЛ в энергетическом диапазоне от единиц МэВ до десятков ГэВ и позволяет описать ситуацию, когда интенсивность высокоэнергичных
частиц понижается, а низкоэнергичных – повышается (типичная ситуация для
форбуш-эффекта).
Рис. 3. Петлеобразная структура магнитного поля высокоскоростного потока (ВП) и области
деформации ММП.
12
Описаны вариации планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания
на различных фазах магнитной бури в июле 1982 г. Зависимость δRc от Rc, полученная при анализе на различных фазах магнитной бури в июле 1982 г., качественно согласуется с результатами расчетов δRc(Rc) в рамках простейшей модели западного
магнитосферного тока. Для количественного согласования расчетных и наблюдаемых значений δRc(Rc) необходимо использовать более адекватные модели пространственно распределенной магнитосферной токовой системы. При этом наблюдаемые
распределения δRc(Rc) могут быть использованы (в рамках той или иной модели) в
качестве дополнительного источника информации о пространственно-временных
характеристиках магнитосферной токовой системы.
В разделе 3.2 исследованы вариации жесткостного спектра КЛ за период август–октябрь 1989 г., характеризующегося серией мощных солнечных протонных
событий и форбуш-понижений. Показано, что используемый вид спектра удовлетворительно описывает временные профили интенсивности КЛ и их жесткостные спектры в энергетическом диапазоне от ~15 МэВ до десятков ГэВ.
В разделе 3.3 исследованы вариации параметров жесткостного спектра и изменения жесткостей геомагнитного обрезания космических лучей в ноябре 2004 г. В
рамках модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями гелиосферы показано, как используемая модель позволяет объяснить широкий спектр явлений при корональных выбросах массы (вариации жесткостного спектра и анизотропии КЛ, отсутствие дисперсии в начальной фазе возрастания интенсивности КЛ различных энергий для отдельных событий, форбуш-эффектов и т. д.).
В разделе 3.4 описаны вариации жесткостного спектра и анизотропии космических лучей в период солнечного протонного события в январе 2005 г.
На рис. 4 (левая панель) приведены временные профили относительных изменений интенсивности КЛ на различных станциях мировой сети (а); временные профили амплитуд вариаций интенсивности первичных КЛ с жесткостью 4 и 6 ГВ (б);
временные профили амплитуд первой и второй сферических гармоник для частиц с
жесткостью 4 ГВ (в, г) соответственно. На правой панели приведены относительные
изменения интенсивности первичных КЛ с R=4 ГВ в зависимости от асимптотических направлений в солнечно-эклиптической гелиоцентрической системе координат для различных моментов времени 20 января 2005 г. Крестиками отмечены среднечасовые значения направления ММП, измеренные на космических аппаратах.
Данное событие характеризуется различием во временах начала возрастания интенсивности КЛ, а также различной величиной амплитуды возрастания на станциях
КЛ Южного и Северного полушарий (см. рис. 4, а, левая панель), что свидетельствует
13
Рис. 4.
о значительной анизотропии в угловом распределении первичных частиц. На рис. 4, б
(левая панель) представлены временные профили вариаций интенсивности первичных КЛ с жесткостью 4 и 6 ГВ с 06.00 по 19.00 UT 20 января 2005 г.
На рис. 4, в и г (левая панель) приведены временные профили амплитуд первой
и второй сферических гармоник анизотропии для частиц с жесткостью 4 ГВ. Наиболее высокая степень анизотропии наблюдается на начальной стадии вспышки. Амплитуда первой сферической гармоники начинает возрастать в 06.45 UT и достигает
максимума (~95 %) в 06.55–07.05 UT, затем падает и продолжает держаться на
уровне 10–20 % в течение всего рассматриваемого периода. Амплитуда второй сферической гармоники начинает возрастать в 06.50 UT и достигает максимума (~90 %)
в 06.55–07.05 UT, в 07.20 UT падает до нуля, за исключением отдельных пятиминуток, в которых ее величина достигает нескольких процентов.
Анализ распределения частиц с жесткостью R=4 ГВ по направлениям прихода
(правая панель рис. 4) указывает на относительно стабильное поведение анизотропии КЛ в период ее максимальных значений. В течение всего этого периода приход
частиц происходил из ортогональных вектору ММП направлений.
Представлены дифференциальные жесткостные спектры КЛ в отдельные моменты времени исследуемого периода совместно с фоновым спектром КЛ. Получено, что используемый вид спектра хорошо описывает наблюдаемую зависимость
14
интенсивности КЛ от их жесткости на всем анализируемом временном интервале, за
исключением момента 07.00 UT 20 января, т. е. на начальной стадии GLE.
Анизотропия КЛ в исследуемом событии не описывается простейшей зависимостью интенсивности от питч-угла частиц в ММП. В моменты наблюдения максимальных значений анизотропии доминирующими являются ее компоненты, ортогональные вектору ММП. Если предположить, что такое поведение анизотропии обусловлено градиентом плотности частиц на ларморовском радиусе, то при наблюдаемой ориентации ММП градиент плотности частиц должен быть направлен к Солнцу
как на фазе возрастания интенсивности частиц, так и на фазе ее спада.
В разделе 3.5 рассматриваются эффекты в КЛ в периоды солнечных протонных
событий.
В ряде работ обращалось внимание на аномальное поведение анизотропии КЛ
при форбуш-эффектах и солнечных протонных событиях (СПС), а также на одновременность прихода на Землю солнечных космических лучей (СКЛ) в широком
диапазоне энергий (от единиц МэВ до десятков ГэВ), скорости которых различаются почти на порядок. В работе обсуждаются возможности объяснения такого поведения солнечных КЛ.
В частности, при анализе солнечных протонных событий, произошедших в январе
2005 г. и в декабре 2006 г., был рассмотрен механизм, согласно которому в рассматриваемом диапазоне энергий вариации интенсивности энергичных частиц обусловлены
изменением энергии галактических КЛ под действием электромагнитных полей, возникающих в гелиосфере вследствие распространения СКЛ (вторичный эффект СПС), которые, в свою очередь, из-за обмена энергией с ГКЛ и частицами плазмы СВ, перемещаются в область меньших энергий и регистрируются только в кратковременные моменты времени в энергетическом интервале 4–9 МэВ (первичный эффект).
В разделе 3.6 по данным наземных наблюдений интенсивности КЛ на мировой сети станций методом СГС исследуются вариации жесткостного спектра КЛ за период
май–август 2005 г. и проводится сравнение результатов, полученных по данным ограниченного числа нейтронных мониторов (19 станций КЛ), представляющих данные в режиме реального времени, и по данным большего числа станций КЛ (43 станции).
На левой панели рис. 5 сверху вниз представлены: значения модуля ММП и скорость СВ (прямые измерения), амплитуды первой гармоники А1 (рис. 5, в) и второй
гармоники А2 (рис. 5, г) углового распределения КЛ с жесткостью R=4 ГВ (рассчитанные по данным 19 (черные линии) и 43 (серые линии) станций КЛ), углы Ψ (рис. 5, д) и
λ (рис. 5, е), характеризующие ориентацию вектора ММП в гелиоцентрической эклиптической системе координат (прямые измерения (серые линии) и рассчитанные по
данным 19 (черные линии) станций КЛ). На правой панели рис. 5: относительные изменения интенсивности частиц с R=4 ГВ (рис. 5, а) и 10 ГВ (рис. 5, б), величина изменения жесткости геомагнитного обрезания (ЖГО) при R c =4 ГВ (рис. 5, в), рассчитанные с использованием найденных параметров спектра по данным 19 (черные линии) и
43 (серые линии) станций КЛ и данные наблюдений Dst-индекса (рис. 5, г).
15
Рис. 5.
Из анализа рис. 5 видно, что значения, полученные по 19 станциям КЛ, значительно хуже отображают амплитуду первой А1 и второй A2 гармоники, чем рассчитанные по данным 43 станций КЛ. Это вполне объяснимо: 19 станций КЛ, представляющих данные в реальном времени, расположены в восточном полушарии. Следовательно, сеть станций КЛ, используемая в расчетах как единый многоканальный многонаправленный прибор, «видит» только часть небесной сферы. Углы Ψ и λ, рассчитанные
по данным 19 станций КЛ, соответствуют данным наблюдений на космических аппаратах. При расчете по данным 19 и 43 станций КЛ значения временных вариаций
интенсивности частиц с R=4 ГВ и R=10 ГВ, а также изменения ЖГО при пороговой
жесткости Rc=4 ГВ хорошо согласуются между собой. По степени соответствия между изменениями жесткостей геомагнитного обрезания δR при Rc=4 ГВ с Dst-индексом
можно судить о достоверности получаемой информации.
Все это позволяет использовать данные наблюдений интенсивности КЛ в реальном времени ограниченным числом станций КЛ мировой сети для мониторинга
радиационной обстановки вблизи Земли и для получения адекватной информации о
процессах в межпланетном пространстве с учетом указанных особенностей. Расхождения результатов расчетов по 19 станциям КЛ с расчетами по 43 станциям КЛ
связаны с местонахождением их в одном полушарии, что не позволяет видеть всю
небесную сферу, а также с недостаточностью станций КЛ, расположенных в низких
широтах и представляющих свои данные в реальном времени.
В заключении перечисляются основные результаты работы.
1. Модернизирован программно-аппаратный комплекс станций КЛ ИСЗФ СО
РАН для получения данных с высоким временным разрешением в реальном времени.
16
2. Создана база данных для сбора, синхронизации, обработки, контроля качества и использования данных по нейтронной компоненте КЛ в режиме реального времени.
3. Организована передача данных в режиме реального времени в локальную и
международную (NMDB) базы данных.
4. Результаты, полученные методом СГС по данным наблюдений КЛ на станциях мировой сети в реальном времени, применимы для оперативных расчетов вариаций спектра КЛ, планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания, а
также ориентации ММП.
5. Обнаружено появление второй гармоники анизотропии большой амплитуды
в угловом распределении частиц во время максимальной модуляции КЛ, что может
быть связано с нахождением Земли внутри петлеобразной структуры ММП, которая
деформирует фоновое магнитное поле.
Публикации по теме диссертации
1. Дворников В.М. Вариации жесткостного спектра и анизотропии космических
лучей в период форбуш-эффекта 12–25 июля 1982 г. / В.М. Дворников А.А. Распопина, В.Е. Сдобнов // Международная Байкальская молодежная научная школа по
фундаментальной физике / ИСЗФ СО РАН. – Иркутск, 1998. – С. 8.
2. Дворников В.М. О природе вариаций жесткостного спектра космических лучей в гелиосфере / В.М. Дворников А.А. Распопина, В.Е. Сдобнов // Международная
Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике / ИСЗФ СО
РАН. – Иркутск, 1999. – С. 178–179.
3. Дворников В.М. Определение вариаций планетарной системы жесткостей
геомагнитного обрезания по данным наземных наблюдений на мировой сети нейтронных мониторов / В.М. Дворников, А.А. Луковникова, Н.А. Осипова, В.Е. Сдобнов // Труды Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей /
ИСЗФ СО РАН. – Иркутск, 2001. – С. 230–232.
4. Dvornikov V.M. A unified formation mechanism for the cosmic-ray rigidity in the
energy range from a few MeV to several tens of GeV for different phenomena in the heliosphere / V.M. Dvornikov, A.A. Lukovnikova., V.E. Sdobnov // Symposium EGS. – Nice,
2002. – P. 245.5. Дворников В.М. Модуляция космических лучей электромагнитными полями гелиосферы в периоды солнечных протонных событий / В.М. Дворников,
А.А. Луковникова, В.Е. Сдобнов, М.В. Юдина // Труды 28-й Всероссийской конференции по космическим лучам. – 2004. – Москва. – С. 214.
6. Дворников В.М. Вариации интенсивности космических лучей при спорадических явлениях в гелиосфере / В.М. Дворников, А.А. Луковникова, В.Е. Сдобнов,
М.В. Юдина // VII конференция молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом» / ИСЗФ СО РАН. – Иркутск, 2004. – С. 175–177.
17
7. Дворников В.М. Модуляция космических лучей регулярными электромагнитными полями гелиосферы в периоды солнечных протонных событий / В.М.
Дворников, А.А. Луковникова, В.Е. Сдобнов, М.В. Юдина // Изв. РАН. – Сер. Физ. –
2005. –Т. 69, № 6. – С. 821–824.
8. Дворников В.М. Вариации жесткостного спектра космических лучей в периоды солнечных протонных событий / В.М. Дворников, М.В. Кравцова, А.А. Луковникова, О.Н. Крякунова, В.Е. Сдобнов // Всероссийская конференция «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности» / ИЗМИРАН. – Троицк, 2005. – С. 20.
9. Дворников В.М. Вариации параметров межпланетной среды и изменения жесткостей геомагнитного обрезания космических лучей в ноябре 2004 г. / В.М. Дворников,
М.В. Кравцова, А.А. Луковникова, В.Е. Сдобнов // Труды VIII конференции молодых ученых «Астрофизика и физика околоземного космического пространства» /
ИСЗФ СО РАН. – Иркутск, 2005. – С. 170–171.
10. Дворников В.М. Вариации анизотропии космических лучей в период GLE
20 января 2005 г. / В.М. Дворников, А.А. Луковникова, В.Е. Сдобнов // Труды 29-й
Всероссийской конференции по космическим лучам. – Москва, 2006. – С. 214.
11. Дворников В.М. О возможности прогноза солнечных протонных событий /
В.М. Дворников, М.В. Кравцова, А.А. Луковникова, В.Е. Сдобнов // Изв. РАН. –
Сер. Физ. – 2007. – Т. 71, № 7. – С. 979–981.
12. Дворников В.М. Вариации жесткостного спектра космических лучей в период событий января 2005 г. / В.М. Дворников, М.В. Кравцова, А.А. Луковникова,
В.Е. Сдобнов // Изв. РАН. – Сер. Физ. – 2007. – Т. 71, № 7. – С. 976–978.
13. Дворников В.М. Прогноз солнечных протонных событий по вариациям
жесткостного спектра космических лучей / В.М. Дворников, М.В. Кравцова, А.А.
Луковникова, В.Е. Сдобнов // Сборник трудов Всероссийской конференции
«Современные проблемы космической физики» / ИКФИА СО РАН. – Якутск,
2007. – С. 131–134.
14. Dvornikov V.M. Variations of angular distribution of cosmic rays during GLE period
on January 20, 2005 / V.M. Dvornikov, A.A. Lukovnikova, V.E. Sdobnov, S.I. Petukhov, S.A.
Starodubtsev // Proc. 30th ICRC. – Merida, Mexico. – 2007. – V. 1. – P. 197–200.
15. Dvornikov V.M. Variations of parameters of rigidity spectrum of cosmic rays during events of January, 2005 / V.M. Dvornikov, M.V. Kravtsova, A.A. Lukovnikova, V.E.
Sdobnov, A.V. Belov, E.A. Eroshenko, V.G. Yanke, O.N. Kryakunova // Proc. 30th ICRC. –
Merida, Mexico. – 2007. – V. 1. – P. 155–158.
16. Dvornikov V.M. Forecast of the Solar Proton Events according to the Rigidity
Spectrum Variations of Cosmic Rays / V.M. Dvornikov, M.V. Kravtsova, A.A. Lukovnikova, V.E. Sdobnov, O.N. Kryakunova // Proc. 30th ICRC. – Merida, Mexico. 2007. – V. 1. –
P. 127–130.
18
17. Aleshkov V.M. The ISTP SB RAS Sayan mountain spectrographic complex of
neutron monitors / V.M. Aleshkov, V.M. Dvornikov, A.A. Lukovnikova, V.E. Sdobnov //
Proc.3nd Internat. Symp. SEE. – Athens, Greece. – 2007. – P. 396.
18. Dvornikov V.M. The method of forecast of solar proton events / V.M.
Dvornikov, M.V. Kravtsova, A.A. Lukovnikova, V.E. Sdobnov // Adv. Space Res.
2009. – V. 43, Iss. 4. – P. 735–738.
19. Dvornikov V.M. Primary and Secondary Effects in Cosmic-Ray Variations at Solar
Proton Events / V.M. Dvornikov, M.V. Kravtsova, A.A. Lukovnikova, V.E. Sdobnov //
Bulletin of the Russian Academy of Sciences: physics. – 2009. – V. 73, N 3. – P. 325–327.
20. Дворников В.М. Первичные и вторичные эффекты в вариациях космических лучей при солнечных протонных событиях / В.М. Дворников, М.В. Кравцова, А.А. Луковникова, В.Е. Сдобнов // Изв. РАН. – Сер. Физ. – 2009. – Т. 73, №
3. – С. 342–344.
21. Алешков В.М. Саянский спектрографический комплекс как важный компонент мировой сети нейтронных мониторов / В.М Алешков, В.М. Дворников, А.А.
Луковникова, В.Е. Сдобнов // Международная Байкальская молодежная научная
школа по фундаментальной физике. XI конференция молодых ученых «Гелио- и
геофизические исследования» / ИСЗФ СО РАН. – Иркутск, 2009. – С. 264–267.
22. Кравцова М.В. Апробация метода спектрографической глобальной съемки
по усеченной сети станций космических лучей // М.В. Кравцова, А.А. Луковникова,
В.Е. Сдобнов // VIII конференция молодых ученых, посвященная Дню космонавтики
«Фундаментальные и прикладные космические исследования» / ИКИ. – Москва,
2011. – С. 51.
23. Алешков В.М. Станции космических лучей ИСЗФ СО РАН в режиме «реального времени» / В.М. Алешков, М.В. Кравцова, А.А. Луковникова, В.Е. Сдобнов
// Научная конференция «Базы данных, инструменты и информационные основы
полярных геофизических исследований» / ИЗМИРАН. – Троицк, 2011. – С. 33.
Цитируемая литература
1. Дорман Л.И. Вариации космических лучей / Л.И. Дорман. – М.: Гостехиздат,
1957. – 492 с.
2. Altuchov A.M. The method of “Global survey” for Investigation Cosmic Ray
Modulation / A.M. Altuchov, G.F. Krimsky, A.I. Kuzmin // Proc. 11th ICRC. – Budapest,
1969. – V. 4. P. – 457–460.
3. Baisultanova L.M. Magnitospheric effects in cosmic rays during Forbush-decrease /
L.M. Baisultanova, A.V. Belov, L.I. Dorman, et. al // – Proc. 20th ICRC. Moscow. 1987. –
V. 4. – P. 231–235.
4. Dvornikov V.M. Analyzing the solar proton event of 22 October 1989, using the
method of spectrographic global survay / V.M. Dvornikov, V.E. Sdobnov // Solar Phys.
– V. 178, N 2. – P. 405–422.
19
Отпечатано в издательском отделе
ИСЗФ СО РАН
Заказ № 123 от 12 марта 2012 г.
Объем 20 с.
Тираж 100 экз.
20
Документ
Категория
Физико-математические науки
Просмотров
122
Размер файла
6 283 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа