О ПРИРОДЕ ВАРИАЦИЙ ЖЕСТКОСТНОГО СПЕКТРА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ГЕЛИОСФЕРЕ

В.М. Дворников, А.А. Распопина, В.Е. Сдобнов

Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск

В работе [1] по данным наземных наблюдений космических лучей (КЛ) на мировой сети станций с использованием метода спектрографической глобальной съемки были получены результаты анализа Форбуш-понижения в июле 1982 г. и показано, что в отдельные моменты исследуемого события наблюдается двунаправленная анизотропия большой (~4%) амплитуды в распределении КЛ по направлениям прихода.

В работе [2] был проведен сравнительный анализ данных о двунаправленной анизотропии, полученных по наземным данным наблюдений и данных, полученных со спутника ISEE-3. Анализ показал, что двунаправленная анизотропия наблюдается как для частиц с энергией 2 МэВ, так и для частиц с энергией 4 ГэВ, а временные профили амплитуд двунаправленной анизотропии хорошо согласуются между собой, что указывает на достоверность информации, полученной методом спектрографической глобальной съемки.

Наряду с изучением анизотропии КЛ в работе [1] исследовались и вариации жесткосного спектра КЛ в период анализируемого Форбуш-эффекта. И было показано, что спектр очень жесткий (g ~0.4).

В данной работе предлагается интерпретация наблюдаемых вариаций жесткосного спектра КЛ.

Т.к. наличие двунаправленной анизотропии КЛ большой амплитуды в период Форбуш-эффекта противоречит основным положениям конвективно-диффузионной модели, предлагаемая интерпретация базируется на альтернативной модели модуляции КЛ регулярными электромагнитными полями солнечного ветра (СВ).

В работах [3], [4] было показано, что при движении КЛ в регулярных полях спиралевидной геометрии стационарного и пространственно-однородного солнечного ветра частицы теряют часть своей энергии. Если частица продрейфует от полюса до гелиоэкватора против электрического поля , то ее энергия уменьшится на величину

(1)

Ze - заряд частицы, W - угловая скорость вращения Солнца, B_r0 - напряженность r -ой компоненты ММП на расстоянии r₀ от Солнца, c - скорость света.

Величина D Е при значении модуля ММП ~ 5 нТл на орбите Земли составляет ~ 200 МэВ и не зависит ни от жесткости частиц, ни от их питч-угла в ММП, т.к. электрическое поле стационарного и однородного СВ является потенциальным. Не зависит эта величина и от скорости СВ, т.к. азимутальная компонента ММП в данном случае обратно пропорциональна скорости СВ

(2)

где u - скорость СВ, l - гелиоширота, r - расстояние до Солнца, и электрическое поле, имеющее только меридиональную компоненту и определяемое произведением u на Вj

(3)

не зависит от скорости.

В случае выноса в межпланетное пространство петлеобразной структуры высокоскоростного СВ ситуация кардинально меняется. Электрическое поле может иметь как меридиональную Еl , так и азимутальную Еj компоненту. Напряженность этого поля зависит от величины и от скорости СВ и может более чем на порядок превосходить величину электрического поля, обусловленного ММП спиралевидной геометрии. Соответственно увеличатся и потери энергии D Е.

Жесткостной спектр вариаций, обусловленных изменением энергии частиц в регулярных полях СВ, согласно [4], определяется выражением вида

(4)

где - полная энергия частицы , e ₀ - энергия покоя, g - показатель спектра галактических КЛ D(R )µ Е^-g ,D Е_i - изменение энергии частицы в расширяющейся петлеобразной структуре высокоскоростного СВ для момента времени t_i, - изменение энергии частиц в фоновых электромагнитных полях СВ. Значение при высокой солнечной активности также может значительно превышать величину 0.2 ГэВ, т.к. гелиосфера в этом случае заполнена подобными рассматриваемой структурами полей высокоскоростных потоков и частицы могут многократно взаимодействовать с ними. На рис.1 представлены жесткостные спектры вариаций для различных значений при условии, что значение превышает на 0.5 ГэВ. Как следует из рис.1 одной из причин, влияющих на наклон жесткостного спектра вариаций, является соотношение между величинам и . Однако выражение (4) не позволяет объяснить очень жесткий вид спектра.

Другой причиной, влияющей на жесткостной спектр вариаций, является то, что при спорадических процессах электрические поля не являются потенциальными, и изменение энергии частиц будет зависеть от траектории их движения (дрейфовых траекторий) в электромагнитных полях той или иной конфигурации.

Рис.1. Жесткостные спектры вариаций космических лучей, рассчитанные по формуле (4) для различных значений потерь энергии частиц в фоновых электромагнитных полях солнечного ветра Eo: 1- Eo=0, 2- Eo=0.5, 3- Eo=1.0, 4- Eo=1.5 ГэВ и при значениях потерь энергии частиц в полях высокоскоростного потока Ei=Eo+0.5 ГэВ

В силу того что скорость дрейфа частиц рассматриваемых энергий, а, следовательно, их дрейфовые траектории, зависят от жесткостей частиц R и от питч-угла в ММП, а при сильной неоднородности ММП, (например, в окрестностях токовых слоев) и от фазы движения частиц по ларморовской окружности, величина изменения энергии также будет зависеть от этих характеристик. Поэтому отклонение спектра вариаций от вида (4) (см. Рис.1) и анизотропия в распределении частиц по направлениям прихода являются мерой нестационарности процесса.

В связи с этим были учтены эффекты от непотенциальных электрических полей, связанных с временными вариациями модуля ММП. В этом случае спектр имеет следующий вид:

(5)

где a - µ , l - размер области ускорения, - дрейфовая скорость частиц с жесткостью R = 1 ГВ.

Функция, описывающая спектр, является двухпараметрической. В частности, для исследуемого события вариации параметров спектра D Е и a представлены на рис.2. Видно, что наряду с замедлением происходит и ускорение частиц (a >0) (в отдельных областях межпланетного пространства.

Вид полученного спектра (5) при различных параметрах D Е и a представлен на рис.3. Приведенный вид спектра отражает все 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.2. Изменения параметров жесткостного спектра вариаций космических лучей в июле 1982 г.
	Рис.3. Дифференциальные жесткостные спектры космических лучей, рассчитанные по формуле (5) для параметров E = 0.2 ГэВ (верхнее семейство кривых) и E = 0.6 ГэВ, = 0.02, 0.04 и 0ю06 - соответственно, нижняя, средняя и верхняя кривые каждого из семейств.

Литература

1. Дворников В.М., Сдобнов В.Е. Вариации жесткостного спектра и анизотропии космических лучей в период Форбуш-эффекта 12-25 июля 1982г. Geomagnetizm i aeronomia International. В печати.
2. Richardson I.G., Dvornikov V.M.,Sdobnov V.E. and Cane H.V. Correlated bidirectionale particle flows at³ 1MeV and cosmic ray energies and their association with ejecta. JGR. В печати.
3. Дворников В.М., Матюхин Ю.Г. Энергетические потери космических лучей при движении в регулярном магнитном поле солнечного ветра. //Изв.АН СССР. Сер.физ. 1976. Т.39. N 3. C.621.

Dvornikov V.M., Sdobnov V.E., Sergeev A.V. Anomalous variations of the cosmic ray energy spectrum during some periods of 1972.// Proc.20 ICRC, Moscow. 1987.V.4.P.91.