АНИЗОТРОПИЯ И ПЛОТНОСТЬ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 38, № 9, с. 677–680
УДК 524.1
АНИЗОТРОПИЯ И ПЛОТНОСТЬ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
В ОКРЕСТНОСТИ НЕЙТРАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
МЕЖПЛАНЕТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ
c 2012 г.
Г. Ф. Крымский* , П. А. Кривошапкин, С. К. Герасимова, П. Ю. Гололобов
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, Якутск
Поступила в редакцию 25.01.2012 г.
Поведение интенсивности и анизотропии космических лучей в окрестности нейтральной поверхности
межпланетного магнитного поля изучалось в моменты пересечения секторных границ. Обнаруженные
закономерности указывают на наличие северо-южной асимметрии межпланетного магнитного поля,
обусловленной систематическим смещением в южное полушарие его нейтральной поверхности.
Ключевые слова: космические лучи, межпланетное магнитное поле, гелиосфера.
ВВЕДЕНИЕ
Нейтральная поверхность межпланетного магнитного поля (ММП) разделяет области противоположной полярности магнитного поля и образует
сектор-границы в короне Солнца (Свалгаард и др.,
1974). Нейтральная поверхность систематически
наклонена по отношению к экватору Солнца и
образует так называемый “гофр”. Размах гофра
увеличивается с увеличением солнечной активности. Форма нейтральной поверхности определяет
двух- или четырехсекторную структуру наблюдаемого межпланетного магнитного поля (Хоексема
и др., 1983) и существенно влияет на вариации
интенсивности космических лучей. В эпоху отрицательной полярности общего магнитного поля
Солнца связь между интенсивностью космических
лучей и деформацией нейтральной поверхности
межпланетного магнитного поля имеет почти функциональную зависимость (Крымский и др., 2007). В
этой работе мы исследуем вариации интенсивности
и анизотропии космических лучей в моменты пересечения Землей нейтральной поверхности.
АНАЛИЗ ДАННЫХ И ОБСУЖДЕНИЕ
Моменты времени смены знака поля при переходе от одного сектора к другому подобраны
по синоптической карте солнечной обсерватории
Вилкокса (http://wso.stanford.edu) за период времени январь 1978–январь 2009. Чтобы идентифицировать эти моменты с моментами регистрации
*
Электронный адрес: [email protected]
космических лучей на Земле, учитываем постоянную скорость распространения солнечного ветра
400 км/с, которая приводит к запаздыванию примерно на 4 сут. В качестве интенсивности космических лучей использовались данные нейтронного монитора ст. Москва (55◦ 2 N, 37◦ 19 E)
(http://cr0.izmiran.rssi.ru), имеющего приемлемые
для нашей цели приемные характеристики.
Рассматривается интервал, составляющий 4 сут
до и 4 сут после дня пересечения нейтральной поверхности. Отдельно анализируются события для
эпох с положительной (A > 0) и отрицательной
(A < 0) полярностями общего магнитного поля
Солнца. Внутри каждой эпохи выделены дни перехода от сектора с положительным знаком к сектору
отрицательного магнитного знака (+/−) и, наоборот, перехода от отрицательного знака к положительному (−/+). При выборке событий пользовались следующим критерием. Если внутри временного интервала имели место протонная вспышка
или форбуш-понижение с величиной >4%, то этот
интервал исключался из анализа. Число выбранных событий для эпохи отрицательной полярности
Солнца A < 0 на переходе (+/−) равно 157, а на
переходе (−/+) – 160; для положительной эпохи
общего магнитного поля Солнца A > 0 на переходе
(+/−) – 94 и для (−/+) равно 99. Поэтому погрешность определения среднечасового значения
интенсивности космических лучей на указанных
переходах не превышает 0.003%. Для оценки амплитуды и фазы анизотропии учитывается влияние
траектории частиц в геомагнитном поле. Это влияние для нейтронного монитора ст. Москва умень677
678
КРЫМСКИЙ и др.
(a)
0.2
(б)
1
3
qA > 0
Δθ1
J+
ΔI/I, %
0.1
0
0
J−
−0.1
+
−
−0.2
−4 −3 −2 −1
0.2
0
1
2
3
4
4
1
3
qA < 0
Δθ1
J−
0.1
ΔI/I, %
Δθ2
2
0
0
−0.1
J+
+
−
−0.2
−4 −3 −2 −1
0 1
t, дни
2
3
4
Δθ2
2
4
Рис. 1. Интенсивность космических лучей (проценты) в окрестности нейтральной поверхности межпланетного магнитного поля (а). Нулевой день соответствует моменту смены знака сектора. Схема изменения положения Земли относительно
секторных границ и распределение космических лучей по гелиошироте (б). По оси абцисс отложена интенсивность космических лучей в произвольных единицах, по оси ординат – гелиоширота, отсчитываемая от нейтральной поверхности:
0 – нейтральная поверхность ММП; 1, 2 – северная и южная границы гофра ММП; 3, 4 – северная и южная границы
положения Земли относительно нейтральной поверхности. Точками указаны средние положения Земли и соответственно
средние значения интенсивности в секторах.
шает амплитуду первичного вектора анизотропии
на фактор 0.8 и смещает максимум интенсивности
суточной вариации на 3 ч 8 мин к раннему времени.
На рис. 1а показана интенсивность космических
лучей в периоды пересечений нейтральной поверхности. Каждый переход сопровождается повышением интенсивности как в положительную, так и в
отрицательную эпоху. При этом переход из положительного сектора в отрицательный показывает
меньшее возрастание, чем обратный переход. На
рис. 1б приведена схема, показывающая изменение
положения Земли относительно секторных границ
и распределение космических лучей по гелиошироте. Из схемы видно, что в положительных секторах магнитного поля должна наблюдаться более
высокая интенсивность космических лучей как в
эпоху положительного, так и отрицательного знака
общего поля Солнца.
Возрастание космических лучей во время перехода обусловлено, по-видимому, взаимодействием
переднего края потока солнечного ветра с ветром
предыдущего потока. Так как на переднем крае в
большинстве случаев ветер должен иметь большую
скорость, чем на заднем, форма силовых трубок
должна способствовать возникновению магнитных
пробок, как это иллюстрируется схемой на рис. 2.
Возникновение магнитной пробки в зоне взаимодействия препятствует проникновению туда космических лучей. Схематически это показано на рис. 2
внизу.
Причиной различия прямых и обратных переходов является избыток космических лучей в
положительных секторах. Такой избыток должен
существовать вследствие систематического отклонения нейтральной поверхности к югу от плоскости
солнечного экватора (Крымский и др., 2009). В
положительную эпоху на нейтральной поверхности
должен наблюдаться минимум космических лучей,
а в отрицательную – максимум (Крымский и др.,
2007). Сочетание этих двух фактов и обеспечивает,
ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
том 38
№9
2012
АНИЗОТРОПИЯ И ПЛОТНОСТЬ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
679
Солнце
v1
I, отн. ед.
Орбита Земли
v2
t, дни 4
2
0 −2 −4
Рис. 2. Схема взаимодействия быстрого ветра в передней части плазменного потока с медленным ветром отстающей
части (скорость v1 < v2 ). Взаимодействие потоков создает магнитную пробку и препятствует проникновению туда
космических лучей.
в среднем, избыток космических лучей в положительном секторе.
На рис. 3а и 3б показано поведение анизотропии
космических лучей при упомянутых переходах. В
положительную эпоху анизотропия увеличивается
при переходе из положительного сектора в отрицательный и уменьшается при обратном переходе.
В отрицательную эпоху она ведет себя противоположным образом. Если принять во внимание,
что в положительную эпоху положительные сектора принадлежат северной полусфере, а в отрицательную – наоборот, то можно сделать вывод,
что в любую эпоху анизотропия уменьшается, когда Земля переходит в северную полусферу. Так
как нейтральная поверхность сдвинута к югу, то
в северной полусфере Земля в среднем находится
ближе к границе гофра межпланетного магнитного
поля, чем в южной полусфере. В работе Крымского
и др. (2010) было показано, что выход Земли из
гелиоширотной зоны, охватываемой гофром, ведет
к исчезновению анизотропии. Таким образом, наблюдаемое нами поведение анизотропии обусловлено изменением среднего расстояния Земли от
границ гофра.
ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
том 38
Как видно из рис. 3, фаза анизотропии не реагирует на пересечение Землей нейтральной поверхности. Различие фазы анизотропии между положительными и отрицательными эпохами обусловлено
разным характером магнитного дрейфа космических лучей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При пересечении границ магнитных секторов
обнаруживается рост интенсивности космических
лучей, что находит объяснение влиянием магнитной пробки, образующейся в зоне взаимодейтсвия
быстрого переднего края плазменного потока с
медленным отстающим краем предыдущего. Эффект более выражен при переходах от отрицательного магнитного сектора к положительному.
Этому соответствует асимметрия гофра, обусловленная сдвигом нейтральной поверхности к югу от
солнечного экватора, создающая более высокую
интенсивность в положительных секторах. Поведение анизотропии космических лучей также подтверждает указанную асимметрию.
№9
2012
680
КРЫМСКИЙ и др.
Фаза, местное время, ч
Амплитуда, %
0.50
0.45
0.50
(a)
qA > 0
0.45
0.40
0.40
0.35
0.30
0.35
+/−
−/+ 0.30
19
19
18
18
17
17
16
16
15
(б)
qA < 0
+/−
−/+
15
−4 −3 −2 −1 0
1
2
3
4
t, дни
−4 −3 −2 −1 0
1
2
3
4
Рис. 3. Амплитуда (проценты) и фаза (часы местного времени) анизотропии космических лучей при прямых и обратных
переходах через секторную границу в эпохи положительного (а) и отрицательного (б) знака общего поля Солнца.
Авторы благодарят рецензентов за ценные замечания.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 10-02-00877-а, 12-02-98506-р_восток-а),
Программы Президиума РАН № 10 и грантов Президента РФ для поддержки молодых ученых (МК4569.2012.2) и ведущей научной школы (НШ1741.2012.2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А., Мамрукова В.П.
и др., ЖЭТФ 131, 214 (2007).
2. Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А., Мамрукова В.П., Герасимова С.К., Письма в Астрон. журн.
35, 372 (2009) [G.F. Krymsky, P.A. Krivoshapkin,
V.P. Mamrukova, and S.K. Gerasimova, Astron. Lett.
35, 333 (2009)].
3. Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А., Мамрукова В.П., Герасимова С.К., Письма в Астрон. журн.
36, 628 (2010) [G.F. Krymsky, P.A. Krivoshapkin, V.P.
Mamrukova, and C.K. Gerasimova, Astron. Lett. 36,
596 (2010)].
4. Свалгаард и др. (L. Svalgaard, J.M. Wilcox, and
T.L. Duvall), Solar Phys. 37, 157 (1974).
5. Хоексема и др. (J.T. Hoeksema, J.M. Wilcox, and
P.H. Sherrer), J. Geophys. Res. 88, 9910 (1983).
ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
том 38
№9
2012