employee
Yakutsk, Yakutsk, Russian Federation
Yakutsk, Russian Federation
Yakutsk, Yakutsk, Russian Federation
Yakutsk, Yakutsk, Russian Federation
Yakutsk, Yakutsk, Russian Federation
Yakutsk, Russian Federation
This paper presents the basic model of cosmic ray modulation in the heliosphere, developed in Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of the Siberian Branch of RAS. The model has only one free modulation parameter: the ratio of the regular magnetic field to the turbulent one. It may also be applied to the description of cosmic ray intensity variations in a wide energy range from 100 MeV to 100 GeV. Possible mechanisms of generation of the mentioned turbulence field are considered. The primary assumption about the electrical neutrality of the heliosphere appears to be wrong, and the zero potential needed to match the model with observations in the plane of the solar equator can be achieved if the frontal point of the heliosphere, which is flowed around by interstellar gas, lies near the mentioned plane. We have revealed that the abnormal rise of cosmic ray intensity at the end of solar cycle 23 is related to the residual modulation produced by the subsonic solar wind behind the front of a standing shock wave. The model is used to describe features of cosmic ray intensity variations in several solar activity cycles.
cosmic rays, heliosphere, modulation, solar activity
ВВЕДЕНИЕ
Цикл солнечной активности (СА) в вариациях интенсивности космических лучей (КЛ) отражает изменение условий их распространения в гелиосфере. С солнечным циклом связаны напряженность межпланетного магнитного поля (ММП), скорость солнечного ветра (СВ), геометрия областей быстрого и медленного СВ, структура токового слоя и его «гофр» обнаруживающий себя как секторная структура магнитного поля и другие параметры.
Общепринято, что КЛ, проникая в гелиосферу, подвергаются воздействию четырех основных модулирующих процессов:
- конвекции вследствие расширения СВ;
- диффузии из-за рассеяния частиц турбулентным ММП;
- энергетических изменений, таких как адиабатические потери энергии и ускорения;
- дрейфа в результате градиента и искривления ММП.
Эти модулирующие процессы описываются уравнением переноса КЛ [Крымский, 1964; Parker, 1965]. Основные математические инструменты, используемые для описания наблюдаемой модуляции КЛ в гелиосфере, хотя и очень поверхностно, описываются в работе [Moraal, 2013]. Гелиосферная модуляция выражается в виде 11-летней волны в интенсивности КЛ [Lockwood, Webber, 1967]. Длительные наблюдения этого явления показали, что КЛ поразному ведут себя в четных и нечетных циклах СА, в частности, модуляция КЛ имеет две особенности: при положительной полярности общего магнитного поля Солнца пик интенсивности КЛ оказывается плоским, при отрицательной — острым [Thomas et al., 2014]. В результате этого возникает 22-летняя вариация интенсивности КЛ, так называемый цикл Хейла [Hale, Nicholson, 1925]. В работе [Charakhch’yan et al., 1973] такое различие между циклами связывается с переполюсовкой общего магитного поля Солнца. В работах [Levi, 1976; Jokipii et al., 1977; Jokipii, Thomas, 1981] это явление объяснялось магнитным дрейфом КЛ, а затем были проведены многочисленные расчеты модуляции с учетом большого числа параметров.
Современные модели модуляции галактических КЛ в гелиосфере дают правильное и достаточно детальное описание процессов, учитывающее изменение всех перечисленных параметров в разном сочетании. В качестве примера можно упомянуть работы [Kota, Jokipii, 1983; Potgieter et al., 2001; Manuel et al., 2011; Manuel et al., 2014] и содержащиеся там ссылки на литературу. Теория, рассматриваемая в этих и других работах, опирается на понятие диффузии КЛ и их конвекции, а также на представление о СВ и магнитном дрейфе.
1. Belov A.V., Shelting B.D., Gushina R.T., Obridko V.N., Kharshiladze A.F., Yanke V.G. Global magnetic field of the Sun and long-term vatiations of galactic cosmic rays. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001, vol. 63, pp. 1923-1929. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(01)00073-6.
2. Belov A.V., Gushina R.T., Obridko V.N., Shelting B.D., Yanke V.G. Connection of the long-term modulation of cosmic rays with the parameters of the global magnetic field of the Sun. Geomagn. Aeron. 2002, vol. 42, pp. 693-700.
3. Belov A.V., Gushina R.T., Obridko V.N., Shelting B.D., Yanke V.G. The relation of the global magnetic solar field indices and the solar wind characteristics with the long-term variations of galactic cosmic rays. Proceeding of the 29th ICRC. Pune. 2005, vol. 2, pp. 235-238.
4. Belov A.V., Gushina R.T., Obridko V.N., Shel’ting B.D., Yanke V.G. Simulation of the modulation of galactic cosmic rays during solar activity cycles 21-23. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2007, vol. 71, pp. 974-976. DOI:https://doi.org/10.3103/S1062873807070246.
5. Bisoi S.K., Janardhan P., Ingale M., Subramanian P., Ananthakrishnan S., Tokumaru M., Fujiki K. A study of density modulation index in the inner helioshperic solar wind during solar cycle 23. Astrophys. J. 2014, vol. 795, pp. 69-76. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/795/1/69.
6. Bravo S., Stewart G. The inclination of the heliomagnetic equator and the presence of an inclined relic field in the Sun. Astrophys. J. 1995, vol. 446, pp. 431-434. DOI 10.1086/ 175801.
7. Charakhch’yan A.N., Stozhkov Y.I., Svirzhevsky N.S., Charakhch’yan T.N. Anomalous effect in the 11-year galactic cosmic ray modulation. Proceeding of the 13th ICRC. Denver. 1973, vol. 2, pp. 1159-1164.
8. Ferreira S.E.S., Potgieter M.S. Long-term cosmic-ray modulation in the heliosphere. Astrophys. J. 2004, vol. 603, pp. 744-752. DOI:https://doi.org/10.1086/381649.
9. Gerasimova S.K., Gololobov P.Yu., Grigoryev V.G., Krivoshapkin P.A., Krymsky G.F., Starodubtsev S.A. Heliospheric modulation of cosmic rays in the 23rd solar cycle and in previuos cycles. Proceeding of the 32nd ICRC. Beijing. 2011, vol. 11, pp.180-183.
10. Gerasimova S.K., Krymsky G.F., Krivoshapkin P.A., Gololobov P.Y., Starodubtsev S.A. A modified basic model of the heliospheric modulation of cosmic rays. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2015, vol. 79, pp. 613-615. DOI: 10.3103/ S1062873815050214.
11. Gushchina R.T., Belov A.V., Obridko V.N., Shelting B.D. Manifestations of cyclic variations in the solar magnetic field in long-term modulation of cosmic ray. Geomagn. Aeron. 2008, vol. 48, pp. 571-577. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793208050022.
12. Gushchina R.T., Belov A.V., Eroshenko E.A., Obridko V.N., Paouris E., Shelting B.D. Cosmic ray modulation during the solar activity growth phase of cycle 24. Geomag. Aeron. 2014, vol. 54, pp. 430-436. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793214040057.
13. Hale G.E., Nicholson S.B.: The law of sun-spot polarity. Astrophys. J. 1925, vol. 62, pp. 270-300.
14. Jokipii J.R., Levy E.H. Electric field effects on galactic cosmic rays at the heliosphere boundary. Proc. 16th Internat. Cosmic Ray Conf. Kyoto. 1979, vol. 3, pp. 52-56.
15. Jokipii J.R., Kota J. Galactic and anomalous cosmic rays in the heliosphere. Invited, rapporteur and highlight papers, 25th ICRC. Durban. 1997, vol. 8, pp. 151-174.
16. Jokipii J.R., Thomas B. Effects of drift on the transport of cosmic rays. IV. Modulation by a wavy interplanetary current sheet. Astrophys. J. 1981, vol. 243, pp. 1115-1122. DOI:https://doi.org/10.1086/158675.
17. Jokipii J.R., Levy E.H., Hubbard W.B. Effects of particle drift on cosmic-ray transport. I. General properties, application to solar modulation. Astrophys. J. 1977, vol. 213, pp. 861-868. DOI:https://doi.org/10.1086/155218.
18. Kota J., Jokipii J.R. Effects of drift on the transport of cosmic rays. VI. A three dimensional model including diffusion. Astrophys. J. 1983, vol. 265, pp. 573-581. DOI:https://doi.org/10.1086/160701.
19. Krajnev M.B. The solar corona expansion geometry and cosmic ray effects. IV. On the cosmic ray energy change due to the electric field. Proc. 16th Internat. Cosmic Ray Conf. Kyoto. 1979, vol. 3, pp. 236-241.
20. Krainev M.B., Kalinin M.S. Arguments in support of influence of external electric field of heliosphere on galactic cosmic rays. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2003, vol. 67, pp. 1439-1442.
21. Krainev M.B., Bazilevskaya G.A., Gerasimova S.K., Krivoshapkin P.A., Krymsky G.F., Starodubtsev S.A., Stozhkov Y.I., Svirzhevsky N.S. On the status of the sunspot and magnetic cycles in the galactic cosmic ray intensity. J. Phys.: Conf. Ser. 2013, vol. 409, 012016. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/409/1/012016.
22. Krymsky G.F. Diffusion mechanism of diurnal variation of galactic cosmic rays. Geomagn. Aeron. 1964, vol. 4, pp. 763-769.
23. Krymsky G.F., Krivoshapkin P.A.: 2002, Cosmic rays in the past. Geomagn. Aeron. 2002, vol. 42, pp. 305-308.
24. Krymsky G.F., Krivoshapkin P.A., Mamrukova V.P., Gerasimova S.K. Heliospheric modulation of high-energy cosmic ray. I. Basic model of cosmic-ray modulation with solar cycle. J. Exp. Theor. Phys. 2007, vol. 104, pp. 189-195. DOI:https://doi.org/10.1134/S1063776107020033.
25. Krymsky G.F., Krivoshapkin P.A., Mamrukova V.P., Gerasimova S.K. Piston shock and Forbush effect. Astronomy Letters. 2009, vol. 35, pp. 696-700. DOI: 10.1134/ S1063773709100065.
26. Krymsky, G.F. Gololobov, P.Y. Krivoshapkin P.A., Gerasimova S.K., Grigoryev V.G., Starodubtsev, S.A. Variation of the cosmic ray intensity in an 11-yr solar activity cycle: Experiment and theory. JETP Lett. 2013, vol. 98, pp. 769-772. DOI:https://doi.org/10.1134/S0021364013250139.
27. Kurt V.G., Mironova E.N. Methods of local interstellar medium investigation. Phys. Usp. 2013, vol. 56, pp. 910-918. DOI:https://doi.org/10.3367/UFNe.0183.201309e.0963.
28. Laurenza M., Vecchio A., Storini M., Carbone V. Drift effects on the galactic cosmic ray modulation. Astrophys. J. 2014, vol. 781, pp. 71-82. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/781/2/71.
29. Levy E.H. Theory of solar magnetic cycle wave in diurnal-variation of energetic cosmic rays: Physical basis of anisotropy. J. Geophys. Res. 1976, vol. 81, pp. 2082-2088. DOI:https://doi.org/10.1029/JA081i013p02082.
30. Lockwood M. Solar change and climate: an update in the light of the current exceptional solar minimum. Proc. R. Soc.: A. 2010, vol. 466, pp. 303-329. DOI:https://doi.org/10.1098/rspa.2009.0519.
31. Lockwood J.A., Webber W.R. The 11-year solar modulation of cosmic rays as deduced from neutron monitor variations and direct measurements at low energies. J. Geophys. Res. 1967, vol. 72, pp. 5977-5989. DOI: 10.1029/ JZ072i023p05977.
32. Manuel R., Ferreira S.E.S., Potgieter M.S.Time-dependent modulation of cosmic rays in the heliosphere. Solar Phys. 2014, vol. 289, pp. 2207-2231. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-013-0445-y.
33. Manuel R., Ferreira S.E.S., Potgieter M.S., Strauss R.D., Engelbrecht N.E. Time-dependent cosmic rays modulation. Adv. Space Res. 2011, vol. 47, pp. 1529-1537. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2010.12.007.
34. Moraal H. Cosmic-ray modulation equations. Space Sci. Rev. 2013, vol. 176, pp. 299-319. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-011-9819-3.
35. Pacini A.A., Usoskin I.G. An unusial pattern of cosmic-ray modulation during solar cycles 23 and 24. Solar Phys. 2015, vol. 290, pp. 943-950. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-014-0645-0.
36. Parker E.N. The passage of energetic charged particles through interplanetary space. Planet. Space Sci. 1965, vol. 13, pp. 9-49. DOIhttps://doi.org/10.1016/0032-0633(65)90131-5.
37. Potgieter M.S., Burger R.A., Ferreira S.E.S. Modulation of cosmic rays in the heliosphere from solar minimum to maximum: a theoretical perspective. Space Sci. Rev. 2001, vol. 97, pp. 295-307. DOI:https://doi.org/10.1023/A:1011837303094.
38. Starodubtsev S.A., Grigoryev V.G. Cosmic rays and solar wind turbulence: peculiarities of the 23rd solar cycle. Geomagn. Aeron. 2011, vol. 51, pp. 1004-1009. DOI: 10.1134/ S001679321107022X.
39. Stozhkov Y.I., Svirzhevsky N.S., Bazilevskaya G.A., Kvashnin A.N., Makhmutov V.S., Svirzhevskaya A.K. Long-term (50 years) measurements of cosmic ray fluxes in the atmosphere. Adv. Space Res. 2009, vol. 44, pp. 1124-1137. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2008.10.038.
40. Thomas S.R., Owens M.J., Lockwood M. The 22-year Hale cycle in cosmic ray flux: evidence for direct heliospheric modulation. Solar Phys. 2014, vol. 289, pp. 407-421. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-013-0341-5.
41. Wibberenz G., Cane H.V., Richardson I.G., von Rosenvinge T.T. The influence of tilt angle and magnetic field variations on cosmic ray modulation. Space Sci. Rev. 2001, vol. 97, pp. 343-347. DOI:https://doi.org/10.1023/A:1011849605820.
42. Zhao L.-L., Qin G., Zhang M., Heber B. Modulation of galactic cosmic rays during the unusual solar minimum between cycles 23 and 24. J. Geophys. Res. 2014, vol. 119, pp. 1493-1506. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JA019550.
