сотрудник
Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
Якутск, Россия
Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
Якутск, Республика Саха (Якутия), Россия
Якутск, Россия
Излагается разработанная в ИКФИА СО РАН базовая модель модуляции космических лучей в гелиосфере. Модель имеет только один свободный параметр модуляции — отношение регулярного магнитного поля к турбулентному — и может применяться для описания вариаций интенсивности космических лучей в широкой области энергий от 100 МэВ до 100 ГэВ. Рассмотрены возможные механизмы генерации турбулентного поля. Первоначальное предположение об электрической нейтральности гелиосферы оказалось неверным, а требуемый для согласования модели с наблюдениями нулевой потенциал в плоскости солнечного экватора может быть обеспечен, если лобовая точка обтекаемой межзвездным газом гелиосферы лежит вблизи указанной плоскости. Установлено, что аномальное возрастание интенсивности космических лучей в конце 23-го цикла солнечной активности связано с остаточной модуляцией, производимой дозвуковым солнечным ветром за фронтом стоячей ударной волны. Модель применяется для описания особенностей поведения интенсивности космических лучей в нескольких циклах солнечной активности.
космические лучи, гелиосфера, модуляция, солнечная активность
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. Белов. А.В., Гущина Р.Т., Обридко В.Н., Шелтинг Б.Д., Янке В.Г. Связь долговременной модуляции космических лучей с характеристиками глобального магнитного поля Солнца // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42, № 6. С. 727-735.
2. Белов А.В., Гущина Р.Т., Обридко В.Н., Шелтинг Б.Д., Янке В.Г. Моделирование модуляции космических лучей в 21-23 циклах солнечной активности // Изв. РАН. Серия физ. 2007. Т. 71, № 7. С. 1006-1008.
3. Герасимова С.К., Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А., Гололобов П.Ю., Стародубцев С.А. Модификация базовой модели гелиосферной модуляции космических лучей // Изв. РАН. Серия физ. 2008. Т. 79, № 5. С. 667-669. DOI:https://doi.org/10.7868/S0367676515050221.
4. Гущина Р.Т., Белов А.В., Обридко В.Н., Шелтинг Б.Д. Проявления циклических вариаций магнитного поля Солнца в долговременной модуляции // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 5. С. 571-577.
5. Гущина Р.Т., Белов А.В., Ерошенка Е.А., Обридко В.Н., Паорис Е., Шелтинг Б.Д. Модуляция космических лучей на фазе роста солнечной активности 24-го цикла // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 4. С. 470-476. DOI:https://doi.org/10.7868/S0016794014040063.
6. Крайнев М.Б., Калинин М.С. Аргументы в пользу влияния внешнего электрического поля гелиосферы на галактические космические лучи // Изв. РАН. серия физ. 2003. Т. 67, №10. С. 1439-1442.
7. Крымский Г.Ф. Диффузионный механизм суточной вариации галактических космических лучей // Геомагнетизм и аэрономия. 1964. Т. 4, № 6. С. 977-986.
8. Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А. Космические лучи в прошлом // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42, № 3. С. 321-324.
9. Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А., Мамрукова В.П., Герасимова С.К. Гелиосферная модуляция космических лучей высоких энергий. I. Базовая модель модуляции космических лучей с циклом солнечной активности // ЖЭТФ. 2007. Т. 131, № 2. С. 214-221.
10. Крымский Г.Ф., Кривошапкин П.А., Мамрукова В.П., Герасимова С.К. Поршневая ударная волна и эффект Форбуша // Письма в Астрономический журнал. 2009. Т. 35, № 10. С. 772-776.
11. Крымский Г.Ф., Гололобов П.Ю., Кривошапкин П.А., Герасимова С.К., Григорьев В.Г., Стародубцев С.А. Вариации интенсивности космических лучей в 11-летнем цикле солнечной активности: эксперимент и теория // Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98, № 12. С. 867-870. DOI: 10.7868/ S0370274X13240016.
12. Курт В.Г., Миронова Е.Н. Методы исследования локальной межзвездной среды // УФН. 2013. Т. 183, № 9. С. 963-672. DOI:https://doi.org/10.3367/UFNr.0183.201309e.0963.
13. 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. V. 63. P. 1923-1929. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(01)00073-6.
14. 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. V. 2. P. 235-238.
15. 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. V. 795, P. 69-76. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/795/1/69.
16. Bravo S., Stewart G. The inclination of the heliomagnetic equator and the presence of an inclined relic field in the Sun // Astrophys. J. 1995. V. 446. P. 431-434. DOIhttps://doi.org/10.1086/175801.
17. 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. V. 2. P. 1159-1164.
18. Ferreira S.E.S., Potgieter M.S. Long-term cosmic-ray modulation in the heliosphere // Astrophys. J. 2004. V. 603. P. 744-752. DOI:https://doi.org/10.1086/381649.
19. 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. V. 11. P. 180-183.
20. Hale G.E., Nicholson S.B.: The law of sun-spot polarity // Astrophys. J. 1925. V. 62. P. 270-300.
21. 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. V. 3, P. 52-56.
22. Jokipii J.R., Kota J. Galactic and anomalous cosmic rays in the heliosphere // Invited, rapporteur and highlight papers, 25th ICRC. Durban. 1997. V. 8. P. 151-174.
23. 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. V. 243. P. 1115-1122. DOI:https://doi.org/10.1086/158675.
24. 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. V. 213. P. 861-868. DOI:https://doi.org/10.1086/155218.
25. Kota J., Jokipii J.R. Effects of drift on the transport of cosmic rays. VI. A three dimensional model including diffusion // Astrophys. J. 1983. V. 265. P. 573-581. DOI:https://doi.org/10.1086/160701.
26. 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. V. 3. P. 236-241.
27. 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. V. 409. 012016. DOI:https://doi.org/10.1088/1742-6596/409/1/012016.
28. Laurenza M., Vecchio A., Storini M., Carbone V. Drift effects on the galactic cosmic ray modulation // Astrophys. J. 2014. V. 781. P. 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. V. 81. P. 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, V. 466. P. 303-329. DOI: 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. V. 72. P. 5977-5989. DOI:https://doi.org/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. V. 289. P. 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. V. 47. P. 1529-1537. DOI: 10.1016/ j.asr.2010.12.007.
34. Moraal H. Cosmic-ray modulation equations // Space Sci. Rev. 2013. V. 176. P. 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. V. 290. P. 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. V. 13. P. 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. V. 97. P. 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. V. 51. P. 1004-1009. DOI:https://doi.org/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. V. 44. P. 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. V. 289. P. 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. V. 97. P. 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. V. 119. P. 1493-1506. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JA019550.
