The galactic cosmic ray intensity fluctuations during perturbations of the solar wind in early November 2021

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Один из возможных методов прогноза космической погоды состоит в использовании явления флуктуаций интенсивности галактических космических лучей (КЛ), наблюдаемых во время крупномасштабных возмущений солнечного ветра (СВ). Флуктуации КЛ – это короткопериодные вариации интенсивности КЛ с характерным периодом Т < 3 ч, которые возникают эпизодически во время возмущений космической погоды. Их первые систематические исследования начались в Якутске в начале 1970-х [1] и уже через несколько лет был поставлен вопрос о возможности прогноза крупномасштабных возмущений СВ по измерениям флуктуаций КЛ с помощью нейтронных мониторов [2] и о их природе. В 1974 г. в работе [3] рассматривался вопрос о модуляции малой, анизотропной части КЛ альфвеновскими волнами, в которой была установлена теоретическая связь между наблюдаемыми спектрами флуктуаций КЛ и межпланетного магнитного поля (ММП). Однако, в последующем выяснилось, что установленное в [2] соотношение справедливо только для флуктуаций КЛ и ММП с периодами T > 3 ч. И только, почти через 15 лет, в работе [4] рассматривался вопрос о модуляции значительно большей по величине изотропной части функции распределения КЛ быстрыми магнитозвуковыми волнами. В результате в ней была установлена магнитозвуковая природа флуктуаций галактических КЛ и получено выражение для связи между спектрами флуктуаций КЛ и ММП:

$\frac{P_{КЛ}\left(v\right)}{j_0^2}={\left[\frac{\left(\gamma +2\right)C_a\left(C_W+V\sin \phi \right)}{3\pi \sqrt{2}kv}\right]}^2\times \frac{P_B\left(v\right)}{B_0^2}~\left({10}^{-2}÷1\right)\frac{P_B\left(v\right)}{B_0^2}$,

где P_КЛ(v) и P_B(v) – спектры мощности флуктуаций КЛ и модуля ММП, v – частота, j₀ – средняя интенсивность КЛ, B₀ – значение среднего ММП, γ = 2.7– показатель энергетического спектра КЛ, C_a – альфвеновская скорость, C_W – скорость МГД-волны, V – скорость солнечного ветра, φ – азимутальный угол ММП, k – поперечный коэффициент диффузии КЛ. При этом авторы пришли к выводу, что поскольку быстрые магнитозвуковые волны имеют большой декремент затухания, то они должны быть генерированы локально вблизи окрестности Земли, например, потоками солнечных или штормовых частиц сверхтепловых энергий характеризующиеся значительными градиентами и нарастающей величиной потоков [5–8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В этой работе мы использовали 5-минутные, поправленные на вариации давления, данные регистрации нейтронных мониторов в Якутске (24-NM-64) и Бухте Тикси (18-NM-64) [9], данные прямых наблюдений параметров межпланетной среды на космических аппаратах (КА) ACE и WIND [10, 11], а также 1-часовые данные о Dst-индексе геомагнитной активности [12].

Исходя из установленной в работе [4] природы флуктуаций галактических КЛ, можно построить физическую картину их возникновения в окрестности фронтов межпланетных ударных волн (МУВ), с приходом которых на орбиту Земли часто наблюдается геомагнитные бури и понижения Форбуша. Поскольку МУВ движутся со сверхзвуковой скоростью, то перед их фронтами часто наблюдаются потоки штормовых частиц с энергией ~1 МэВ, которые характеризуются значительными градиентами и интенсивностью. Эти КЛ могут генерировать как альфвеновские, так и быстрые магнитозвуковые МГД-волны [4–7]. Последние, в свою очередь, способны модулировать поток галактических КЛ высоких энергий (более 1 ГэВ), приводя к возникновению их флуктуаций. В силу больших пробегов эти КЛ достигают орбиты Земли на 1–2 сут. раньше, чем сама МУВ, что и регистрируется наземными детекторами как предвестник геофизических проявлений космической погоды.

В 19:54 UT 3 ноября 2021 г. находящемся вблизи точки либрации L1 КА WIND была зарегистрирована МУВ (рис. 1а-1в). Она вызвала на Земле форбуш-понижение (рис. 1г) и умеренную геомагнитную бурю (рис. 1д). На рис. 1г наличие флуктуаций интенсивности КЛ перед форбуш-понижением и геомагнитной бурей не очевидно, т.к. они имеют малую амплитуду и их просто не видно на уровне фона. Поэтому для их выделения нужно применять методы спектрального анализа. Для их выявления мы выбирали реализацию исходных данных длиной в 1 сут., чтобы станции, имеющие разные приемные конусы, могли полностью «обозреть» доступную им часть небесной сферы. Далее, после приведения данных к квазистационарному виду с помощью цифровой фильтрации, мы использовали стандартный метод Блэкмена–Тьюки с использованием корреляционного окна Тьюки [13]. Таким образом, мы рассчитывали их автоспектры, кросс-спектры, а также коэффициенты когерентности с числом степеней свободы DoF ≈ 27. Подобным же образом рассчитывались и спектральные характеристики данных измерений параметров солнечного ветра на КА WIND.

 

Рис. 1. Скорость (а) и плотность (б) СВ, модуль ММП (в), амплитуда вариаций интенсивности КЛ, по данным станций Бухта Тикси (сплошная кривая) и Якутск (пунктир) (г), Dst-индекс геомагнитной активности (д), а также потоки протонов в 8 дифференциальных энергетических каналах, по данным эксперимента EPAM на КА АСЕ (е), зарегистрированные 1‒4 ноября 2021 г. Пунктиром отмечен приход МУВ. Из амплитуды вариаций интенсивности КЛ на станции Якутск вычтено 5% от среднего фона за невозмущенный период времени 1 ноября 2021 г. Показана легенда для потоков протонов, измеренных на КА АСЕ

 

Для примера, на рис. 2а показаны кросс-спектры флуктуаций интенсивности галактических КЛ за разные интервалы времени. Из него видно, что примерно за 4 часа перед началом геофизических эффектов в кросс-спектрах мощности на частоте 4·10^–4 Гц явно выделяются флуктуации галактических КЛ с периодом Т = 42 мин, которых не было ранее. Нужно заметить, что спектры флуктуаций КЛ испытывают закономерные и весьма значительные изменения в зависимости от уровня солнечной активности [14]. Поэтому имеет смысл анализировать коэффициенты когерентности, значения которых по определению изменяются в пределах от 0 до 1. Это иллюстрирует рис. 2б, на котором еще более явственно выявляются флуктуации КЛ на той же частоте. Согласно выводам ряда теоретических работ [5–7], частицы низких энергий могут генерировать в плазме СВ различные типы МГД-волн. Из рис. 1е видно, что перед фронтом МУВ пришедшей на орбиту Земли в конце 3 ноября 2021 г. потоки штормовых частиц действительно наблюдались. Тогда можно ожидать, что эти волны должны проявиться в спектрах мощности модуля ММП. А поскольку известно, что для разных типов МГД-волн характерна корреляция между собой определенных параметров среды, то не составляет большого труда определить вклад каждого их 3-х типов МГД-волн в наблюдаемый спектр флуктуаций ММП. Проведенные нами расчеты показывают, что на частоте 4 · 10^–4 Гц наблюдается высокая когерентность (больше 80%) между модулем ММП B и плотностью плазмы n, что является прямым указанием на существование в это время в СВ быстрых магнитозвуковых волн. Применение приведенного выше соотношения к наблюдаемым спектрам флуктуаций интенсивности галактических КЛ и модуля ММП, с учетом того, что соответствующая частоте 4·10^–4 Гц мощность модуля ММП составляет значение ≈ 6 нТл²/Гц, показывает, что возникновение наблюдаемых флуктуаций галактических КЛ обусловлено наличием в это время в межпланетной среде именно быстрых магнитозвуковых волн и их модулирующем воздействии на изотропную часть функции распределения КЛ. Это приводит нас к выводу о правильности описанной выше картины возникновения флуктуаций КЛ.

 

Рис. 2. Кросс-спектры флуктуаций КЛ, определенные по данным станций Якутск и Бухта Тикси (а), коэффициенты когерентности флуктуаций КЛ (б) и коэффициенты когерентности между величиной модуля ММП и плотностью плазмы СВ (в). Пунктир соответствует времени за более чем 1 сут до прихода МУВ (с 1 ноября 10:41 UT по 2 ноября 10:40 UT), сплошные линии – интервалу времени 2 ноября 15:31 UT ‒ 3 ноября 15:31 UT перед приходом МУВ на КА WIND3 ноября 19:54 UT

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что непосредственно перед приходом межпланетной ударной волны 3 ноября 2021 г. на орбиту Земли на инерционном участке спектров турбулентности солнечного ветра в области частот ~10^–4 – 1.67 · 10^–3 Гц наблюдались быстрые магнитозвуковые волны значительной амплитуды, которые привели к возникновению флуктуаций галактических КЛ. Эти волны были генерированы потоками штормовых частиц сверхтепловых энергий (E_р ~ 1 МэВ) перед ударным фронтом. Полученные результаты указывают на возможность разработки и реализации в режиме реального времени на основе наземных измерений интенсивности КЛ метода прогноза значительных геофизических проявлений космической погоды.

В работе использованы данные измерений станций КЛ Бухта Тикси и Якутск, входящих в состав уникальной научной установки «Российская национальная наземная сеть станций космических лучей». Авторы благодарят команды АСЕ и WIND за предоставление данных прямых измерений параметров межпланетной среды в открытом доступе. Работа выполнены при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-22-20045).

作者简介

A. Zverev

Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: ZverevAS@ikfia.ysn.ru
俄罗斯联邦, Yakutsk

V. Grigoryev

Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: ZverevAS@ikfia.ysn.ru
俄罗斯联邦, Yakutsk

P. Gololobov

Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: ZverevAS@ikfia.ysn.ru
俄罗斯联邦, Yakutsk

S. Starodubtsev

Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: ZverevAS@ikfia.ysn.ru
俄罗斯联邦, Yakutsk

参考

补充文件