Диссертация (1145308), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Достаточно часто Форбуш-эффекты могут наблюдаться и при отсутствиисильных геомагнитных возмущений. В работе [Белов и др., 2001] показано, что Форбушпонижения с небольшой амплитудой (≤ 1% в нейтронной компоненте) могут наблюдаться наспокойном или слабовозмущенном геомагнитном фоне (максимальное значение геомагнитногоКр-индекса Крmax ≤ 3). Во время малых геомагнитных бурь (Крmax =5) амплитуда Форбушпонижения в среднем составляет ~1.5%.
Наиболее мощные Форбуш-понижения с амплитудой5% и выше наблюдаются во время больших магнитных бурь (Крmax ≥ 8). В работах [Белов идр., 2001, Belov et al., 2001] приводят также редкий случай большого Форбуш-понижения (8% внейтронной компоненте), начавшегося 25 августа 1988 г. и не сопровождавшегося магнитнойбурей, хотя геомагнитная активность несколько возрастала (Крmax = 4).Таким образом, во время магнитной бури практически всегда наблюдается Форбушэффект, однако не все Форбуш-эффекты сопровождаются магнитными бурями. Какгеомагнитные возмущения, так и Форбуш-понижения потока КЛ связаны с возмущениямисолнечноговетра.ОднакоамплитудаФорбуш-эффектазависитотнапряженностимежпланетного магнитного поля (ММП) в возмущенном солнечном ветре [Белов и др., 2001,Belov et al., 2001] и практически не зависит от знака вертикальной (Вz) компоненты ММП,тогда как для развития магнитной бури ключевое значение имеет наличие отрицательной(направленной к югу) Bz-компоненты.
Согласно результатам, полученным Беловым исоавторами [Белов и др., 2001, Belov et al., 2001], амплитуда Форбуш-понижения хорошокоррелирует с произведением максимальных для данного возмущения значений напряженностиММП и скорости солнечного ветра ( H max и Vmax , соответственно). Зависимость амплитудыФорбуш-понижений ГКЛ от произведения H max ⋅ Vmax , где H max и Vmax нормированы насоответствующие величины, характерные для невозмущенных условий (5 нТ и 400 км⋅с-1),показана на рис.3.2 согласно данным [Belov et al., 2001].Приведенные выше данные показывают, что определение Форбуш-эффекта какпонижения интенсивности ГКЛ во время магнитных бурь является устаревшим.
Несмотря нато, что Форбуш-понижения были открыты еще в 1937 г. [Forbush, 1937] и с тех пор регулярноисследуются, нет общепринятого точного определения этого события. По всей видимости,147Рис.3.2. Зависимость амплитуды Форбуш-эффекта от произведения максимальных для данноговозмущения значений напряженности межпланетного магнитного поля Hmax и скоростисолнечного ветра Vmax (из работы [Belov et al., 2001]).наиболее полное определение Форбуш-эффекта дается в работах Белова и соавторов [Белов иИванов, 1997; Белов и др., 2001]. Согласно указанным авторам, Форбуш-эффект представляетсобой“вариациифоновыхкосмическихлучей,обусловленныекрупномасштабнымираспространяющимися возмущениями солнечного ветра”, где под вариациями космическихлучей понимаются изменения плотности и анизотропии.Возмущения солнечного ветра разделяют на два основных типа: спорадические ирекуррентные [Пудовкин, 1996, Хвиюзова, 2000].
К спорадическим относят возмущения,связанные с нестационарными спорадическими явлениями на Солнце и в первую очередь ссолнечными вспышками. Солнечная вспышка представляет собой сложный комплексфизических процессов, охватывающий все слои солнечной атмосферы от фотосферы до короныи сопровождающийся значительным энерговыделением (1032−1033 эрг) за достаточно короткоевремя. В оптическом диапазоне вспышка видна как резкое увеличение яркости хромосферы вкрасной линии водорода Hα, наблюдается усиление рентгеновского и ультрафиолетовогоизлучения, а также излучения в радиодиапазоне. С солнечными вспышками связывают выбросыкорональной массы (ВКМ, или CME – Coronal Mass Ejection) [Пудовкин, 1996].
Выбросыкорональной массы приводят к наиболее сильным возмущениям солнечного ветра и,соответственно, к Форбуш-понижениям с бóльшей амплитудой.Другим источником спорадических возмущений солнечного ветра могут быть внезапныеисчезновенияволокон.Волокнопредставляетсобойпроекциюнасолнечныйдискпротуберанца (имеющей форму арки области в солнечной короне с повышенной плотностью ипониженной температурой), наблюдаемую как темные вытянутые структуры в солнечной148хромосфере в линии водорода Hα.
Исчезновение волокна связано с эрупцией протуберанца(выбросом коронального вещества). Согласно данным [Белов и Иванов, 1997], исчезновенияволокон менее эффективно воздействуют на межпланетную среду в связи с низкой скоростьюих распространения и меньшими размерами, что приводит к Форбуш-эффектам с меньшейамплитудой. С исчезновением солнечных волокон связана большая часть Форбуш-эффектов,имеющих амплитуду ниже 2.5%, тогда как более сильные Форбуш-эффекты (с амплитудой>3%) связаны со корональными выбросами (ВКМ).Рекуррентные возмущения солнечного ветра представляют собой высокоскоростныепотоки плазмы от корональных дыр, а также гелиосферный токовый слой с корональнымистримерами.
Корональные дыры являются обширными униполярными областями с открытойконфигурацией магнитного поля. Разомкнутые силовые линии магнитного поля способствуютистеканию корональной плазмы, что приводит к понижению температуры и плотности вобласти корональной дыры. В рентгеновском и крайнем ультрафиолетовом диапазонекорональные дыры видны как области пониженной интенсивности излучения. Корональныедыры являются достаточно долгоживущими образованиями, их время жизни зависит от фазысолнечной активности и оставляет 1−2 оборота Солнца вблизи максимума 11-летнегосолнечного цикла и от 3 до 20 оборотов на фазе спада [Пудовин, 1996; Хвиюзова, 2000].Активность корональных дыр возрастает на фазе спада солнечной активности [Stamper et al.,1998].Тем не менее, следует отметить, что в чистом виде рекуррентные и спорадическиевозмущения солнечного ветра встречаются довольно редко.
Согласно данным Иванова [Иванов,1996] только 15% межпланетных возмущений можно отнести к одному источнику. Какправило, возмущения, наблюдаемые в солнечном ветре, имеют смешанное происхождение. Всвязи с этим на практике Форбуш-эффекты сложно подразделять на чисто спорадические илирекуррентные.Форбуш-эффекты обусловлены взаимодействием космических лучей с ударнымиволнами, которые формируются в межпланетном пространстве, когда высокоскоростной потоксолнечного ветра, обусловленный указанными выше процессами на Солнце, догоняетнизкоскоростной поток. Область сжатого магнитного поля действует как отражатель дляраспространяющихся космических лучей, что вызывает уменьшение их потока, когда Земляоказывается за фронтом ударной волны.
Помимо ударной волны, на потоки частиц в«классическом» Форбуш-понижении действует и само межпланетное облако, образованноевыбросом корональной массы, что вызывает двухступенчатое понижение интенсивности КЛ(см. рис.3.1). Схематическое изображение ВКМ и связанной с ним ударной волны показано нарис.3.3 согласно [Cane, 2000].149Рис.3.3. Схема выброса корональной массы и связанных с ним ударной волны и вариацийгалактических космических лучей согласно [Cane, 2000].
Показаны возможные путипрохождения Земли через область возмущенного солнечного ветра (линии А и В) исоответствующие профили вариаций ГКЛ. Прохождение ударной волны обозначеновертикальной линией с маркировкой S, начало и конец прохождения ВКМ обозначеноштриховыми линиями T1 и T2.Как видно из рис.3.3, в зависимости от прохождения Земли через область возмущения,характер вариаций КЛ, фиксируемый наземным нейтронным монитором, может заметноразличаться. Если Земля движется по пути А, наблюдается двухступенчатое понижениеинтенсивности КЛ, обусловленное сначала прохождением через фронт ударной волны (S), азатем через сам корональный выброс (Т1-Т2). Если Земля проходит через ударную волну, но непересекает корональный выброс (путь В), то на профиле интенсивности виден только эффектударной волны (S).
Перед началом Форбуш-понижения (до прохождения ударной волны) такжеможет наблюдаться небольшое (~1%) возрастание потока частиц, отражающихся от фронтаударной волны. Понижение интенсивности КЛ может быть достаточно резким (для события 31марта 1989 года, приведенном на рис.3.1, уменьшение скорости счета нейтронного мониторасоставляет 15% за несколько часов). После достижения минимума начинается фаза150восстановления, характеризуемая экспоненциальным увеличением потока КЛ, длящимся от 3до 10 дней.В результате эффекта Форбуша поток галактических космических лучей, наблюдаемый вмежпланетном пространстве в связи с возмущениями солнечного ветра, может значительноуменьшаться (на 50%).
По данным аэростатных наблюдений, проводимых ФИАН [Bazilevskayaet al., 2000], в стратосфере Земли на высотах 25–30 км уменьшение потока КЛ может достигать~30% в полярных широтах (ст. Мурманск, жесткость геомагнитного обрезания Rc=0.6 ГВ) и~20% в средних (ст. Долгопрудный, Rc= 2.4 ГВ). Поскольку космические лучи с энергиямиболее 500 МэВ участвуют в ядерных взаимодействиях, образуя потоки вторичных частиц,наиболее проникающие из которых – нейтроны и мюоны – достигают поверхности Земли,Форбуш-понижениямогутрегистрироватьсяназемныминейтроннымимониторамиимюонными телескопами. Диапазоны энергий первичных частиц, к которым чувствительныуказанные детекторы, существенно различаются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
