Диссертация (1145308), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Нейтронные мониторы чувствительны книзкоэнергичной компоненте космических лучей, т.е. первичным частицам с энергиями от ~500МэВ до нескольких десятков ГэВ. Для мюонных телескопов нижний энергетический порогпервичных частиц значительно выше (10 ГэВ), при этом верхний предел энергий можетсоставлять несколько сотен ГэВ.
Поскольку космические лучи с низкими энергиями в бóльшейстепени модулируются явлениями солнечной активности, нейтронные мониторы являютсяодним из основных приборов для исследования вариаций космических лучей в диапазонеэнергий от 500 МэВ до десятков ГэВ, в частности Форбуш-понижений ГКЛ. АмплитудаФорбуш-понижений в нейтронной компоненте может составлять от 0.1% до ~25%. На рис.3.4приведено распределение по амплитуде Форбуш-понижений ГКЛ из базы данных ИЗМИРАН за1957-2014 гг.
[Belov, 2009]. В базе данных ИЗМИРАН представлены вариации плотности ианизотропии потока ГКЛ, полученные методом глобальной съемки по данным мировой сетинейтронных мониторов для частиц с жесткостью R = 10 ГВ [Belov et al., 1974, 1979], а такжехарактеристики межпланетной среды и геомагнитные данные. Видно, что Форбуш-пониженияобычно имеют амплитуду в диапазоне от ~0.3% до 5%, при этом максимум распределенияприходится на события с амплитудой ~1%.
Это свидетельствует о том, что наиболее частойпричиной указанных вариаций ГКЛ является рассеяние на мелкомасштабных неоднородностяхММП. События с амплитудой более 15% достаточно редки (11 событий за указанный период).Пример вариаций потока КЛ в нижней атмосфере и скорости счета наземногонейтронного монитора во время Форбуш-эффекта, начавшегося 31 марта 1980 года, приведенна рис.3.5. На верхней панели представлены вариации потока космических частиц (отклоненияот среднего значения в марте-апреле 1980 года) на высокоширотной станции Мурманск(географические координаты 68°N, 33°E, геомагнитная широта 64°, жесткость геомагнитного151700600Число событий5004003002001000012345678910 11Амплитуда Форбуш-понижения, %12131415Рис.3.4.
Распределение по амплитуде Форбуш-понижений ГКЛ за 1957-2014 гг. по даннымИЗМИРАН [Belov, 2009].обрезания Rс=0.6 ГВ). Данные по потокам космических лучей в ходе указанного событияполучены для диапазонов высот от 4.3−6.3 км до >16 км при помощи аэростатных наблюдений,проводимых ФИАН им. П.Н. Лебедева [Bazilevskaya et al., 2008] и предоставлены БазилевскойГ.А. На нижней панели показаны соответствующие изменения скорости счета δN (в процентахот среднего значения за март-апрель 1980 г.) нейтронного монитора на высокоширотнойстанции Апатиты (географические координаты 67°N, 33°E, геомагнитная широта ~63°).Согласно данным аэростатных наблюдений, среднее значение потока КЛ в марте-апреле1980 г. составляло ~2.6 см-2с-1 на высотах более 16 км.
На более низких уровнях наблюдалисьпотоки ~2.1 см-2с-1 (13−16 км) и ~1.57 см-2с-1 (11.3−13 км). С уменьшением высоты значенияпотоков уменьшались до 0.86 см-2с-1 (8.4−11.3 км) и 0.19 см-2с-1 (4.3−6.3 км). Как видно изрис.3.5а, в диапазонах высот h=13−16 км и h > 16 км имело место наибольшее понижениепотока частиц, которое составляло ~10−13% (~0.2-0.25 см-2с-1) от среднего уровня.
Суменьшением высоты Форбуш-эффект ослабевал и полностью исчезал на высотах 4.3−6.3 км.По данным нейтронного монитора на станции Апатиты (рис.3.5б) амплитуда данного Форбушпонижения ГКЛ составила примерно 6%.Для галактических космических лучей соотношение между скоростью ионизации q ипотоком частиц J в атмосфере зависит от высоты H и, может быть аппроксимировано какq / J = A ⋅ exp(− B ⋅ H ) ,(3.1)152где H выражено в километрах, а усредненные по 11-летнему циклу и широте коэффициенты Aи B составляют A =122.6 см-1, B =0.152 км-1 [Bazilevskaya et al., 2008].
Согласно оценкам поформуле (3.1), скорость ионизации на высотах 13−16 км в ходе события 31 марта 1980 годауменьшилась на ~2.5−3.1 см-3с-1 (на ~10% относительно среднего уровня).0.2а)∆FCR, см-2с-10.10-0.1>16 км13-16 км11.3-13 км4.3-6.3 км-0.2-0.341020Март30101020Март3010Апрель20302030б)2∆NM, %0-2-4-6-8АпрельРис.3.5. а) Вариации потока заряженных частиц на разных уровнях нижней атмосферы в ходеФорбуш-понижения, начавшегося 31.03.1980, по данным аэростатных наблюдений на ст.Мурманск [Bazilevskaya et al., 2008]; б) вариации среднесуточных значений скорости счетанейтронного монитора ∆NM на ст. Апатиты в марте-апреле 1980 г.
Все данные сглажены потрем суткам.Данные на рис.3.5. показывают, что Форбуш-понижение потока КЛ наблюдается главнымобразом в стратосфере, при этом наибольшие изменения имеют место на высотах более 13 км,что согласуется с высотной зависимостью вариаций потока КЛ в солнечном цикле (рис.1.8).Следует отметить, что согласно данным Базилевской и др. [Bazilevskaya et al., 2008], измененияскорости счета нейтронного монитора на высоко- и среднеширотных станциях хорошо153коррелируют с вариациями потока частиц на высотах 10−30 км (коэффициент корреляции дляэтих высот близок к 1 и резко уменьшается с понижением высоты).
Это позволяет заключить,что данные нейтронного монитора наилучшим образом характеризуют изменения потокачастиц именно на высотах стратосферы.Рассмотрим изменение числа Форбуш-понижений в 11-летнем цикле солнечнойактивности. На рис.3.6 приведен временной ход частоты наблюдения N FD (число событий вгод) Форбуш-понижений с различными амплитудами (0.1−1.9%, 1−1.9% и ≥ 2% в нейтроннойкомпоненте), построенный на основе базы данных межпланетных возмущений и ФорбушэффектовИЗМИРАН[Belov,2009].ЧастотаФорбуш-пониженийсопоставленасосреднегодовыми значениями относительного числа солнечных пятен Rz (чисел Вольфа).140200а)ФП 0.1-0.9%120100120806080Числа ВольфаЧисло событий1604040200195019601970198019902000б)20102020200ФП ≥ 2%ФП 1-1.9%801606012040802040001950196019701980 1990Годы20002010Числа ВольфаЧисло событий1002020Рис.3.6.
Частота (число событий в год) Форбуш-понижений с амплитудой 0.1−0.9% (а), 1−1.9%и ≥2% (б) в зависимости от фазы 11-летнего цикла. Тонкие синие линии показываютсреднегодовые значения чисел Вольфа, толстые фиолетовые и красные линии – число Форбушпонижений в год. Графики построены на основе базы данных ИЗМИРАН [Belov, 2009].154Как видно из рис.3.6, временной ход частоты повторяемости сильных Форбушпонижений (с амплитудой 2% и выше) довольно хорошо коррелирует с изменениями чиселВольфа. Коэффициент корреляции между указанными величинами R( N FD , R z ) на временноминтервале 1957-2014 гг. составляет 0.87.
Высокий коэффициент корреляции обусловлен тем,что более сильные Форбуш-эффекты наблюдаются, как правило, в связи со спорадическимиявлениями в солнечном ветре (выбросами корональной массы), частота которых увеличиваетсяв максимуме солнечной активности.
Частота Форбуш-понижений с амплитудой ≥ 2% варьируетот 0−5 событий в год в минимуме солнечной активности до 30−50 событий в год в максимуме.Для Форбуш-понижений с амплитудой 1−1.9% зависимость от солнечной активности выраженаслабее (число событий в год составляет ~30−40 в минимуме солнечного цикла и ~50−60 вмаксимуме, коэффициент корреляции R( N FD , R z ) равен 0.56). Достаточно большое числотаких событий в минимуме солнечной активности обусловлено рекуррентными потокамисолнечного ветра. Для самых слабых Форбуш-понижений (амплитуда 0.1−0.9%) четковыраженной связи с фазой солнечного цикла не наблюдается, однако можно отметитьтенденцию к увеличению их частоты в годы минимума солнечной активности.Интересно отметить, что во многих циклах частота Форбуш-эффектов ГКЛ с амплитудой≥ 2% имеет два пика в годы максимума солнечной активности (рис.3.6б), что, по всейвидимости, связано с так называемым “провалом Гневышева”.
Аналогичная структура былаобнаружена в работе [Belov, 2009] для более сильных Форбуш-понижений с амплитудой >3% и>5%. Провал Гневышева представляет собой некоторое понижение солнечной активностивблизи максимума, что приводит к появлению двух пиков во временном ходе различныхсолнечных характеристик [Gnevyshev, 1977]. Соответствующие изменения наблюдается и вовременном ходе солнечно-геофизических параметров, в частности в характеристикахмежпланетной плазы, геомагнитной активности, годовых числах солнечных протонныхсобытий с энергиями частиц >10 МэВ и т.д.
[Storini et al., 2003]. Наличие двух максимумовчастоты сильных Форбуш-понижений вероятно обусловлено вариациями повторяемостивысокоскоростных потоков солнечного ветра вблизи Земли, обнаруживающими два максимумав годы высокой солнечной активности [Mavromichalaki and Vassilaki, 1998].Также можно отметить, что коэффициент корреляции частоты сильных Форбушпонижений с геомагнитными Ар-индексами оказывается ниже ( R( N FD , A p ) =0.64), чем счислами Вольфа ( R( N FD , R z ) =0.87), что отчетливо видно на рис.3.7.
Действительно, какуказывалось выше, Форбуш-эффект необязательно сопровождается сильными магнитнымибурями, поскольку для развития бури важную роль играет направление вертикальной (Вz)155компоненты напряженности ММП, тогда как для Форбуш-эффекта важны максимальныезначения напряженности ММП и скорости солнечного ветра.Число событий6060а)40402020б)R= 0,870R= 0,64004080120Числа Вольфа160200510152025Ap, нТРис.3.7.
Зависимость частоты Форбуш-понижений с амплитудой ≥ 2% (число событий в год) отсреднегодовых значений чисел Вольфа (а) и геомагнитного Ар-индекса (б).Таким образом, сильные эффекты Форбуша наблюдаются наиболее часто в годымаксимумов солнечной активности и обусловлены, как правило, возмущениями солнечноговетра, вызванных выбросами корональной массы. Более слабые Форбуш-понижения ГКЛ чащеобусловлены внезапными исчезновениями волокон, а также рекуррентными потоками откорональных дыр.3.2. Эффекты Форбуш-понижений ГКЛ в вариациях давления атмосферы северного июжного полушарий3.2.1. Результаты предыдущих исследований эффектов геомагнитных возмущений иФорбуш-понижений ГКЛ в состоянии нижней атмосферыКак показали более ранние исследования, в ходе геомагнитных возмущений исопровождающихихФорбуш-пониженийГКЛнаблюдаютсяизмененияразличныххарактеристик атмосферы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
