Анцыз Е.Н., Янчуковский В.Л.
Федеральный исследовательский
центр «Единая геофизическая служба Российской академии наук»
РЕЗУЛЬТАТЫ МОНИТОРИНГА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПЕРИОД СПОРАДИЧЕСКИХ
ВОЗМУЩЕНИЙ В ИЮНЕ 2015 ГОДА
Аннотация
Рассматриваются физические процессы в околоземном
космическом пространстве, магнитосфере и атмосфере в период спорадических
явлений на Солнце в июне 2015 года. Сделана оценка параметров спектра первичных
вариаций космических лучей за границей земной магнитосферы, изменений жесткости
геомагнитного обрезания в период геомагнитной бури, изменений плотности и
среднемассовой температуры атмосферы. Найдены параметры магнитосферных токовых
систем в период возмущений для модели тока, распределенного на сфере.
Ключевые слова: солнечный ветер, космические лучи, модуляция, магнитосфера, атмосфера.
I. Введение
Космическая погода
представляет собой состояние околоземного
космического пространства в зависимости от различных проявлений солнечной активности. В рамках космической
погоды рассматриваются основные физические процессы и явления на Солнце, в
солнечном ветре, космических лучах (галактических и солнечных), магнитосфере и
атмосфере Земли, которые могут повлиять на работу и надежность бортовых и
наземных технологических систем и угрожать здоровью и жизни людей [7, с. 17].
Большое значение в этом аспекте имеют исследования вариаций космических лучей
(КЛ) галактического и солнечного происхождения, так как они реагируют на
процессы в космическом пространстве, в магнитосфере и атмосфере Земли. Эта реакция
обусловлена взаимодействием КЛ с магнитными полями и веществом, наполняющим
пространство. Указанные процессы взаимодействия приводят к изменениям
интенсивности, энергетического спектра, ядерного состава и пространственного
распределения КЛ. Данная статья входит в цикл работ, посвященных анализу
физических процессов в период спорадических явлений на Солнце по данным
мониторинга космических лучей с помощью многоканального комплекса в
Новосибирске [5, с. 107]. Ниже рассматриваются процессы в период возмущений,
наблюдавшихся в июне 2015 года.
II. Используемые данные
Для анализа были
привлечены данные непрерывной регистрации КЛ на уровне моря (Новосибирск) [11]:
– интегральной интенсивности
нуклонной компоненты (нейтронный монитор 24NM-64 [8, p. 2443]);
– интенсивности нуклонной компоненты
в различных энергетических интервалах (спектрограф на локальной генерации
нейтронов [9, p. 176]);
– интенсивности общей ионизующей компоненты (матричный мюонный
телескоп [6, с. 41]);
– интенсивности мюонной компоненты
под различными углами к зениту с восьми азимутальных направлений (матричный мюонный телескоп [6, с. 43]).
Использовались также данные
измерений атмосферного давления (БРС–1М1), относительной влажности и
температуры (ДВТ–03Т).
III. Метод
Спектрографический метод
анализа данных многоканального наблюдательного комплекса КЛ заключается в
составлении и решении системы уравнений, описывающих вариации интенсивности
космических лучей в различных областях энергий [10, p. 894]. Вариации интенсивности,
регистрируемой каналом 
установки в пункте 
на уровне 
атмосферы, связаны с
первичным спектром КЛ 
, жесткостью геомагнитного обрезания 
, температурой 
атмосферы и
атмосферным давлением 
, выражением в виде [1, с. 128]
, (1)
где 
– функция
энергетической чувствительности канала 
или коэффициент связи
согласно определению [2, с. 360]; 
– барометрический
коэффициент канала 
; 
– функция плотности
температурных коэффициентов, отражающая вклад слоев атмосферы в создании
интегрального температурного эффекта интенсивности; 
– временные вариации
температуры атмосферы в зависимости от высоты. Наблюдаемые вариации
интенсивности КЛ в каналах обусловлены:
– изменениями спектра первичного
потока галактических КЛ – модуляция потока за счет процессов на Солнце и в
межпланетной среде (первый член в выражении (1)),
– изменениями порога геомагнитного обрезания
– магнитосферная составляющая вариации (второй член в выражении (1)),
– изменениями плотности атмосферы
(третий член в выражении (1)),
– изменениями температурного режима
атмосферы (четвертый член в выражении (1)). Так как измерения в каналах наблюдательного
комплекса неравноточные, то для перехода к системе равновесных уравнений шаг и
кратность сглаживания выбирались на основании распределения статистических
весов каналов измерений. Полученная система
приводится к системе линейных уравнений [1, с. 129] и решается методом
наименьших квадратов с использованием метода регуляризации по Тихонову [4, с.
405] относительно неизвестных 
, 
, 
, 
.
IV. Результаты и их обсуждение
Выполненный анализ данных наземных
наблюдений КЛ в период спорадических возмущений позволил разделить наблюдаемые
вариации интенсивности КЛ на составляющие различной природы и оценить параметры
спектра первичных вариаций КЛ за границей земной магнитосферы 
, изменения жесткости геомагнитного обрезания 
, изменения плотности 
и среднемассовой
температуры атмосферы 
. Полученные результаты представлены на рис. 1.
Рис. 1. Спорадические возмущения в июне 2015 года.
Здесь (рис. 1а) показаны
вариации интенсивности вторичного космического излучения в атмосфере в период
возмущения: нуклонной компоненты (кривая 1), мезонной компоненты (кривая 2) и
общей ионизующей компоненты (кривая 3). Во всех компонентах излучения
наблюдается резкое Форбуш–понижение, которое для нуклонной компоненты достигает
11% (на широте Новосибирска). На рис. 1б приведены изменения плотности 
, а на рис. 1в – среднемассовой температуры 
атмосферы, полученные
по данным КЛ и сопоставленные с данными аэрологического зондирования [12].
Обнаружены значительные изменения жесткости геомагнитного обрезания 
(рис. 1г). На рис. 1д
для сопоставления изображена 
– вариация геомагнитного
поля [13]. Наблюдаемые в этот период магнитные бури характеризуются величиной Dst–индекса в –121 нТл 22 июня в 20 UT, в –204 нТл 23 июня в 4 UT и –50 нТл 25 июня в 7 UT (рис. 1д). Вариации интенсивности
первичного потока галактических КЛ 
за границей земной
атмосферы и магнитосферы, полученные в результате анализа, представлены на рис.
1е для частиц с различной жесткостью от 3 до 50 ГВ (цифры у кривых). Вариации
интенсивности в первичных КЛ в период возмущения наблюдаются до 50 ГВ. В области
малых энергий изменения интенсивности составили около 40%. Приход основного
вспышечного потока отмечается в 19 UT 22 июня. Резкое увеличение скорости
(рис. 1и) и плотности (рис. 1к) солнечного ветра в высокоскоростных вспышечных
потоках [14] приводит к образованию ударной волны, фронтом которой происходит
«выметание» галактических КЛ из окрестности Земли. Это приводит к Форбуш–понижению
интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ) для частиц с жесткостью
вплоть до 50 ГВ (рис. 1е).
В рамках модели
симметрично ограниченной магнитосферы [3, с. 307], используя соотношения,
полученные в [1, с. 132], сделана оценка магнитосферных токовых систем в период
возмущений, исходя из найденных изменений жесткости геомагнитного обрезания КЛ 
и 
–индекса геомагнитной активности. Полученные результаты
представлены на рис. 2.
Рис. 2. Параметры магнитосферных токовых систем в период возмущений в
июне 2015 года.
Магнитосферные возмущения,
наблюдавшиеся в июне 2015 года, наиболее сильными были 22 – 24 июня, когда
магнитный момент кольцевого тока 
достигал величины 0,5
(
– магнитный момент земного диполя) (рис. 2, кривая 
). Радиус кольцевого тока 
претерпевал изменения
от 2,6 до 10
(
– земной радиус) (рис. 2, кривая 
), а величина кольцевого тока 
достигала 1.07.107
А (рис. 2, кривая 
). В нижней части рис. 2 приведен 
– индекс геомагнитной активности для Новосибирска [15].
Магнитосферные возмущения вызвали изменения жесткости геомагнитного обрезания
КЛ, которые по результатам оценок для Rc = 3 ГВ (Новосибирск) составили 1,5
ГВ (рис. 1г). Магнитосферные возмущения приводят к изменениям траекторий
движения заряженных частиц. Значительное уменьшение жесткости геомагнитного
обрезания в период возмущения равносильно перемещению пункта наблюдения на
более высокие широты. В ночь с 22 на 23 июня 2015 года наблюдалось довольно
редкое явление – полярное сияние на средних широтах [16]. Снимок полярного
сияния в Новосибирской области, сделанный Яковлевым Алексеем на трассе
«Новосибирск – Омск» [16], приведен на рис. 3.
Рис. 3. Полярное сияние в
Новосибирской области в ночь с 22 на 23 июня 2015 года.
Ответственными за эти
возмущения были рентгеновские вспышки и выбросы корональной массы (рис. 4),
наблюдавшиеся на Солнце с 18 по 22 июня 2015 года в активных областях 2371 и
2367 [17].
Рис. 4. Фото NASA вспышки на Солнце 18 июня 2015 года, переходящей в выброс вещества из
солнечной короны и названной «плевком Сатаны».
V. Выводы
Мониторинг космических
лучей с помощью многоканального наблюдательного комплекса в Новосибирске и
спектрографический анализ получаемых данных позволил по наземным наблюдениям:
– проводить оценку вариаций
первичного потока КЛ различных энергий за пределами земной атмосферы и
магнитосферы;
– находить изменения жесткости
геомагнитного обрезания;
– определять вариации плотности и
среднемассовой температуры атмосферы;
– измерять вариации интенсивности
различных компонент вторичного космического излучения в атмосфере в период
спорадических геоэффективных явлений на Солнце;
– осуществлять оценку магнитосферных
токовых систем в период возмущений.
Обнаружены значительные изменения 
. Уменьшение жесткости геомагнитного обрезания для частиц на
широте Новосибирска достигало порой величины 1,5 ГВ. Такие магнитосферные
возмущения и явились причиной наблюдаемых полярных сияний на средних широтах.
Литература
1. Анцыз Е. Н, Результаты
спектрографического анализа вариаций космических лучей в период спорадических возмущений / Е.Н.
Анцыз, В.Л. Янчуковский // Современный научный вестник: Серия: технические
науки, физика. – 2014. – №18(214). – С. 125–133.
2. Дорман Л.И. Экспериментальные и
теоретические основы астрофизики космических лучей. / Л.И. Дориан. – М.: Наука.
– 1975. – 462 с.
3. Дорман Л.И., Смирнов В.С., Тясто
М.И. Космические лучи в магнитном поле Земли / Л.И. Дорман, В.С. Смирнов, М.И.
Тясто. – М.: Наука. – 1971. – 400 с.
4. Калиткин Н.Н. Численные методы. /
Н.Н. Калиткин. – М.: Наука. – 1978. – 512 с.
5. Янчуковский В.Л. Многоканальный
наблюдательный комплекс космических лучей./ В.Л. Янчуковский // Солнечно-земная
физика. Новосибирск: Издательство СО РАН. 2010, Вып. 16. С. 107 – 109.
6. Янчуковский В.Л. Телескоп космических лучей.//
Солнечно-земная физика. – Новосибирск: Издательство СО РАН. – 2006. – Вып. 9. –
С. 41 – 43.
7.
National Space Weather Program. Strategic Plan. Office of Federal Coordinator
for Meteorological Services and Supporting Research FCM-P30-1995. – Washington
DC. – 1995. – 19 P.
8.
Hatton C.J. and Carmichael H. Experimental investigation of the nm–64 Newtron
Monitor. / C.J. Hatton, H. Carmichael // Can. J. of Phys. – 1964. – V. 42. – P. 2443 – 2472.
9.
Yanchukovsky V. L., Philimonov G. J. Cosmic Ray Variation Spectrograph Based on
the Effect of Local Generation of Neutrons. / V.L. Yanchukovsky, G.J.
Philimonov // Solar – System Research. – 2000. – V.34. – №2. – P. 176 – 177.
10.
Yanchukovsky V.L., Kuz’menko V.S. and Antsyz
E.N. Results of Cosmic Ray Monitoring
with a Multichannel Complex. / V. L. Yanchukovsky, V. S. Kuz’menko and E. N.
Antsyz // Geomagnetism and
Aeronomy, – 2011, – Vol. 51, – No. 7, – P. 893–896.
11. www.cosm-rays.ru
12. http://www.esrl.noaa.gov/raobs/
13. http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/index.html
14. ftp://space.mit.edu/pub/plasma/wind/kp_files_hr_aves/2015_WIND_hourly_averages
15. http://www.tesis.lebedev.ru/magnetic_storms.html
16. http://planetarium-moscow.ru/about/news/detail.php?ID=5956
17. http://sdo.gsfc.nasa.gov/gallery/main/item/634,
http://sdo.gsfc.nasa.gov/assets/gallery/preview/CME304_June.jpg