Динамика интенсивности космических лучей в окрестности околоземной и межпланетных ударных волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ИНСТИТУТ КОСМОФНЗИЧЕСКНХ ИССЛЕДОВАНИЙ и АЭРОНОМИИ им 10 Г Шафера СО РАН

На правах рукопис

□03060 130

ПЕТУХОВ Иван Станиславович

ДИНАМИКА ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ОКРЕСТНОСТИ ОКОЛОЗЕМНОЙ И МЕЖПЛАНЕТНЫХ

УДАРНЫХ ВОЛН

(01 04 10 — '"Физика атомного ядра н олеметарных частиц")

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 МАЙ 2007

Якутск - 2007 г

003060130

Работа выполнена п Пнстптлте космофизических исследований и аэрономии им Ю Г Шафера Сибирского отделения Российской Академии На\к

Научный руководитель — доктор физико-мателгат ическпх наук

академик РАН Г Ф Крымский

Официальные оппоненты — доктор физико-математических на\к,

профессор Г А Базилевская

— доктор физико-математических наук, А А Иванов

Ведущая организация

— Пнотшут солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской Академии Наук

Ь А*. < X

Защита диссертации состоится 2007 г на за-

седании диссертационного совета К 003 023 01 при ИКФИА им Ю Г Шафера СО РАН по адресу 077891, г Як\тск, пр Ленина 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКФИА им Ю Г Шафера СО Р\П

Автореферат разослан ^ ^ ^ С-Л.Л. 2007 г

И о Ученого секретаря Диссертационного совета К 003 023 01

/ ,

к ф-м и , МП Правдин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Исследования процессов лскорення и распространения космических лучей представляет интерес, главным образом, по дву м причинам Во-первых, свойства ускоренных частиц несут сведения о явлениях, протекающих в среде, и величинах параметров области их ускорения и распространения Во-вторых, ускоренные частицы часто сами являются активным компонентом, существенно влияющим на динамические процессы плазмы

Исследование процессов ускорения необходимо как для понимания фундаментальных свойств космической плазмы, для воссоздания целостной картины разнообразных явлении в природе, так и дчя решения многих прикладных проблем

Особый интерес представляет исследование процессов ускорения и распространения, протекающих в межпланетном пространстве, поскольку в этом случае имеется возможность сопоставления результатов расчетов и прямых или косвенных измерений, что позволяет проводить детальную проверку адекватности различных гипотез и на этой основе делать обоснованные предсказания о характере аналошчных процессов в удаленных астрофизических обьектах

Цель работы

Целью диссертации является изучение ускорения энергичных ионов дрейфовым механизмом ударными волнами с кривизной

Конкретно, целями диссертации являются

1) Исследование ускорения энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны

2) Изучение динамики интенсивности частиц в присутствии плоской движущейся ударной волны

3) Разработка метода траекторий релятивистских частиц как средство описания свойств предвестников крупномасштабных возмущений солнечного ветра

Научные результаты и новизна работы

Впервые посредством чис пенного моделирования определено влияние формы фрозиа околоземной головной ударной волны на спектр энергичных ионов, ускоренных дрейфовым механизмом Пол\чены свидетельства

существенной зависимости амплитуды спектра отраженных ионов от т^ р-булентности магнитного поля в области за ударным фронтом

Впервые получены результаты аналитических расчетов динамики интенсивности частиц 15 'присутствии плоской движущейся ударной волны в случае коэффициентов диффузии, зависящих от энергии Результаты применены для интерпретации динамики интенсивности солнечных космических лучей постепенных событий

Разработан метод траекторий релятивистских частиц в применении к описанию свойств предвестников возмущения солнечного ветра в космических лучах На основе модельных расчетов впервые дана оценка регистрации предвестников определены свойства предвозрастаний интенсивности, определена интенсивность космических лучей от времени, регистрируемая наземным детектором в идеалнзованном событии Достоверность научных результатов

Достоверность результатов обусловлена использованием адекватных физических моделей, применимость которых ограничена четко сформулированными критериями Использованием общепринятых, апробированных численных методов расчета с определением их точности Там где это возможно полученные результаты сопоставлены с результатами других авторов

Практическая и научная ценность работы*

Разработанные модели будут использоваться для выяснения вклада различных процессов в ускорение энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны

Результаты расчетов динамики интенсивности частиц в присутствии бегущей ударной волны будут использоваться для анализа динамики солнечных космических лучей постепенных событий

Метод траекторий релятивистских частиц будет использоваться при идентификации возмущений и для прогноза появления возмущений солнечного ветра в задачах космической погоды Личный вклад автора

Автор внес значительный вкчад в разработкл моделей ускорения ионов на фронте околоземной юловной ударной волны и отладку численных программ расчетов

При его ечастии были проведены численные расчеты аналитической модели динамики интенсивности заряженных частиц в присутствии бегущей плоской \дарной волны с коэффициентами диффузии зависящими от энергии, а так же выполнено сопоставление результатов расчетов с данными измерении конкретных событий

Является соавтором метода траекторий релятивистских частиц и его применения к анализу свойств предвестников возмещений солнечною ветра

Вклад автора в разработку численных моделей, проведение расчетов и представлении результатов на конференциях и симпозиумах является преобладающим

Апробация работы

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались На 27-й (Hamburg, 2001), 28-й (Tsukuba, 2003) и 29-й (Pune, 2005) между народных конференциях по космическим лучам, На симпозиуме "Solar and Galactic Composition SOHO-ACE Workshop" (Bern, 2001), Ha Committee oil Space Research Scientific Assembly (COSPAR Sofia, 2002, Beijing, 2006), На Всероссийской конференции "Проблемы физики космических лучей и солнечно-земных связей" (Якутск, 2002) На Международной Байкальской школе по фундаментальной физике (Иркутск 2002, 2005) На ISCS Symposium "Solar Variability as an Input to the Eaith's Environment" (Tatranska Lommca, 2003) На 28-ой и 29-ой Всероссийских конференциях по космическим лучам (Москва, 2004 и 200G) На конференции памяти Ю II Гальперина 'Confeience m Memoiy of Yuii Galpenn" (Москва, 2004) На Всеросс ийской конференции ' Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности" (Москва, 2005) На научных семинарах в ИКФИА (2000-2007), ПС-ЗФ(2005), ФИАН(2005), а также опубликованы в рецензируемых журналах и трудах Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах Структура работы

Диссертация сосюпт из введения, трех глав и заключения Содержит 38 рисунков Список литературы включает 141 наименование Объем диссертации составляет 145 страниц

Автор выносит на защиту

1 Результаты моделирования дрейфа энергичных ионов на фронте околоземной ударной волны, выявившие существенное влияние формы фронта на спектр ускоренных частиц Вывод о зависимости амплитуды спектра отраженных ионов от у ровня турбулентности магнитного поля в области за ударным фронтом

2 Результаты расчетов временной динамики интенсивности частиц в присутствии плоской движущейся ударной волны в рамках диффузионного уравнения переноса с коэффициентами диффузии, зависящими от энергии и времени, выявившие 3 варианта поведения интенсивности частиц в пространстве

3 Разработку метода траекторий релятивистских частиц для описания свойств предвестников возмущений солнечного ветра в космических лучах и выводы, полученные на его основе оценку вероятности регистрации предвестников определение свойств предповышенип интенсивности, расчет интенсивности космических лучей во времени, регистрируемой наземным детектором, в идеализированном событии

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели и задачи диссертации, обоснована актуальность работы и ее новизна, а также достоверность полученных результатов, приведены положения, выносимые на защиту

Глава 1 посвящена исследованию ускорения энергичных ионов при дрейфе на ударном фронте в рамках модели тестовых частиц В результате дрейфа ионы, попадающие на фронт, в зависимости от энергии, питч-угла и фазы либо выходят в область натекающего потока плазмы, образуя спектр отраженных частиц, либо сносятся в область за ударным фронтом Минимальная энергия в спектре отраженных ионов определяется кинематическим условием убегания частиц в область натекающего потока V > 1/п/ соьО, где и — скорость частиц, £/„ — проекция скорости течения плазмы на нормаль к ударному фронту, 0 — угол между направлением магнитного поля и нормалью к фронту

Амплитуда спектра отраженных частиц определяется длиной дрейфового пути, пропорционального приращению энергии, и количеством от-

раженных частиц Имеется пространственная зависимость спектра отраженных частиц, которая опредетяется наличием взаимодействия частиц с фронтом Взаимодействие для каждой частицы прекращается в том случае, когда она отойдет от ударного фронта на расстояние порядка лармо-ровского радиуса

Время установления стационарного спектра отраженных частиц определяется двумя факторами 1) временем дрейфа частиц вдоль фронта, которое составляет величину порядка нескольких гиропериодов, 2) временем движения частицы в пространстве от фронта до точки регистрации

Особенности установления спектра отраженных ионов в присутствии магнитных структур определяются распределением параметров течения плазмы в окрестности фронта в области размером порядка длины дрейфового пути Скорость установления спектра частиц обусловлена темпом возвращения частиц к ударному фронту

Установлено, что турбулентность межпланетного магнитного поля (ММП) может приводить к изменению минимальной энергии в спектре отраженных частиц и практически не влияет на амплитуду спектра Это объясняется преобладанием низкочастотных альвеновских волн в инерционном интервале частот спектра мощности ММП, что может приводить к изменению угла между направлением машитного поля и нормалью к ударному фронту и слабому рассеянию частиц при дрейфе на фронте

Посредством расчета множества траекторий частиц выявлено существенное влияние формы фронта околоземной ударной волны на интенсивность отраженных попов, ускоренных дрейфовым механизмом

На рис 1 представчены результаты расчета спектра протонов для 3-х точек в плоскости XOY GSE системы координат области перед ударным фронтом, обозначенных ira вставке рис цифрами 1, 2, 3, при типичных параметрах солнечного ветра на орбите Зсм чн в спокойных условиях На рис штрихованными линиями, обозначенными соответствующими цифрами и б\квой "п", воспроизведены также формы спектра протонов, рассчитанные в модели плоского фронта При этом ориентации нормали к плоскому фронту относительно векторов скорости и магнитного попя потока заданы такими же, как ориентированы нормали к участкам фронта с кривизной, соединенные с выбранными точками пространс гва ситовыми линиями маг-

1 10 100 Энергия, кэВ

Рис 1 Интенсивность протонов для 3-х точек в плоскости ХОУ СЭЕ системы координат области перед ударным фронтом в зависимости от энергии

нитного поля На вставке рис 1 для точки обозначенной цифрой 1 приведена касательная плоскость, которая принимается в качестве плоского фронта, и нормали к ней Как видно из рис наиболее существенно различаются спектры обозначенные цифрами 1, 1п и 3, Зп Незначительная амплитуда спектра обозначенного меткой Зп, полу чающаяся в модели плоского фронта, обустовлена параллельностью векторов нормали и магнитного поля, при которой, как известно, дрейф протонов практически отс\тствует Для спектров — 1, 1п соотношение противоположное, здесь незначительной получается амплитуда спектра, рассчитанная в модели ударною фронта с кривизной

Кривизна ударною фронта приводит в среднем к уменьшению длины дрейфового пути и лвеличению количества отраженных частиц От соотношения этих изменении амплитуда интенсивности отраженных попов

Энергия, кэВ

Рис 2 Интенсивности протонов в зависимости от энергии с учетом турбулентности магнитного почя в области за ударным фронтом Сплошная кривая — интенсивность протонов в об части перед \дарным фронтом Штрихованная кривая — спектр отраженных частиц с > четом турбулентности магнитного поля в об части за ударным фронтом Кружками изображена интенсивность протонов в КОВ в период времени, предшествующий ускорению, квадраты — спектр отраженных протонов

может превышать или примерно соответствовать амплитуде интенсивности ионов, ускоренных на плоском фронте, соответствующим образом ориентированным Амплитуда спектра ионов ускоренных на фланге ударного фронта, там где формируется спектр с максимальной энергией, всегда меньше амплптлды спектра частиц, ускоренных на плоском фроше, поскольку в этом случае заметная доля фоновых частиц проходят мимо фронта и не учавствуют в дрейфе

Установлено, что амплитуда спектра отраженных ионов определяется турбулентностью магнитного поля в области за ударным фронтом, которая

обеспечивает возвращение частиц к фронту и повторение цикла ускорения Амплитуда спектра зависит от расстояния между ударным фронтом и умницей области с турбулентностью При увеличении расстояния амплитуда спектра уменьшается до величины, соответствующей ускорению частиц в отсутствие турбулентности

Максимальная амплитуда интенсивности получается в том случае, когда область с турбулентностью располагается непосредственно за ударным фронтом В этом случае дрейф частиц на фронте прекращается Ускорение частиц производит регулярное электрическое поле в натекающем на фронт потоке п лазмы

На рис 2 приведено сопоставление модельных расчетов с измерениями частиц в событии 06 12 1991 [1] Ионы в коротирующей области взаимодействия разноскоростных потоков солнечного ветра (КОВ) подверглись ускорению после того, как Земля попала в КОВ Авторы работы для объяснения измерений использовали модель ускорения частиц дрейфовым механизмом на плоском фронте [1], которая однако здесь не применима Сплошная кривая на рис 2 — интенсивность протонов в области перед ударным фронтом, которую до энергии 200 кэВ составляют фоновые протоны, а при больших энергиях — отраженные частицы с учетом кривизны фронта Штрихованная кривая — спектр отраженных частиц с у четом турбулентности магнитного поля в области за ударным фронтом, определенный посредством экстраполяции расчета для плоского фронта На рис приведены результаты измерений кружками изображена интенсивность протонов в КОВ в период времени, предшествующий ускорению, квадраты — спектр отраженных протонов В целом можно отметить общее согласие

Глава 2 посвящена исследованию распространения быстрых частиц в присутствии движущегося ударного фронта и сопоставлению результатов расчета с измерениями интенсивности солнечных космических лучей (СКЛ) в межпланетном пространстве, которые позволяют сделать следующее заключение

Область генерации СКЛ, в основном, ограничена короной Солнца Изменение эффективности ускорения СКЛ отражает пространственную зависимость интенсивности ударных волн и уровня фоновой альвеновской турбулентности — главных факторов механизма регулярною ускорения,

которые максимальны в окрестности Солнца и уменьшаются при удалении от него Характер последующего распространения СКЛ в межпланетном пространстве определяется, главным образом, величиной коэффициента пространственной диффузии частиц в области перед фронтом В рез>ль-тате действия механизма регулярного ускорения изменяется форма энер1е-тического спектра СКЛ малых энергий - формируются участки жесткого и мягкого спектра Максимум интенсивности СКЛ малых энергий совпадает с ударным фронтом

СКЛ больших энергий слабо взаимодействуют с ударным фронтом их форма спектра не изменяется и момент наступления максимума интенсивности в межпланетном пространстве значительно опережает момент прихода ударного фронта

В событиях, сопровождающихся значительным ростом спектра мощности ММП, в интенсивности СКЛ больших энергий возможно проявление обоих вариантов временной динамики первый максимум интенсивности приходится на начало события, второй максимум - на приход ударного фронта

Динамика интенсивности частиц, рассчитанная в рамках диффузнойного приближения, с коэффициентами диффузии, вычисленными в соответствии с квазилинейной теорией для измеренного спектра мощности ММП, качественно соответствует наблюдаемой интенсивности СКЛ Данные измерений плотности спектра мощности ММП в течение события в реальном времени могут быть использованы в качестве прогноза возрастаний интенсивности высокоэнергичных СКЛ вплоть до момента прихода ударного фронта

Глава 3 посвящена методу траекторий релятивистских частиц Большие геомагнитные бури вызванные возмущениями солнечного ветра, сопровождаются предвестниками Но данным нейтронных мониторов 79% бурь имеют предвестники [2], а по мюопным телескопам 89% [3]

Для исследования формирования предвестников крупномасштабных возмущений солнечного ветра в КЛ и возможности их регистрации наземными детекторами требуется кинетический метод описания Это объясняется тем, что длина свободного пробега КЛ с энергией больше 10 ГэВ па орбите Земли порядка астрономической единицы В этом случае боль-

©е> гад

Рис 3 Распределение КЛ на поверхности магнитосферы Земли Сплошная кривая в виде эллипса — суточная траектория центра конуса приема наземного детектора К[>\ ж-камп обозначена площадь конуса приема

шая анизотропия функции распределения КЛ, возникающая при взаимодействии с возмущением, сохраняется при их распространении до орбиты Земли Метод траекторий релятивистских частиц основанный на расчете множества траекторий в заданных электромагнитных полях является адекватным способом описания этих процессов

Для К Л с энергией 10 ГэВ, приходящих на поверхность магнитосферы Земли из разных направлении, определены конфигурации областей, которые они занимают при невозмущенных лсловиях Следует отметить роль нейтральной поверхности ММП, в присутствии которой конфигурация области радикально изменяется

Конфигурация области КЛ может быль использована для оценки ве-

роятности регистрации предвестников возмущений солнечного ветра, поскольку необходимым условием регистрации предвестников является пересечение возмущением области КЛ В целом можно отметить, что в присутствии нейтральной поверхности ММП область значительно расширяется, тем самым повышая вероятность появления предвестников возмущения За исключением периода времени, в котором Земля и нейтральная поверхность ММП располагаются в плоскости солнечного экватора при отрицательном цикле дииольного магнитного момента Солнца

В присутствии межпланетной ударной волны на поверхности магнитосферы Земли появляются КЛ, отраженные от ударного фронта и пришедшие из области возмущения КЛ, отраженные от ударного фронта, формируют предповышение интенсивности галактических КЛ поскольку их энергия при отражении увеличивается и соответственно увеличивается амплитуда их интенсивности КЛ, пришедшие из области возмущения, формируют предпонижение интенсивности КЛ, поскольку они пришли из области пониженной интенсивности — области Форбуш-понижения

Определено распределение КЛ разных типов на поверхности магнитосферы и его динамика, обусловленная приближением ударной волны В начале события приходят КЛ с малыми питч-углами Это объясняется тем, что КЛ, имеющие малые питч-утлы на орбите Земли, вследствие 1-го адиабатического инварианта могут приходить ближе к Солнцу и поэтому раньше взаимодейст вовать с возмущением По мере распространения возмущения области, занимаемые КЛ провзаимодействовавших с возмущением расширяются Можно отметить, что области разных КЛ перекрываются на поверхности магнитосферы Поэтому результат регистрации детектором зависит от соотношения амплитуд предповышенпя и предпонижения интенсивности КЛ и размера конуса приема детектора на поверхности магнитосферы

На рис 3 приведено распределение КЛ на поверхности магнитосферы Земли для одного положения ударной волны Область занятая отраженными О! фронта КЛ обозначена вертикальными штрихами Треугольниками обозначена область занятая КЛ пришедшими из-за фронта Кривая в виде эллипса обозначает суточную траекторию центра конуса приема наземного детектора на поверхности ма! нптосферы Область заполненная маленьки-

Время, ч

Рис 4 Интенсивность КЛ от времени, регистрируемая наземным детектором в идеализированном событии Кривая 1 — интенсивность детектора с П = О 01 4л", кривая 2 — интенсивность детектора с = О 07 4л", кривая 3 — интенсивность детектора с Я = 0 25 4тг

мп кружками — площадь конуса приема для одного момента времени На рис 4 изображена интенсивность КЛ во времени, регистрируемая наземным детектором для идеализированного события Идеализация состоит в принятом соглашении интенсивность КЛ пришедших из-за фронта на 10% меньше а интенсивность КЛ отразившихся от фронта на 5% больше интенсивности КЛ при невозмущенных условиях На рис изображена интенсивность, осредненная по площади конуса приема детектора Расчеты интенсивности КЛ приведены для разных величин телесного угла детектора П = 4тт / , где А = 0 01 (потный линейный угол а = 10°) — кривая 1 к = 0 07 (а = 30°) — кривая 2 к = 0 25 (о = 60°) — кривая 3

Как видно из рис при возрастании телесного угла поведение ингенспв-

1 1

iioctii во времени сглаживается Эю обусловлено неравномерным распределением предпоннжении и предповышений интенсивности КЛ

В целом можно заключить, что разработанный метод траекторий релятивистских частиц воспроизводит основные свойства предвестников возмущений в КЛ и может быть полезным для решения задач выявления и раннего прогноза появления крупномасштабных возмущений солнечного ветра

В заключении сформулированы основные результаты работы, приведен список публикаций, содержащих описание основных результатов, и список цитированной лптератугры

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Petukhov IS, Petukho\ SI, Staiodubtsev SA, and Timofeev VE Diffusive Piopagation of Fast Paiticles 111 the Piesence of Moving Shock Wave /'/ Astionomy Lett , 29, 658-6G6, 2003

2 Петухов II С , Петухов С II , Стародубцев С А , Тимофеев В Е Диффузионное распространение быстрых частиц в присутствии движущейся ударной волны / ' Письма в Астрон ж , 29, 742-751, 2003

3 II С, Петухов, С И Петухов, С А Стародубцев Происхождение пучков высокоэнергичных ионов на фронте околоземной ударной волны // Изв РАН Сер физ , 69, 868-870, 2005

4 IS Petukhov, SI Petukhov, SA Staiodubtsev and VE Timofeev Diffusive piopagation of fast paiticles m the piesence of a mo\mg shock // Auroial Phenomena and Solar-Teirestrial Relations Pioc of the Conference in Memory of Yun Galpcun, Moscow, eel by L M Zelenya, M A Gellei and J H Allen, 293-300, 2004

5 Petukhov I S The Influence of the Intet planetary Shock on a Propagation of the Solar Eneigetic Paiticles / / Pioc of ISCS 2003 "Solai Variability as an Input to the Earth's Em ironment'', Netheilands ESA Publ Division Tatianska Lonmika, 691-694, 2003

6 Timofeev V E , Petukhov I S , Petukhov S I and Stai odubtsev S A Dynamics of Solai Eneigetic Paiticles in the Piesence of a Shock Wave /'/ Proc 28th ICRC, 6/7, Tsukuba, Japan, 3623-3626, 2003

7 IS Petukhov , S I Petukhov, S A Staiodubtsev Dv namics m the arnval

directions of galactic cosmic lays 111 the presence of laige-scale solar wind disturbances // Pioc 29th ICRC, Pune, 101-104, 2005

8 Петухов II С Распространение быстрых заряженных частиц в присутствии плоской ударной волны // Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике Труды V сессии молодых ученых "Гелио- и геофизические исследования 127-130, Иркутск, 2002

9 Петухов II С Влияние межпланетной \дарной волны на солнечные энергичные частицы // Тезисы Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике VI Сессия молодых ученых "Волновые процессы в проблеме космической погоды 64-65, Иркутск, 2003

10 Петухов II С , Петухов С И , Стародубцев С А Динамика направлений прихода галактических космических лучей в присутствии крупномасштабных возмущений солнечного ветра // Труды VIII Конференции молодых ученых "Астрофизика и физика околоземного космического пространства", 130-132, Иркутск, 2005

11 Петухов И С , Петухов СИ, Стародубцев С А Происхождение пучков высокоэнергичных ионов на фронте околоземной ударной волны /'/' Материалы конференции научной молодежи якутского научного центра, 60-66, Якутск, 2006

ЛИТЕРАТУРА, ЦИТИРУЕМАЯ В АВТОРЕФЕРАТЕ

[1] Meziane К , Lin R Р , Parks G К and et al Evidence for acceleration of ions to ~1 MeV by adiabatic-hke reflection at the quasi-perpendicular Earth's bow shock // Geophys Res Lett , 26, 2925-2928, 1999

[2] A Belo\ et al Pitch-angle features in cosmic rays m advance of severe magnetic stoims neutron monitoi obseivations //Proc 27th ICRC, 9, Hambuig, 3507-3510, 2001

[3] Munakata К , Biebei J W Shin-ichi Y , et al Precursors of geomagnetic storms obseived by the muon detector network //'J Geophys Res , 105, 27,45727,468, 2000

Формат 60x84 '/16 Бумага офсетная Печать офсетная Услпл 1,0 Тираж 100 экз Заказ №72

Издательство ЯНЦ СО РАН

677891, г Якутск, ул Петровского, 2, тел /факс (411-2) 36-24-96 E-mail kuznetsov@psb ysn ru

Введение

Глава 1. Формирование функции распределения энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны

1.1. Формирование функции распределения ионов при дрейфе на плоском ударном фронте.

1.2. Формирование спектра отраженных ионов при дрейфе на плоском фронте в присутствии области с магнитным широм.

1.3. Формирование спектра отраженных ионов при дрейфе на плоском фронте в присутствии магнитной трубки.

1.4. Формирование спектра отраженных ионов при дрейфе на плоском фронте в присутствии альвеновской турбулентности в области перед фронтом.

1.5. Интенсивность энергичных ионов, ускоренных при дрейфе на фронте околоземной ударной волны.

1.6. Влияние турбулентности магнитного поля в области за ударным фронтом на амплитуду спектра отраженных ионов.

Выводы.

Глава 2. Динамика интенсивности СКЛ в присутствии межпланетной ударной волны 53 2.1. Расчет функции распределения частиц на фронте методом поколений.

2.2. Определение функции распределения частиц в пространстве.

2.3. Временная динамика спектра частиц для постоянных во времени коэффициентов диффузии.

2.4. Временная динамика спектра частиц для переменных во времени коэффициентов диффузии.

2.5. Сопоставление модельных расчетов с событиями 2-го мая и 24-го августа 1998 года

Выводы.

Глава 3. Динамика интенсивности KJI в присутствии возмущений солнечного ветра

3.1 Области траекторий KJI в окрестности орбиты Земли

3.2. Вероятность регистрации предвестников возмущений солнечного ветра в KJI.

3.3. Временная динамика интенсивности KJI в присутствии межпланетной ударной волны

3.4. Свойства предвестников возмущения.

Выводы.

Исследования процесса ускорения заряженных частиц бесстолк-новительными ударными волнами представляют значительный интерес вследствие большой распространенности ударных волн в космических явлениях. Уникальность околоземной ударной волны заключается в том, что это самая близко расположенная ударная волна в естественных условиях. Полученные в течение 40 лет результаты измерений используются для изучения процессов протекающих на ударных волнах.

В середине 90-х годов вследствие улучшения энергетической и временной точностей измерений начали регистрировать потоки отраженных ионов достаточно больших энергий (> 100 кэВ) на фоне событий частиц.

Удовлетворительного объяснения происхождения таких ионов до настоящего времени нет.

В настоящее время общепринятой модели происхождения солнечных космических лучей постепенных событий нет. Отчасти это объясняется недостатком сведений о характеристиках ударных волн вблизи Солнца и свойствах плазмы солнечной короны, прямые измерения которых недоступны. Сложность теоретического исследования процесса ускорения и распространения солнечных космических лучей постепенных событий состоит в том, что весь процесс происходит в среде с сильно различающимися свойствами. В большом количестве исследований рассчитывается только распространение частиц на основе уравнения переноса с фокусировкой, а описание ускорения заменяется источником частиц с заданными свойствами и расположенным на ударном фронте. Расчет ускорения солнечных космических лучей ударной волной проведен для сильно упрощенных моделей, главным недостатком которых является отсутствие зависимости коэффициентов диффузии от энергии.

Изучение динамики интенсивности космических лучей (КЛ) в присутствии крупномасштабных возмущений солнечного ветра представляет большой интерес в связи с возможностью использования результатов при прогнозировании появления возмущений. Проведенные исследования по данным мюонных телескопов показывают, что около 90% интенсивных геомагнитных возмущений, обусловленных крупномасштабными возмущениями солнечного ветра, имеют явные предвестники.

Идея о возможности использовать космические лучи для прогноза появления возмущений высказана давно. Однако реализовать эту возможность до настоящего времени должным образом не удалось. Одной из главных причин этого является отсутствие подходящей теории, которая могла бы помочь выявлять возмущения и заранее предупреждать о их появлении.

Актуальность темы:

Исследования процессов ускорения космических лучей представляет интерес, главным образом, по двум причинам. Во-первых, свойства генерированных частиц несут сведения о явлениях, протекающих в среде, и величинах параметров области их ускорения. Во-вторых, ускоренные частицы часто сами являются активным компонентом, существенно влияющим на динамические процессы плазмы.

Исследование процессов ускорения необходимо как для понимания фундаментальных свойств космической плазмы, для воссоздания целостной картины разнообразных явлений в природе, так и для решения многих прикладных проблем.

Особый интерес представляет исследование процессов ускорения, протекающих в межпланетном пространстве, поскольку в этом случае имеется возможность сопоставления результатов расчетов и прямых или косвенных измерений, что позволяет проводить детальную проверку адекватности различных гипотез и на этой основе делать обоснованные предсказания о характере аналогичных процессов в удаленных астрофизических объектах.

Цель диссертационной работы:

Целью диссертации является изучение ускорения энергичных ионов дрейфовым механизмом ударными волнами с кривизной.

Конкретно, целями диссертации являются:

1) Исследование ускорения энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны.

2) Изучение динамики интенсивности частиц в присутствии плоской движущейся ударной волны.

3) Разработка метода траекторий релятивистских частиц как средство описания свойств предвестников крупномасштабных возмущений солнечного ветра.

Научные результаты и новизна работы:

Впервые посредством численного моделирования определено влияние формы фронта околоземной головной ударной волны на спектр энергичных ионов, ускоренных дрейфовым механизмом. Получены свидетельства существенной зависимости амплитуды спектра отраженных ионов от турбулентности магнитного поля в области за ударным фронтом.

Впервые получены результаты аналитических расчетов динамики интенсивности частиц в присутствии плоской движущейся ударной волны в случае коэффициентов диффузии, зависящих от энергии. Результаты применены для интерпретации динамики интенсивности солнечных космических лучей постепенных событий.

Разработан метод траекторий релятивистских частиц в применении к описанию свойств предвестников возмущения солнечного ветра в космических лучах. На основе модельных расчетов впервые: дана оценка регистрации предвестников; определены свойства предвозрастаний интенсивности; определена интенсивность космических лучей от времени, регистрируемая наземным детектором в идеализованном событии.

Достоверность научных результатов:

Достоверность результатов обусловлена использованием адекватных физических моделей, применимость которых ограничена четко сформулированными критериями. Использованием общепринятых, апробированных численных методов расчета с определением их точности. Там где это возможно полученные результаты сопоставлены с результатами других авторов.

Практическая и научная ценность работы:

Разработанные модели будут использоваться для выяснения вклада различных процессов в ускорение энергичных ионов при дрейфе на фронте околоземной головной ударной волны.

Результаты расчетов динамики интенсивности частиц в присутствии бегущей ударной волны будут использоваться для анализа динамики солнечных космических лучей постепенных событий.

Метод траекторий релятивистских частиц будет использоваться при идентификации возмущений и для прогноза появления возмущений солнечного ветра в задачах космической погоды.

Личный вклад автора:

Автор внес значительный вклад в разработку моделей ускорения ионов на фронте околоземной головной ударной волны и отладку численных программ расчетов.

При его участии были проведены численные расчеты аналитической модели динамики интенсивности заряженных частиц в присутствии бегущей плоской ударной волны с коэффициентами диффузии зависящими от энергии, а так же выполнено сопоставление результатов расчетов с данными измерений конкретных событий.

Является соавтором метода траекторий релятивистских частиц и его применения к анализу свойств предвестников возмущений солнечного ветра.

Вклад автора в разработку численных моделей, проведение расчетов и представлении результатов на конференциях и симпозиумах является преобладающим. Апробация работы:

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались

На 27-й (Hamburg, 2001), 28-й (Tsukuba, 2003) и 29-й (Pune, 2005) международных конференциях по космическим лучам.

На симпозиуме Solar and Galactic Composition SOHO-ACE Workshop (Bern, 2001)

Ha COSPAR Colloquium. (Sofia 2002, Beijing 2006) На Всероссийской конференции Проблемы физики космических лучей и солнечно земных связей (Якутск, 2002)

На Международной Байкальской школе по фундаментальной физике (Иркутск 2002, 2005)

На ISCS Symposium 2003. Solar Variability as an Input to the Earth's Environment. (Tatranska Lomnica, 2003)

На 28-ой и 29-ой Всероссийских конференциях по космическим лучам (Москва 2004 и 2006)

На конференции памяти Ю.И. Гальперина. Conference in Memory of Yuri Galperin (Москва, 2004)

На Всероссийской конференции "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности "(Москва, 2005)

На научных семинарах в ИКФИА (2000-2007), ИСЗФ(2005), ФИАН(2005), а также опубликованы в рецензируемых журналах и трудах Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах [1] - [11].

Структура работы:

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Содержит 38 рисунков. Список литературы включает 141 наименование. Объем диссертации составляет 147 страниц.

Выводы

Для исследования формирования предвестников крупномасштабных возмущений солнечного ветра в КЛ и возможности их регистрации наземными детекторами требуется кинетический метод описания. Это объясняется тем, что длина свободного пробега К Л с энергией больше 10 ГэВ на орбите Земли порядка астрономической единицы. В этом случае большая анизотропия функции распределения КЛ, возникающая при взаимодействии с возмущением, сохраняется при их распространении до орбиты Земли. Метод траекторий релятивистских частиц, основанный на расчете множества траекторий в заданных электромагнитных полях, является адекватным способом описания этих процессов.

Для К Л с энергией 10 ГэВ, приходящих на поверхность магнитосферы Земли из разных направлений, определены конфигурации областей, которые они занимают при невозмущенных условиях. Следует отметить роль нейтральной поверхности ММП, в присутствии которой конфигурация области радикально изменяется.

Конфигурация области К Л может быть использована для оценки вероятности регистрации предвестников возмущений солнечного ветра. Поскольку необходимым условием регистрации предвестников является пересечение возмущением области КЛ. В целом можно отметить, что в присутствии нейтральной поверхности ММП область значительно расширяется, тем самым повышая вероятность появления предвестников возмущения. Исключением является ситуация, при которой Земля находится в плоскости солнечного экватора, там же расположена нейтральная поверхность ММП при отрицательном магнитном поле Солнца (А < 0).

В присутствии межпланетной ударной волны на поверхности магнитосферы Земли появляются КЛ, отраженные от ударного фронта и пришедшие из области возмущения. КЛ, отраженные от ударного фронта, формируют предповышение интенсивности галактических КЛ, поскольку их энергия при отражении увеличивается и соответственно увеличивается амплитуда их интенсивности. КЛ, пришедшие из области возмущения, формируют пред-понижение интенсивности КЛ, поскольку они пришли из области пониженной интенсивности — области Форбуш-понижения.

Определено распределение КЛ разных типов на поверхности магнитосферы и его динамика, обусловленная приближением ударной волны. В начале события приходят КЛ с малыми питч-углами. Это объясняется тем, что КЛ, имеющие малые питч-углы на орбите Земли, вследствие 1-го адиабатического инварианта могут приходить ближе к Солнцу и поэтому раньше взаимодействовать с возмущением. По мере распространения возмущения области, занимаемые КЛ провзаимодействовавших с возмущением расширяются. Можно отметить, что области разных К Л перекрываются на поверхности магнитосферы. Поэтому результат регистрации детектором зависит от соотношения амплитуд предповышения и предпонижения интенсивности КЛ и размера конуса приема детектора на поверхности магнитосферы.

В случае изотропной функции распределения КЛ на орбите Земли при невозмущенных условиях рассчитаны свойства пред-повышений интенсивности КЛ, которые, в общем, согласуются с измерениями.

Рассчитана интенсивность КЛ, регистрируемая наземным детектором во времени в сильно идеализированном событии. Получено, что наземный детектор с малым телесным углом (полный линейный угол ~ 10°) воспроизводит неоднородное распределением интенсивности КЛ на поверхности магнитосферы. При увеличении размера телесного угла поведение интенсивности во времени сглаживается.

В целом можно заключить, что разработанный метод траекторий релятивистских частиц воспроизводит основные свойства предвестников возмущений в КЛ и может быть полезным для решения задач выявления и раннего прогноза появления крупномасштабных возмущений солнечного ветра.

Заключение

Посредством численного расчета множества траекторий заряженных частиц в заданных электромагнитных полях проведено моделирование процесса ускорения энергичных ионов при дрейфе на фронтах ударных волн.

1) Выявлено существенное влияние формы фронта околоземной ударной волны на интенсивность отраженных ионов, ускоренных дрейфовым механизмом. Кривизна ударного фронта приводит в среднем к уменьшению длины дрейфового пути и увеличению количества отраженных частиц.

Амплитуда спектра ионов ускоренных на фланге ударного фронта, там где формируется спектр с максимальной энергией, всегда меньше амплитуды спектра частиц, ускоренных на плоском фронте, поскольку в этом случае заметная доля фоновых частиц проходят мимо фронта и не учавствуют в дрейфе.

2) Установлено, что амплитуда спектра отраженных ионов определяется турбулентностью магнитного поля в области за ударным фронтом, которая обеспечивает возвращение частиц к фронту и повторение цикла ускорения. Амплитуда спектра зависит от расстояния между ударным фронтом и границей области с турбулентностью. При увеличении расстояния амплитуда спектра уменьшается до величины, соответствующей ускорению частиц в отсутствие турбулентности.

Максимальная амплитуда интенсивности получается в том случае, когда область с турбулентностью располагается непосредственно за ударным фронтом.

3) Динамика интенсивности частиц, рассчитанная в рамках диффузионного приближения, с коэффициентами диффузии, вычисленными в соответствии с квазилинейной теорией для измеренного спектра мощности ММП, качественно соответствует наблюдаемой интенсивности СКЛ. Данные измерений плотности спектра мощности ММП в течение события в реальном времени могут быть использованы в качестве прогноза возрастаний интенсивности высокоэнергичных СКЛ вплоть до момента прихода ударного фронта.

4) Развит метод траекторий релятивистских частиц для описания предвестников возмущений солнечного ветра, регистрируемых наземными детекторами. Определена конфигурация области, занимаемой КЛ приходящими на поверхность магнитосферы Земли при разных условиях. Получены оценки вероятности регистрации предвестников возмущений в зависимости от свойств возмущений и условий на орбите Земли. Установлена роль нейтральной поверхности ММП, присутствие которой, в общем, повышает вероятность регистрации предвестников.

5) В случае изотропной функции распределения К Л на орбите Земли при невозмущенных условиях рассчитаны свойства пред-повышений интенсивности КЛ, которые, в общем, согласуются с измерениями.

6) Рассчитана интенсивность КЛ, регистрируемая наземным детектором во времени в сильно идеализированном событии. Получено, что наземный детектор с малым телесным углом (полный линейный угол ~ 10°) воспроизводит неоднородное распределением интенсивности К Л на поверхности магнитосферы. При увеличении размера телесного угла поведение интенсивности во времени сглаживается.

В целом можно заключить, что разработанный метод траекторий релятивистских частиц воспроизводит основные свойства предвестников возмущений в КЛ и может быть полезным для решения задач выявления и раннего прогноза появления крупномасштабных возмущений солнечного ветра.

Автор искренне благодарит своего научного руководителя академика РАН Крымского Гермогема Филипповича за неоценимую помощь и постоянное внимание в работе, а также кандидата физико-математических наук Стародубцева Сергея Анатольевича и Тимофеева Владислава Егоровича, в соавторстве с которыми был выполнен ряд работ, вошедших в диссертацию. Автор выражает свою признательность всем своим коллегам по Лаборатории теории космической плазмы Института космофизических исследований и аэрономии СО РАН за непрерывную поддержку и советы в оформлении диссертации.

1. Petukhov I.S., Petukhov S.I, Starodubtsev S.A., and Timofeev V.E. Diffusive Propagation of Fast Particles in the Presence of Moving Shock Wave. // Astronomy Lett., 29, 658-666, 2003.

2. Петухов И.С., Петухов С.И., Стародубцев С.А., Тимофеев В.Е. Диффузионное распространение быстрых частиц в присутствии движущейся ударной волны. // Письма в Астрон. ж., 29 , 742-751, 2003.

3. И.С. Петухов, С.И. Петухов, С.А. Стародубцев. Происхождение пучков высокоэнергичных ионов на фронте околоземной ударной волны. // Изв. РАН. Сер.физ., 69, 868-870, 2005.

4. Petukhov I.S. The Influence of the Interplanetary Shock on a Propagation of the Solar Energetic Particles. // Proc.of ISCS 2003 "Solar Variability as an Input to the Earth's Environment Netherlands: ESA Publ.Division. Tatranska Lomnika, 691-694, 2003.

5. Timofeev V.E., Petukhov I.S., Petukhov S.I. and Starodubtsev S.A. Dynamics of Solar Energetic Particles in the Presence of a

6. Shock Wave. // Proc. 28th ICRC, 6/7, Tsukuba, Japan, 36233626, 2003.

7. I.S. Petukhov, S.I. Petukhov, S.A. Starodubtsev. Dynamics in the arrival directions of galactic cosmic rays in the presence of large-scale solar wind disturbances . // 29th ICRC, Pune, 101-104, 2005.

8. Петухов И.С. Распространение быстрых заряженных частиц в присутствии плоской ударной волны. // Труды V сессии молодых ученых "Гелио- и геофизические исследования 127130, 2002.

9. Петухов И.С. Влияние межпланетной ударной волны на солнечные энергичные частицы. // Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике. VI Сессия молодых ученых "Волновые процессы в проблеме космической погоды 64-65, 2003.

10. Петухов И.С., Петухов С.И., Стародубцев С.А. Происхождение пучков высокоэнергичных ионов на фронте околоземной ударной волны. // Материалы конференции научной молодежи якутского научного центра, 60-66, 2006.

11. Дорман Л.И., Смирнов B.C., Тясто М.И. Космические лучи в магнитном поле Земли. — М.: Наука, 1971, 400 с.

12. Gosling J.T. et al. Observations of two distinct populations of bow shock and ions in the upstream solar wind. // Geophys. Res. Lett., 5, 957-960, 1978.

13. Bonifazi C. and G.Moreno. Reflected and Diffuse ions backstreaming from the Earth's bow shock Volume 1: Basic properties. // J. Geophes. Res., 86, 4397-4404, 1981.

14. Paschmann G., N. Sckopke and I. Papamastorakis. Characteristics of reflected and diffuse ions upstream from the Earth's bow shock // J. Geophys. Res., 86, 4355-4364, 1981.

15. Lee M.A. Coupled hydromagnetic wave excitation and ion acceleration upstream of the Earth's bow shock. //J. Geophys. Res., 87, 5063-5080, 1982.

16. Lutsenko V.N., Kudela K. Almost monoenergetic ions near the Earth's magnetospheric boundaries. // Geophys. Res. Lett., 26, 413-416, 1999.

17. Meziane K., Lin R.P., Parks G.K. and et al. Evidence for acceleration of ions to MeV by adiabatic-like reflection at the quasi-perpendicular Earth's bow shock. // Geophys. Res. Lett., 26, 2925-2928, 1999.

18. Decker R.B. Computer modeling of test particle acceleration at oblique shocks. // Space Sci. Rev., 48, 195-262, 1988.

19. Owens A.J. An algorithm for generating fluctuations having an arbitrary power spectrum. //J. Geophys. Res., 83, 1673-1675, 1978.

20. Bieber J.W., Matthaeus W.H., Smith, C.W. et al. Proton and electron mean free paths: the Palmer consensus revisited. // Astrophys. J. 420, 294-306, 1994.

21. Lutsenko V.N., K. Kudela, E.T. Sarris. The DOK-2 experiment to study energetic particles by Tail Probe and Auroral Probe satellites in the Interball project. // Cosmic Research, 36, 93102, 1998.

22. K. Kudela, V.N. Lutsenko, D.G. Sibeck and M. Slivka. Energetic ions and electrons within the magnetosheath and upstream of the bow shock: Interball-1 overview. // Adv. Space Res., 30, 1685-1692, 2002.

23. K. Kudela, V.N. Lutsenko, D.G. Sibeck and M. Slivka. Energetic ions upstream of the Earth's bow shock: Interball-1 survey. // Adv. Space Res., 30, 2731-2736, 2002.

24. K. Kudela, M. Slivka., D.G. Sibeck et al. Energetic proton fluxes within the magnetosheath and upstream of the bow shock: Interball-1 data. // Czechoslovak Journal of Physics, 49, 591598, 1999.

25. Бережко Е.Г., Танеев C.H. Ускорение частиц на фронте головной ударной волны. // Космические исследования, 29, 582-592, 1991.

26. Fan C.Y., Gloeckler G. and Simpson J.A. Evidence for >30-keV electrons accelerated in the shock transition region beyond the Earth's magnetospheric boundary. // Phys. Rev. Lett., 13, 149152, 1964.

27. Anderson K.A. et al. Thin sheets of energetic electrons upstream from the Earth's bow shock. //J. Geophys. Res. Lett., 6, 401404, 1979.

28. Wu C.S. A fast Fermi process: energetic electrons accelerated by a nearly perpendicular bow shock. //J. Geophys. Res., 89, 8857-8862, 1984.

29. Filbert P.C. and Kellogg P.J. Electrostatic noise at the plasma frequency beyound the Earth's bowshock. //J. Geophys. Res., 84, 1369-1381, 1979.

30. Asbridge J.R., Bame S.J and Strong I.B. Outward flow of protons from the Earth's bow shock. //J. Geophys. Res., 73, 5777-5782, 1968.

31. Paschmann G. et al. Energization of solar wind ions by reflection from the Earth's bow shock. //J. Geophys. Res., 85, 4689-4693, 1980.

32. Lin R.P., Meng C.I. and Anderson K.A. 30-to 100 keV protons upstream from the Earth's bow shock. //J. Geophys. Res., 79, 489-498, 1974.

33. Lee M.A. Coupled hydromagnetic wave excitation and ion acceleration upstream of the Earth's bow shock. //J. Geophys. Res., 87, 5063-5080, 1982.

34. Lee M.A. Coupled hydromagnetic wave excitation and ion acceleration at an evolving coronal/interplanetary shock. // Astrophys. J. Suppl. ser., 158, 38-67, 2005.

35. Scholer M. et al. Conditions for acceleration of energetic ions 30 keV associated with the Earth's bow shock. //J. Geophys. Res., 85, 4602-4606, 1980.

36. Scholer M. and Ipavich F.M. Energetic ions upstream of the Earth's bow shock during an Energetic Storm Particle event. // J. Geophys. Res., 88, 5715-5726, 1983.

37. Anagnostopoulos G.C., Sarris E.T. and Krimigis S.M. Observational test of shock drift and Fermi acceleration on a seed particle population upstream of the Earth's bow shock. // J. Geophys. Res., 93, 5541-5546, 1988.

38. Skoug R.M. et al. Upstream and magnetosheath energetic ions with energies to ~ 2 MeV. // Geophys. Res. Lett., 23,1223-1226, 1996.

39. Mason G.M., Mazur J.E. and von Rosenvinge T.T. Energetic heavy ions observed upstream in the Earth's bow shock by STEP/EPACT instrument in WIND. // Geophys. Res. Lett., 23, 1231-1234, 1996.

40. Dwyer J.R. et al. Acceleration of solar flare 3He at the Earth's bow shock. // Geophys. Res. Lett., 24, 61-64, 1997.

41. Decker R. B., Vlahos L. Numerical studies of particle acceleration at turbulent, oblique shocks with an application to prompt ion acceleration during solar flares. // Astrophys. J., 306, 710-729, 1986.

42. Kucharek H. et al. On the origin of field-aligned beams at the quasi-perpendicular bow shock: multi-spacecraft observations by Cluster. // Annales Geophyscae, 22, 2301-2308, 2004.

43. Decker R.B. Formation of shock-spike events at quasi-perpendicular shocks. // J. Geophys. Res., 88, 9959-9973, 1983.

44. Slavin, J. A. and R. E. Holzer. Solar wind flow about the terrestrial planets, 1, Modeling bow shock position and shape. // J. Geophys. Res., 86, 11, 401, 1981.

45. Kallenrode M.-B. Particle propagation in the inner heliosphere. // J. Geophys. Res., 98, All, 19,037-19,047, 1993.

46. Heras A.M. et al. The influence of the large-scale Interplanetary shock structure on a low-energy particle event. // Astrophys. J. 391, 359-369, 1992.

47. Ruffolo, D. Effect of adiabatic deceleration on the transport of solar cosmic rays. // Astrophys. J., 442, 861-874, 1995.

48. Kallenroude M.-B. and Wibberenz G. Propagation of particle injected from interplanetary shocks: A black box model and its consequences for acceleration theory and data interpretation. // J. Geophys. Res., 102, 22,311-22,334, 1997.

49. Bogdan T.J. and Volk H.J. Onion-shell model of cosmic-ray acceleration in supernova remnants. // Astron. Astrophys., 122, 129-136, 1983.

50. Kahler S.W. Injection profiles of solar energetic particle as functions of coronal mass ejection heights. // Astrophys. J., 428, 837-842, 1994.

51. Kennel C.F., Coroniti F.V., Scarf F.L. et al. A test of Lee's quasilinear theory of, ion acceleration by travelling interplanetary shocks. // J. Geophys. Res., 91, 11,917-11,928, 1986.

52. Lee M.A. Coupled hydromagnetic wave excitation and ion acceleration at interplanetary traveling shocks. //J. Geophys. Res., 88, 6109-6119, 1983.

53. Lee M.A., and Ryan J.M. Time-depended coronal shock acceleration of energetic solar-flare particles. // Astrophys. J., 303, 829-842, 1986.

54. Lee M.A. Coupled Hydromagnetic Wave Excitation and Ion Acceleration at an Evolving Coronal/Interplanetary Shock. // Astrophys. J. (Supplement Ser.), 158, 38-67, 2005.

55. Reames D.V. Particle acceleration at the Sun and in the heliosphere. // Space Sci. Rev., 90, 413-491, 1999.

56. Топтыгин И.Н., Космические лучи в межпланетных магнитных полях. — М.:Наука, 1983. 301 с.

57. Zank G.P., Rice W.K., and Wu С.С. Particle acceleration and coronal mass Ejection — driven Shocks: A theoretical model. // J. Geophys. Res., 105, 25,079-25,096, 2000.

58. Reames D.V. Acceleration of energetic particles by shock waves from large solar flares. // Astrophys. J. (Letters) 358, L63-L67, 1990.

59. Reames D.V. SEPs: Space Weather Hazard in interplanetary space. // Proc. Chapman Conference. Space Weather: Progress and Challengers in Research and Applications, 2000.

60. Kallenrode, M.-B. Particle acceleration at interplanetary shocks-observations at a few tens of keV vs. some tens of MeV. // Adv. Space Res., 15, 375-384, 1995.

61. Rice, W.K.M., G.P. Zank, and G. Li. Particle acceleration at coronal mass ejection driven shock: For arbitrary shock strenght. // J. Geophys. Res., 108, 1369, 2003.

62. Rice, W.K.M. and G.P. Zank. Particle acceleration at CME driven shock waves. // Adv. Space Res., 31, 901 906, 2003.

63. Бережно Е.Г., Елшин В.К., Крымский Г.Ф., Петухов С.И. Генерация космических лучей ударными волнами. Новоси-бирск:Наука, 1988, 182 с.

64. Бережко Е.Г., Петухов С.И., Танеев С.Н. Регулярное ускорение частиц на фронтах межпланетных ударных волн. // Письма в Астрон. журн., 24, 151-160, 1998.

65. Бережко Е.Г., Петухов С.И., Танеев С.Н. Ускорение солнечных космических лучей ударными волнами в короне Солнца. // Известия РАН, сер. физ., 65, 339-342, 2001.

66. Berezhko E.G., Petukhov S.I., and Taneev S.N. Shock acceleration of energetic particles in solar corona. // Proc. 27th ICRC, 8, Hamburg, 3215-3218, 2001.

67. Бережко Е.Г., Елшин В.К., Крымский Г.Ф., Турпанов А.А. // Изв. АН СССР. Сер. физ., 50, 2241, 1986.

68. Wanner W., Wibberenz G. A study of the propagation of solar energetic protons in the inner heliosphere. // J.Geophys.Res., 98, 3513-3528, 1993.

69. Decker R.B. The modulation of low-energy proton distributions by propagating interplanetary shock waves: A numerical simulation. // J. Geophys. Res., 86, 4537-4554, 1981.

70. Denskat K.U., and Neubauer F.M. Statistical properties of low frequency magnetic field fluctuations in the solar wind from 0.29 to 1.0 AU during solar minimum conditions: Helios 1 and Helios 2. // J. Geophys. Res., 87, 2215-2223, 1982.

71. Lario D., Sanahuja B., and Heras A.M. Energetic Particle Events: Efficiency of Interplanetary Shocks as 50 keV < E < 100 MeV Proton Accelerators. // Astrophys. J., 509, 415-434, 1998.

72. Ng C.K., and Reames D.V. Focused interplanetary transport of 1 MeV solar energetic protons through self-generated Alfven waves. // Astrophys. J., 424, 1032-1039, 1994.

73. Ng C.K., Reames D.V., and Tylka A.J. Effect of Proton-Amplified Waves on the Evolution of Solar Energetic Particle Composition in Gradual Events. // Geophys. Res. Lett., 26, 2145-2148, 1999.

74. Lario D., Sanahuja B., and Heras A.M. A tool to model solar energetic particles events. ESA Workshop on Space Weather, Ed. N. Crosby, The Netherlands, WPP-155, 343-346, 1999.

75. Ng C.K., Reames D.V., and Tylka A.J. A model for the evolution of the elemental abudances of solar energetic particles. // Proc. 26th ICRC, 6, Salt Lake City, 151-154, 1999.

76. Ng C. K., Reames D. V. and Tylka A. J. Modeling Shock-Accelerated Solar Energetic Particles Coupled To Interplanetary Alfven Waves. // Astrophys. J., 591, 461-485, 2003.

77. Klein K.-L. and Trottet G. The origin of solar energetic perticle events: coronal acceleration versus shock wave acceleration. // Space Sci. Rev., 95, 215-225, 2001.

78. Wanner W., Wibberenz G. Mean free paths from magnetic field power density spectra for selected Helios solar proton events. // Proc. 22nd, 3, 221-224, 1991.

79. Wanner W., Wibberenz G. Variations of magnetic field fluctuation spectra inside 1 AU. // Proc. 22nd, 3, 217-220, 1991.

80. Palmer I.D. Transport coefficients of low-energy cosmic rays in interplanetary space. // Rev. Geophys., 20, 335-351,1982.

81. Marsch E. MHD turbulence in the solar wind. //In Physics of the Inner Heliosphere II, ed. by R. Schwenn and E. Marsch, USA, 159-241 ,1991.

82. Denskat K.U., H.J. Beinroth, and F.M. Neubauer. Interplanetary magnetic field power density spectra with frequencies from 2.4 • 10~5 Hz to 470 Hz from Helios — observations during solar minimum conditions. //J. Geophys. Res., 54, 60-67, 1983.

83. Starodubtsev S.A. A study of the IMF fluctuation spectrum in the frequency range 10~4 — 1.67 • 10~3 Hz during solar activitycycle development. // Phys. Chem. Earth (C), 25, 133-136, 2000.

84. Морс Ф.М. и Фешбах Г. Методы теоретической физики. Т.1. М.: ИЛ, 1958, 930 с.

85. Munakata К. et al. СМЕ Geometry deduced from Cosmic Ray Anisotropy. // Proc. 28th ICRC, 6/7, Tsukuba. 3561-3564, 2003.

86. Munakata K., Bieber J.W. Shin-ichi Y., et al. Precursors of geomagnetic storms observed by the muon detector network. // J.Geophys.Res., 105, 27,457-27,468, 2000.

87. Munakata K., Bieber J.W., Kuwabara Т., et al. A prototype muon detector network covering a full range of cosmic ray pitch angles. // Proc. 27th ICRC, 9, Hamburg, 3494-3497, 2001.

88. Dorman L.I. et al. Possible cosmic ray using for forecasting of major geomagnetic storms, accompanied by Forbush-Effects. // Proc 28th ICRC, 6/7, Tsukuba, 3553-3556, 2003.

89. RufFolo D. Transport and acceleration of energetic charged particles near an oblique shock. // Astrophys. J., 515, 787-800, 1999.

90. Leerungnavarat K. and Ruffolo D. and Bieber J.W. Loss cone precursors to Forbush decreases and advance warning of space weather effects. // Astrophys.J., 593, 587-596, 2003.

91. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. Гл. редактор Сю-няев P.A. — М.: Советская энциклопедия. 1986. 783 с.

92. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука. 1982. 620 с.

93. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. — М.: Наука. 1973. 504 с.

94. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инжинеров. — М.: Наука. 1974. 831 с.

95. Паркер Е. Динамические процессы в межпланетной среде. — М.: Мир. 1965. 362 с.

96. Nonaka Т. et al. Study of cosmic ray short term variations using GRAPES-3 muon telescopes. // Proc. 28th ICRC, 6/7, Tsukuba, 3569-3572, 2003.

97. Forbush S.E. On cosmic-ray effects associated with magnetic storms. // Terr. Magn. atmos. elect., 43, 203-218, 1938.

98. Badruddin, D. Venkatesan, and B. Y. Zhu. Study and effect of magnetic clouds on the transient modulation of cosmic-ray intensity. // Solar Phys., 134, 203-209, 1991.

99. Barouch, E., Burlaga, L. F. Causes of Forbush decreases and other cosmic ray variations. //J. Geophys. Res., 80, 449-456, 1975.

100. L. F. Burlaga. Understanding the Heliosphere and its Energetic Particles. // Proc. 18th ICRC, 12, Bangalore, 21-60, 1983.

101. Iucci, N., Pinter, S., Parisi, M. The longitudinal asymmetry of the interplanetary perturbation producing Forbush decreases. // Nuovo Cimento C, Serie 1, 9 C, 39-50, 1986.

102. N. Iucci, M. Parisi, M. Storini and G. Villoresi. Origin and development in the interplanetary space. // Nuovo Cim. C, 2 C, 1-52, 1979.

103. Lockwood J.A. Forbush Decreases in the Cosmic Radiation. // Space Sci. Rev., 12, 658-715, 1971.

104. Lockwood J. A., Webber W. R., Debrunner, H. The rigidity dependence of Forbush decreases observed at the Earth. // J. Geophys. Res., 96, 5447-5455, 1991.

105. Lockwood J. A., Webber W. R., Debrunner, H. Forbush decreases and interplanetary magnetic field disturbances —

106. Association with magnetic clouds. //J. Geophys. Res., 96, 11,587-11,604, 1991.

107. Murayama T., Maezawa K. and Hakamada K. Time profiles of Forbush decreases and their relation to the structure of the interplanetary magnetic field. // Proc. 16th ICRC, 3, Kyoto, 146-151 , 1979.

108. Shah G. N., Kaul C. L., Razdan H. and Kaul S. R. Causes of Forbush decreases. // ICRC 17th, 4, Paris, 21-24, 1981.

109. G. Zhang and L. F. Burlaga. Magnetic clouds, geomagnetic disturbances, and cosmic ray decreases. //J. Geophys. Res., 93, 2511-2518, 1988.

110. Nishida A. Numerical evaluation of the precursory increase to the Forbush decrease expected from the diffusion convection model. // J. Geophys. Res., 87, 6003-6009, 1982.

111. Kadokura A., Nishida A. Two-dimensional numerical modeling of the cosmic ray storm. //J. Geophys. Res., 91, 13-29, 1986.

112. Iucci N., Parisi M., Storini M., Villoresi G. and Zangrilli N. L. The Cosmic Ray Storm of February 15, 1978. // Nuovo Cim., 2 C, 411-420, 1979.

113. Nagashima K., Sakakibara S., Fujimoto K. et al. Localized pits and peaks in Forbush decrease, associated with stratified structure of disturbed and undisturbed magnetic fields. // Nuovo Cim. C, 13 C, 551-587, 1990.

114. Cane H.V. Cosmic ray decreases and magnetic clouds. //J. Geophys. Res., 98, 3509-3512, 1993.

115. Cane H.V., I.G. Richardson, T.T. von Rosenvinge and G. Wibberenz. Cosmic ray decreases and shock structure: A multi-spacecraft study. // J. Geophys. Res., 99, 21,429-21,442, 1994.

116. H.V. Cane, I.G. Richardson and T.T. von Rosenvinge. Cosmic ray decreases: 1964-1994. // J. Geophys. Res., 101, 21,56121,572, 1996.

117. Lockwood J.A. Forbush Decreases in the Cosmic Radiation. // Space Sci. Rev., 12, 658-715, 1971.

118. Duggal S. P. and M. A. Pomerantz. Origin of north-south anisotropy of cosmic rays. //J. Geophys. Res., 81, 5032-5038, 1976.

119. Belov A.V. et al. Search for predictors of Forbush Decreases. // Proc. 24th ICRC, 4, Rome, 888-891, 1995.

120. Morishita I. et al. Characteristics of precursory decrease of Forbush decrease inferred from world wide observations of muonand neutron intensities. // Proc. 25th ICRC, 1, Durban, 405408, 1997.

121. Bieber J. W., Evenson, P. CME geometry in relation to cosmic ray anisotropy. // Geophys. Res. Lett., 25, No. 15, 2955-2958, 1998.

122. D. Ruffolo, J. Bieber, P. Evenson, and R. Pyle. Precursors to Forbush decreases and space weather prediction. // Proc. 26th ICRC, 6, Salt Lake City, 440-443, 1999.

123. Dorman L.I., Iucci N., Villoresi G. The nature of cosmic ray Forbush-decrease and precursory effects. // Proc. 24th ICRC, 4, Rome, 892-895, 1995.

124. A. Belov et al. Pitch-angle features in cosmic rays in advance of severe magnetic storms: neutron monitor observations. // Proc. 27th ICRC, 9, Hamburg, 3507-3510, 2001.

125. Gosling J. T., S. J. Bame, D. J. McComas, and J. L. Phillips, Coronal Mass Ejections and Large Geomagnetic Storms. // Geophys. Res. Lett., 17, 901-904, 1990.

126. G.A. Bazilevskaya, A.I. Sladkova and A.K. Svirzhevskaya. Features of the solar X-ray bursts related to solar energetic particle events. // Adv. Space Res., 37, 1421-1425, 2006.

127. G.A. Bazilevskaya. Solar cosmic rays in the near Earth space and the atmosphere. // Adv. Space Res., 35, 458-464, 2005.

128. G. A. Bazilevskaya, M. B. Krainev and V. S. Makhmutov. // Effects of cosmic rays on the Earth's environment. //J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 62, 1577-1586, 2000.

129. Dvornikov V.M., Sdobnov V.E., Sergeev A.V. Analysis of cosmic ray pitch-angle anisotropy during the forbush-effect in June 1972 by the method of spectrographic global survey // Proc. 18th ICRC, 3, Bangalor, 249-252, 1983.

130. Dvornikov V.M., Sdobnov V.E. Time variations of the cosmic ray distribution function during a solar proton event of September 29, 1989 // J. Geophys. Res., 102, 24,209-24,219, 1997.

131. B.M. Дворников, B.E. Сдобнов, A.A. Луковникова, M.B. Юдина. Модуляция космических лучей регулярными электромагнитными полями гелиосферы в периоды солнечных протонных событий. // Изв. РАН. Сер. Физ., 69, 6, 821-824, 2005.

132. L. Kocharov et al. Modeling the shock aftermath source of energetic particles in the solar corona. // Astron. J., 620, 1052-1068, 2005.

133. V. Petrosian and S. Liu. Stochastic Acceleration of Electrons and Protons. I. Acceleration by Parallel Propagating Waves. //Astrophys. J., 610, 550-571, 2004.

134. Дорман Л.И. Вариации галактических космических лучей. Изд. Московского университета. 1975. 213 с.

135. Каминер Н.С. О возрастании интенсивности космических лучей перед Форбуш-эффектом. // Геомагнетизм и аэрон. 20, 1097-1099, 1981.