Характеристики Форбуш-эффектов и их связь с солнечными, межпланетными и геомагнитными возмущениями

Абунин, Артём Анатольевич

Характеристики Форбуш-эффектов и их связь с солнечными, межпланетными и геомагнитными возмущениями тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Абунин, Артём Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.03.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по астрономии на тему «Характеристики Форбуш-эффектов и их связь с солнечными, межпланетными и геомагнитными возмущениями»

Автореферат диссертации на тему "Характеристики Форбуш-эффектов и их связь с солнечными, межпланетными и геомагнитными возмущениями"

На правах рукописи

Абунин Артём Анатольевич

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОРБУШ-ЭФФЕКТОВ И ИХ СВЯЗЬ С СОЛНЕЧНЫМИ, МЕЖПЛАНЕТНЫМИ И ГЕОМАГНИТНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ

01.03.03 - физика Солнца

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2014

1 7 АПР 2014

005547143

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН)

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук БЕЛОВ Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты:

БАЗИЛЕВСКАЯ Галина Александровна

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории физики Солнца и космических лучей Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук

ЧАРИКОВ Юрий Евгеньевич

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физико-технического института имени А.Ф.Иоффе

Ведущая организация:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ".

Защита диссертации состоится « 23 » мая 2014 г. в 11 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.120.01 Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук (ГАО РАН) по адресу: 196140, г. Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, дом 65

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН

Автореферат разослан 18 апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Милецкий Евгений Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Форбуш-эффекты - это изменения плотности и анизотропии космических лучей в крупномасштабных возмущениях солнечного ветра. Впервые они были отмечены как эффекты понижения интенсивности космических лучей, совпадающие с геомагнитными бурями, в 1937 году американским физиком Форбушем [6] и названы его именем. Существуют два основных типа возмущений солнечного ветра: спорадические и рекуррентные. К первым относятся корональные выбросы (CMEs - coronal mass ejections), которые при распространении от Солнца трансформируются в межпланетные облака ICMEs; ко вторым - вращающиеся вместе с Солнцем высокоскоростные потоки плазмы из корональных дыр. Оба этих типа могут вызвать отклик в вариациях космических лучей, однако механизм дополнительной модуляции при этом будет различным [7*,12*,16*-18*].

Актуальность

Способность отражать крупномасштабные процессы, которые очень часто отдалены от места наблюдения, делает вариации галактических космических лучей уникальным инструментом для исследования солнечной активности и процессов, происходящих в гелиосфере. В частности, Форбуш-эффекты дают непосредственную информацию о возмущениях в межпланетной среде, поскольку их параметры тесно связаны с явлениями в солнечно-земной физике. Они выделяются среди других вариаций космических лучей величиной, частотой появления и многообразием. Причинами разнообразия является ряд факторов: влияние различных солнечных источников, а также их изменчивость и комбинация, слияние событий, взаимодействие распространяющегося возмущения с гелиосферным токовым слоем и т.д. Другими словами, в галактических космических лучах содержится информация об особенностях межпланетных возмущений. И одной из главных практических задач в солнечно-земной физике является умение правильно расшифровать эту информацию, что делает исследования Форбуш-эффектов актуальными и практически важными для астрофизики космических лучей, физики солнечно-земных связей, геофизики и прогнозирования космической погоды.

Цель работы

Целью диссертационной работы является многостороннее изучение Форбуш-эффектов и выявление связей между различными параметрами этого эффекта и характеристиками солнечных, межпланетных и геомагнитных возмущений. В соответствии с целью работы решались следующие задачи:

1. Статистический сравнительный анализ Форбуш-эффектов с внезапным (совпадающим с внезапным началом геомагнитной бури - SSC) и постепенным (без SSC) началами.

2. Исследование зависимости величины Форбуш-эффекта от гелиодолготы солнечного источника.

3. Анализ событий 19-го цикла солнечной активности.

4. Изучение зависимости параметров Форбуш-понижений и геомагнитных бурь от суммарного магнитного потока диммингов и постэруптивных аркад продольного поля на уровне фотосферы.

5. Разработка основ методики ранней диагностики геоэффективности источников нерекуррентных Форбуш-понижений и геомагнитных бурь.

Научная новизна работы состоит в следующем:

■ Впервые, на основе статистического сравнительного анализа, выявлено, что возмущения, вызванные нерекуррентными солнечными источниками, эффективнее модулируют космические лучи и создают большие по амплитуде Форбуш-эффекты, чем возмущения, вызванные рекуррентными источниками при сходных параметрах солнечного ветра.

■ Впервые найдена количественная зависимость амплитуды Форбуш-эффекта от гелиодолготы соответствующего источника. Показано, что эффекты от центральных солнечных источников межпланетных возмущений значительно глубже, чем от периферийных, а восточные источники, в целом, эффективнее западных в понижении плотности космических лучей.

■ Впервые выявлен дефицит очень больших Форбуш-эффектов (>15%) на фоне исключительно высокой солнечной и геомагнитной активности в 19-м солнечном цикле и предлагаются возможные объяснения этого дефицита.

■ Впервые установлены зависимости интенсивности нерекуррентных Форбуш-понижений и геомагнитных бурь, а также времен запаздывания начала и пика этих возмущений относительно солнечных событий — от магнитного потока ультрафиолетовых диммингов и аркад в соответствующих источниках на Солнце.

■ Разработаны основы принципиально новой методики ранней диагностики геоэффективности нерекуррентных источников Форбуш-понижений и геомагнитных бурь, где в качестве основного исходного параметра используется количественная характеристика соответствующей эрупции на Солнце, а не информация о скорости и форме СМЕ в картинной плоскости.

Научная и практическая значимость работы

I. Полученные зависимости параметров Форбуш-эффектов от характеристик солнечных, межпланетных и геомагнитных возмущений позволяют лучше понять физику процессов в гелиосфере, обусловленных солнечными источниками, служат для более детального изучения солнечно-земных связей, а также могут использоваться для построения моделей модуляции космических лучей.

II. Разработанные основы ультрафиолетовой / магнитной диагностики геоэффективности нерекуррентных источников геомагнитных бурь и Форбуш-понижений, дают новые возможности для улучшения прогнозов геоэффективности источников возмущений солнечного происхождения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствование и обновление базы данных транзиентных явлений в космических лучах и межпланетной среде.

2. Установленные зависимости амплитуды Форбуш-эффекта от параметров межпланетных и геомагнитных возмущений в группах с внезапным (совпадающим с SSC) и постепенным (без SSC) началами.

3. Количественная зависимость величины Форбуш-эффекта от гелиодолготы соответствующего источника.

4. Выявленный в 19-м солнечном цикле дефицит очень больших Форбуш-эффектов на фоне исключительно высокой солнечной и геомагнитной активности, а также возможные объяснения этого дефицита.

5. Установленные зависимости величины нерекуррентных Форбуш-понижений и геомагнитных бурь, а также транзитных времен начала и пика возмущений от эруптивного магнитного потока.

6. Основы методики ранней диагностики геоэффективности солнечных эрупций.

Достоверность результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов в диссертации следует из статистического анализа большого количества событий. Созданная методика ранней диагностики геоэффективности нерекуррентных источников геомагнитных бурь и Форбуш-понижений, в качестве эксперимента, прошла апробацию в режиме реального времени в Центре прогнозов космической погоды ИЗМИРАН на десятках событий с положительным результатом.

Личный вклад автора

Во всех исследованиях, изложенных в работе, автор принимал активное участие в постановке задач, решении методических вопросов, обработке и анализе данных, обсуждении, интерпретации полученных результатов и написании статей. Автор проделал большую работу по обработке и анализу экспериментальных данных мировой сети станций космических лучей. Абуниным A.A. лично разработаны основные пакеты программ необходимых для исследования.

Кроме научной работы Абунин A.A. принимает деятельное участие в обеспечении работоспособности системы сбора и передачи данных на сервера с нейтронных мониторов ИЗМИРАН, а также в поддержке работы зеркала международной базы данных нейтронных мониторов (nmdb), установленного в ИЗМИРАН.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведённые в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

• Десятая Баксанская молодежная школа экспериментальной и теоретической физики (БМШ ЭТФ), Приэльбрусье, учебно-научная база КБГУ, Россия, 1825 октября 2009 г.;

• European Geosciences Union General Assembly (EGU 2010), Vienna, Austria, 2-7 May 2010;

• 31-я Всероссийская конференция по космическим лучам (ВККЛ), Москва, Россия, 5-9 июля 2010 г.;

• 22nd European Cosmic Ray Symposium (ECRS 2010), Turku, Finland, 3-6 August, 2010;

• 32nd International Cosmic Ray Conference (ICRC 2011), Beijing, China, 11-18 August, 2011;

• 7th Scientific Conference with international participation (SES 2011) «Space, Ecology, Safety», Sofia, Bulgaria, 29 November- 1 December, 2011;

• 1-я ежегодная конференция "Физика плазмы в солнечной системе", ИКИ, Москва, Россия, 6—10 февраля 2012 г.;

• IX Конференция молодых ученых «Фундаментальные и прикладные космические исследования», ИКИ, Москва, Россия, 12-13 апреля 2012 г.;

• Научная конференция «Базы данных, инструменты и информационные основы полярных геофизических исследований», г. Троицк, ИЗМИРАН, Россия, 22-26 мая 2012 г.;

. 23rd European Cosmic Ray Symposium (ECRS 2012), MSU, Moscow, Russia, 3-7 July, 2012;

• 32-я Всероссийская конференция по космическим лучам (ВККЛ), МГУ, Москва, Россия, 3—7 июля 2012 г.;

• XI Russian-Chinese conference on space weather Irkutsk, Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS, 3-8 September 2012;

• Всероссийская конференция, посвященная 50-летию ИКФИА СО РАН «Космические лучи и гелиосфера», Якутск, Россия, 17-18 сентября 2012 г.;

• 8th Scientific Conference with international participation (SES 2012) «Space, Ecology, Safety», Sofia, Bulgaria, 4-6 December, 2012;

• 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC 2013), Rio de Janeiro, Brazil, 2-9 July, 2013.

Публикации

Соискатель имеет 18 опубликованных работ, из них по теме диссертации опубликовано 18 научных работ общим объёмом 8 печатных листов, из которых 14 работ входят в список SCOPUS, 12 - в Web of Science. В том числе 4 статьи в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций, а также 3 работы в зарубежных научных изданиях; 11 работ из 18-ти опубликовано в материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов.

Структура и содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Ее объем составляет 155 страниц. В диссертации содержится 59 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 205 наименований.

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель исследования, аргументирована научная новизна, показана научно-практическая значимость и достоверность полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения и их

апробация докладами на ряде конференций и публикациями, а также кратко излагается содержание работы.

В первой главе представлен обзор современного состояния исследований Форбуш-эффектов (ФЭ). Освещаются основные инструменты [5*] (раздел 1.2) и методы исследования (раздел 1.3) вариаций галактических космических лучей (КЛ), в частности, описан метод глобальной съемки (GSM), с помощью которого получают основные характеристики KJ1 для различных видов анализа. Данный метод позволяет устранить ряд проблем, касающихся качества и непрерывности используемых данных. В разделе 1.4 освещаются преимущества GSM перед использованием данных отдельной станции космических лучей.

В разделе 1.5 описывается база данных транзиентных явлений в космических лучах и межпланетной среде [2,3]. В ней вариации плотности и анизотропии КЛ, полученные методом глобальной съемки, объединены с солнечными, межпланетными и геомагнитными характеристиками. База данных содержит около 6500 событий и охватывает более чем полувековой период наблюдений КЛ (1957-2012 гг.), В текущем разделе показано как усовершенствовалась рассматриваемая база данных. Во-первых, было выполнено её расширение за счёт добавления новых событий за пять лет (20082012 гг.). Во-вторых, были добавлены новые параметры, характеризующие межпланетные возмущения (например, суммарный магнитный поток диммингов и постэруптивных аркад продольного поля на уровне фотосферы). В-третьих, проверялись и уточнялись данные по более ранним событиям. В-четвёртых, были обнаружены и исправлены ряд внутренних ошибок в подпрограммах базы данных.

Во второй главе рассматриваются ФЭ и их связь с межпланетными и геомагнитными возмущениями. В разделе 2.1 даётся краткий обзор параметров, характеризующих явление (см. напр. [1*,11*]). В разделе 2.2 представлена классификация эффектов. В разделе 2.3 проведен статистический сравнительный анализ большого количества событий [1*,8*,9*] с целью изучения связи различных характеристик ФЭ между собой и с параметрами межпланетной среды. Анализ проводился для двух различных групп, объединяющих события, которые начались с приходом к Земле межпланетной ударной волны, и события с постепенным началом, которые не сопровождались ни внезапным началом геомагнитной бури (SSC), ни ударной волной. Наличие ударной волны и SSC позволяет косвенно разделить все события по типу источника. Разумеется, нельзя предполагать, что такое деление полностью соответствует делению по солнечным источникам. Ударные волны у Земли иногда наблюдаются и на фронтах высокоскоростных потоков из корональных дыр. С другой стороны, множество межпланетных возмущений, созданных ICMEs, приходят к Земле без ударной волны. Тем не менее, можно утверждать, что ударные волны более характерны для событий, обусловленных корональными выбросами, и не типичны для событий, связанных с корональными дырами.

В ходе анализа было выявлено, что зависимости величины Форбуш-понижения (ФП) от параметров межпланетных возмущений существенно различаются для выделенных групп событий при прочих равных условиях.

2 4 6 8 10

Величина Форбуш-эффекта, %

5 10 15 20 25

КЛ, (характеристика возмущения солнечного ветра)

Рис. 1. Распределения величин Форбуш-понижений в группах событий с 55С и без 55С (о); зависимость величины Форбуш-эффекта от параметра, характеризующего возмущенность солнечного ветра (УтНт) (б).

На рис. 1 а показаны распределения событий по величине ФП (Аг)- Из рисунка видно, что максимум распределения событий без 55С является более узким и сдвинут влево (в область меньших величин эффекта) относительно максимума событий группы с 55С. Кроме того, большие значения величины (>6%) ФП свойственны только для событий из группы с 55С.

На рис. 16 показана зависимость величины ФЭ от степени возмущённости солнечного ветра. В качестве параметра, характеризующего возмущенность межпланетной среды было взято произведение скорости и величины магнитного поля, максимальных для данного возмущения, поскольку эта характеристика лучше всего коррелирует с величиной ФП. Параметр У„,Нт нормирован следующим образом:

у н =^ма^хНШХ т т т/ тт

К М0

где V,, и В0 - параметры невозмущенной межпланетной среды (обычно используются К0 = 400 км/с, В0 = 5 нТл). Из рисунка видно, что события с ударной волной сопровождаются более сильными возмущениями межпланетной среды, по сравнению с событиями без ударной волны. Важно отметить, что при одном и том же уровне возмущённости в рассматриваемых группах наблюдаются различные по амплитуде эффекты. То есть сам механизм модуляции КЛ в данных группах различен. В разделе представлено сравнение

и других параметров.

Основной причиной различий, по-видимому, является то, что события с внезапным началом в большей мере обусловлены корональными выбросами, в то время как значительная часть событий другой группы - высокоскоростными потоками плазмы из корональных дыр [1*,8*,9*].

В разделе 2.4 анализируются ФЭ, обусловленные спорадическими

солнечными источниками с различной гелиодолготой [3*,15*]. Всего анализировалось 334 события из базы данных транзиентных явлений в космических лучах и межпланетной среде. Рассматривались только нерекуррентные события, идентифицированные с соответствующими солнечными источниками. Кроме того, чтобы избавиться от наложения эффектов рассматривались события, которые отделены от соседних как минимум на 48 часов (или величина Ар предыдущего эффекта не превышала 1.5%).

Все рассматриваемые события были поделены на пять групп в зависимости от местоположения источника на видимом солнечном диске: Е91-Е46, Е45-Е16, Е15-1У15, 1У16-1¥45, 1У46-1¥91. А затем в каждом секторе были найдены средние величины ФП (см. рис. 3, верхняя кривая). Важно отметить, что в данном случае мы получаем завышенные оценки эффективности выбросов, так как из центральной зоны к Земле приходят практически все возмущения, а из других зон - только их часть (т.е. отфильтровывается часть слабых событий).

Гелиодолгота источника, 0 Рис. 3. Зависимость величины Форбуш-эффекта от гелиодолготы соответствующего источника.

Для более точной оценки среднего эффекта от нецентральных выбросов, следовало бы добавить часть событий с нулевой величиной (нижняя кривая на рис. 3). В результате реальная разница в величине ФП между центральным и периферийными секторами заметно увеличивается.

В ходе анализа впервые была получена количественная зависимость амплитуды ФЭ от местоположения источника на солнечном диске. В частности, события связанные с центральными солнечными источниками характеризуются более глубокими ФП, чем от периферийных, а восточные источники, в целом, эффективнее западных в понижении плотности КЛ.

Раздел 2.5 посвящен анализу связей между различными параметрами

корональных выбросов (скоростей, угловых размеров, массы и т.д.) и величины ФП. Было выявлено, что корональные выбросы, сопровождающие ФЭ, заметно отличаются от ГСМЕб, которые эти эффекты не создают. У первых существенно выше скорости (транзитная, проекционная и др.), больше угловые размеры и они массивнее. Выявленные связи характеристик ЮМЕ (особенно скорости и углового размера) и величины ФП, позволяют оценивать ожидаемую эффективность коронапьного выброса в модуляции КЛ. Однако объективные трудности в количественном описании СМЕ накладывают определенные ограничения на применимость полученных соотношений. По-видимому, в проблеме «СМЕ - ФЭ» разумно не ограничиваться непосредственными наблюдениями СМЕбЛСМЕз, а привлекать сопутствующие данные, например, наблюдения солнечных эрупций (см. главу 4 диссертации). То, что серьезное изучение ФЭ невозможно без изучения СМЕэЛСМЕб, не требует доказательств, но и ФП могут оказаться весьма полезными при изучении корональных выбросов. Одной из проблем исследований СМЕб/ЮМЕз является отсутствие какой-либо обобщающей характеристики их мощности (чего-то подобного баллу рентгеновской вспышки), позволяющей сравнивать эффективность различных корональных выбросов. Такую интегральную характеристику, видимо, следует искать за пределами наблюдений корональных выбросов. Одним из кандидатов на это место является величина Форбуш-понижения.

Третья глава посвящена изучению событий 19-го цикла солнечной активности, имеющего целый ряд отличий от других. Во-первых, ни в каком другом цикле за последние 250 лет на Солнце не было столько пятен. Максимум 19-го цикла почти вдвое превосходит максимум среднего цикла. Во-вторых, именно в начале данного цикла (в феврале 1956 г.) наблюдалось самое большое наземное возрастание солнечных КЛ (аЕ05), которому уделено много внимания в ряде работ (см., напр., [4,11,12]). И хотя с тех пор были зарегистрированы сотни протонных событий и десятки наземных возрастаний -все они на порядок и более уступают событию 1956 г. В-третьих, в сентябре 1957 г. наблюдалась самая высокая среднемесячная геомагнитная активность за последние 82 года, а из трёх самых активных месяцев - два принадлежат именно 19-му циклу. В-четвёртых, на этот цикл приходится 1/3 часть от всех исключительно больших геомагнитных бурь (ГМБ), произошедших в семи последних циклах.

Все эти факты дают возможность утверждать, что в 19-м цикле Солнце было особенно активно и, если мы хотим знать, насколько опасными могут быть экстремальные проявления солнечной активности, мы обязаны возвращаться к событиям именно этого цикла.

Отметим, что в то время практически не было измерений солнечного ветра, наблюдений рентгеновских и гамма-вспышек, данных о корональных выбросах и т.д., но велись непрерывные наземные наблюдения КЛ. Эти данные, наряду с измерениями геомагнитной активности, являются одними из немногих видов непрерывных наблюдений, позволяющих судить о событиях 19-го цикла (1954-1964 гг.) и сравнивать их с событиями других солнечных циклов.

Сопоставление событий в КЛ с солнечной и геомагнитной активностью показало, что количество и мощность магнитных бурь в 19-м цикле соответствует аномально высокому числу солнечных пятен. Однако в этом цикле существует определённый дефицит ФЭ с очень большими величинами (Ар> 15%). Можно предложить три типа возможных объяснений: методические причины, особенности межпланетных возмущений и их воздействия на КЛ, различия в самих корональных выбросах.

Анализ имеющихся данных приводит к заключению, что методические причины и различия в межпланетных возмущениях могут повлиять на характеристики ФЭ, но это влияние не того рода, чтобы объяснить дефицит очень больших ФП в период высокой солнечной и геомагнитной активности [2*,10*]. Одним из возможных объяснений может служить то, что корональные выбросы 19-го цикла чем-то отличались от более поздних СМЕэЛСМЕз, и это отличие существенно для модуляции КЛ. Кроме того, это отличие должно по-разному сказываться на геомагнитной активности и модуляции КЛ. Главными характеристиками ЮМЕб, влияющими на уровень геомагнитной активности являются скорость солнечного ветра и величина В. компоненты ММП. Большое количество очень больших и исключительно больших ГМБ ясно свидетельствуют о том, что в 19-м цикле было много корональных выбросов с высокой скоростью и сильным магнитным полем. Эти же характеристики обычно определяют и глубину ФП. Разница в том, что для величины ФП важен ещё и глобальный размер возмущения. При прочих равных условиях, чем больше размер ЮМЕ, тем больше должен быть ФЭ, им созданный. Мощность же магнитной бури от размеров коронального выброса не зависит, а определяется локальными характеристиками возмущения непосредственно в точке взаимодействия его с магнитосферой Земли.

Эти рассуждения заставляют предположить, что размеры корональных выбросов (по крайней мере, наиболее мощных из них) в 19-м цикле были, в целом, меньше, чем размеры выбросов в более поздних циклах.

В четвёртой главе излагаются основы новой методики ранней диагностики геоэффективности нерекуррентных источников геомагнитных бурь и Форбуш-понижений.

Одной из важных задач солнечно-земной физики и прогнозирования космической погоды является заблаговременная оценка интенсивности ГМБ и величины ФП по наблюдаемым характеристикам уже произошедшей солнечной эрупции. Существующие алгоритмы такой диагностики основаны на измерениях скорости и формы СМЕб в картинной плоскости вблизи Солнца (см., напр., [7]).

Мы развиваем новый подход к ранней диагностике солнечных эрупций, в котором вместо проекционной скорости и формы СМЕб в качестве основного исходного параметра используется количественная характеристика эрупции -суммарный магнитный поток диммингов и постэруптивных (ПЭ) аркад продольного поля на уровне фотосферы (Ф), наблюдаемых в крайнем ультрафиолетовом (УФ) диапазоне (см., напр., [1,4*,6*,13*,14*]).

а ' i SOHO/EJT б

195 A

ШШ1ш: Шк

: . •.........• •. _ЛТ

2016/04/03

• vi COPO Vil

jb-jtjAkj.

10:27-07-59 2010/04/03

Рис. 4. Эрупция 2010/04/03 по данным SONO: (а) разностное изображение диммингов и аркады с фиксированным кадром, полученное в канале 195Á с помощью телескопа EIT; (б) MDI магнитограмма с выделенными диммингами и постэруптивной аркадой.

Димминги представляют собой крупномасштабные области пониженной яркости крайнего УФ и мягкого рентгеновского излучения, возникающие в короне в результате коронального выброса и имеющие время жизни несколько часов. Другими словами димминги - это транзиентные (т.е. временные) корональные дыры, которые располагаются рядом с центром солнечной эрупции (см., напр., [8,9,14]). Наиболее долгоживущие и глубокие димминги расположены, в основном, в основаниях расширяющегося магнитного жгута CMEs.

Увеличивающиеся в размерах ПЭ аркады ярких петель образуются на месте располагавшегося до эрупции магнитного жгута, выброшенного в виде СМЕ [13-15]. Они формируются на стадии, когда магнитное поле в обширной области короны, сильно возмущенное эрупцией СМЕ, релаксирует к новому квазиравновесному состоянию посредством магнитного пересоединения.

В целом, димминги и ПЭ аркады визуализируют крупномасштабные магнитные структуры, вовлеченные в эрупцию СМЕ (см. рис. 4). Но до сих пор, в аспекте космической погоды, они использовались как качественный индикатор, который показывал, в какую сторону распространяются ICMEs в межпланетном пространстве - движется ли выброс к Земле или эрупция произошла на обратной стороне солнечного диска (см., напр., [18]). Мы же предлагаем на основе данных о диммингах и аркадах получать количественную информацию, которая будет характеризовать мощность соответствующей эрупции.

В ходе анализа было рассмотрено около 50 событий 23-го цикла солнечной активности (1997-2008 гг.), в которых, по данным каталога CDAW ([16,17]), наряду с ФП, имели место ГМБ с индексом Dst <-100 нТл, с большой долей вероятности отождествленные с эрупцией конкретных CMEs из центральной зоны видимой полусферы Солнца в пределах ±45° от центрального меридиана.

Для оценки параметров аркад и диммингов анализировались EIT изображения Солнца в канале 195 Á [5] и MD1 магнитограммы, полученные на

БОИ О (см. [10]). Для каждого события на анализируемых изображениях производилась компенсация вращения Солнца и затем путем вычитания одного и того же изображения до события из каждого последующего получались фиксированные разностные изображения. Площадки существенных диммингов и аркад выделялись с помощью выбранных критериев относительных (не абсолютных) изменений яркости.

Чтобы оценить информативность параметра Ф, в первую очередь, анализировалась его взаимосвязь с величиной ФП (см. рис. 5), поскольку она не зависит от знака Вг компоненты магнитного поля ГСМЕб, а определяется напряжённостью магнитного поля в облаке, а также его скоростью и размерами.

тг

О) |

{Г,

■8. §

<О X X

Рис. 5. Зависимость величины Форбуш-понижения от суммарного магнитного потока диммингов и аркад: (а) уверенно отождествленные события с конкретной солнечной эрупцией в АО (■) и вне АО (А); (б) все рассматриваемые события, включая ФП с вероятным отождествлением (такие же, но светлые символы). Пунктиром обозначена выбранная полоса отклонений.

Из рисунка видно, что как для однозначно отождествлённых событий, так и для всех событий существует вполне определенная линейная зависимость величины А/.- от эруптивного магнитного потока Ф. Для однозначно отождествленных одиночных событий (рис. 5а) коэффициент корреляции между А/г и параметром Ф достигает г ~ 0.94. Для дополнительной оценки разброса точек относительно линии регрессии были введены коридоры отклонений с границами в ±0.2 от линии регрессии, но не менее 1% величины ФП. В аналитическом виде эта зависимость выглядит следующим образом:

А,.(%) =-0.3 + 0.03Ф (1)

Если рассматривать все события вне зависимости от степени отождествления с источником, то разброс точек увеличивается, а коэффициент корреляции понижается (см. рис. 56). Однако связь между амплитудой ФП и эруптивным параметром Ф остаётся по-прежнему высокой (г ~ 0.86).

Обнаруженная зависимость величины ФП от эруптивного магнитного

потока даёт основание исследовать аналогичную зависимость для интенсивности ГМБ (пока без учёта факторов, определяющих знак В, компоненты в ICME у Земли). Как и ожидалось, между величиной Dst индекса и параметром Ф наблюдается более слабая связь, чем в случае с амплитудой ФП. Тем не менее, коэффициенты корреляций для различных групп событий по-прежнему остаются высокими. В аналитическом виде эта зависимости выглядят следующим образом: _

Dst{nTn) = 30-13,]Ф + 53 (2)

Коэффициент корреляции между наблюдаемыми величинами Dst и рассчитанными по формуле (2) достигает г ~ 0.67. Тем не менее, даже при наличии высокой корреляции наблюдается довольно большой разброс точек. Вероятно, основная причина в том, что мы не учитываем факторы, определяющие знак В, компоненты в выбросе.

При ходе дальнейшего анализа оказалось, что от эруптивного магнитного потока зависят не только величины ГМБ и ФП, но и их временные параметры -транзитные времена начала и пика возмущения. Они рассчитывались как интервалы между моментом максимума мягкого рентгеновского всплеска (по данным GOES), связанного с рассматриваемой эрупцией, и: ДТ0 — временем прихода к Земле соответствующей ударной волны (SSQ; Д7> — временем пика геомагнитной бури. В аналитическом виде эти зависимости могут быть представлены как:

ДГо(ч) = 98/(1+0.0044Ф) (3)

АТР (ч) = 118/(1+0.0044Ф) (4)

Коэффициент корреляции между рассчитанными по формуле (3) и наблюдаемыми величинами ДТ0 для однозначно отождествленных событий достигает г я 0.84. Аналогичная ситуация наблюдается, если рассматривать зависимость транзитного времени пика возмущения от эруптивного параметра Ф - коэффициент корреляции между наблюдаемыми величинами Д ТР и транзитными временами, рассчитанными по формуле (4) для однозначно отождествленных событий достигает /--0.81.

В качестве эксперимента раннее прогнозирование возмущений космической погоды по результатам диагностики солнечных эрупций проводилось в Центре прогнозов космической погоды ИЗМИРАН и дало, в целом, положительные результаты.

В результате исследования по данным 23-го цикла солнечной активности установлены зависимости между количественными параметрами солнечных эрупций, с одной стороны, и характеристиками соответствующих нерекуррентных возмущений, проявляющихся в виде интенсивных ГМБ (с £W<-100 нТл), и ФП - с другой. В качестве исходного параметра впервые использовался суммарный магнитный поток диммингов и постэруптивных аркад продольного поля (Ф) на уровне фотосферы. Приведённые выше результаты показывают, что параметры межпланетных возмущений, вызванные CMEs/lCMEs, в значительной степени определяются энергетикой и

пространственными размерами солнечных эрупций, несмотря на множество других факторов, влияющих на распространение корональных выбросов от Солнца до Земли. Это особенно справедливо для мощных (в терминах магнитного потока) эрупций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

I. Усовершенствована и обновлена базы данных транзиентных явлений в космических лучах и межпланетной среде (добавлены новые события, проверена и уточнена информация по ранним событиям, добавлены новые параметры, характеризующие солнечные и межпланетные возмущения).

II. Выполнен статистический сравнительный анализ Форбуш-эффектов с внезапным (совпадающим с внезапным началом геомагнитной бури - SSQ и постепенным (без SSQ началами. Получены количественные зависимости, характеризующие связь величины Форбуш-эффекта с параметрами межпланетных и геомагнитных возмущений, и показано, что они существенно различаются для выделенных групп событий. Основной причиной этих различий является то, что события с внезапным началом в большей мере обусловлены корональными выбросами (CMEs/ICMEs), в то время как значительная часть событий другой группы высокоскоростными потоками плазмы из корональных дыр.

III. Выявлена количественная зависимость величины Форбуш-понижения от гелиодолготы соответствующего источника. На основе событий 1976-2010 гг. показано, что центральные источники создают существенно большие понижения по сравнению с прилимбовыми, а восточные источники, в целом, эффективнее западных.

IV. Выявлен дефицит очень больших Форбуш-эффектов на фоне исключительно высокой солнечной и геомагнитной активности в 19-м цикле солнечной активности. Возможная причина такого дефицита в том, что размеры самых мощных корональных выбросов в 19-м цикле были меньше, чем размеры CMEs/ICMEs в более поздних циклах.

V. По данным 23-го цикла солнечной активности установлены зависимости интенсивности нерекуррентных Форбуш-понижений и геомагнитных бурь, а также транзитных времен начала и пика этих возмущений от магнитного потока ультрафиолетовых диммингов и аркад в соответствующих источниках на Солнце.

VI. Предложены основы методики ранней диагностики геоэффективности солнечных эрупций, позволяющие по измеряемому эруптивному магнитному потоку ультрафиолетовых диммингов и аркад, вызываемых CMEs, с заблаговременностью от 1 до 4 суток оценивать возможную интенсивность и временные параметры соответствующих Форбуш-понижений и геомагнитных бурь.

Публикации по теме диссертации

Статьи в реферируемых изданиях из списка ВАК:

1*. Абунин А.А., Абунина М.А., Белов А.В., Ерошенко Е.А., Оленева В.А., Янке В.Г. Форбуш-эффекты с внезапным и постепенным началом // Геомагнетизм и Аэрономия. -2012. - Т. 52. -№3.- С. 313-320.

2*. Абунин А.А., Абунина М.А., Белов А.В., Ерошенко Е.А., Оленева В.А., Янке В.Г. Форбуш-эффекты 19-го цикла солнечной активности // Изв. РАН, Сер. физ. — 2013. — Т. 77,-№5.-С. 599-601.

3*. Абунина М.А., Абунин А.А., Белов А.В., Ерошенко Е.А., Асипенка А.С., Оленева В.А., Янке В.Г. Связь параметров форбуш-эффектов с гелиодолготой солнечных источников // Геомагнетизм и Аэрономия. -2013.-Т. 53.-№1. —С. 13-22.

4*. Черток И.М., Абунин А.А., Белов А.В., Гречнев В.В. Зависимость характеристик Форбуш-эффектов от параметров солнечных эрупций // Изв. РАН, Сер. физ.-2013.-Т. 77.-№5.-С. 615-617.

5*. Abunin A.A., Pletnikov E.V., Shchepetov A.L., Yanke V.G. Efficiency of detection for neutron detectors with different geometries // Bull. Rus. Acad. Sci., Phys. - 2011. - V. 75. - P. 866-868.

6*. Chertok I.M., Grechnev V.V., Belov A.V., Abunin A.A. Magnetic flux of EUV arcade and dimming regions as a relevant parameter for early diagnostics of solar eruptions - sources of non-recurrent geomagnetic storms and Forbush decreases//Solar Phys.-2013.-V. 282.-P. 175-199.

7*. Papaioannou A., Malandraki O., Belov A., Skoug R., Mavromichalaki H., Eroshenko E., Abunin A., Lepri S. On the analysis of the complex Forbush decreases of January 2005 // Solar Phys. - 2010. - V. 266. - P. 181-193.

Труды конференций:

8*. Абунин А.А. Связь величины Форбуш-эффекта с внутренними и внешними параметрами // Труды 10й БМШ ЭТФ. -2010. - Т. 2. - С. 74-81.

9*. Abunin A.A., Abunina М.А., Belov A.V., Eroshenko Е.А., Oleneva V.A., Yanke V.G. Forbush-effects with sudden and gradual storm commencement // Proc. 32nd Int. Cosmic Ray Conf., Beijing, 2011. V. 10. P. 278-281.

10*. Abunin A.A., Abunina M.A., Belov A.V., Eroshenko E.A., Oleneva V.A., Yanke V.G. Forbush-decreases in 19th solar cycle // J. Phys.: Conf. Ser. - 2013. - V. 409. - DOI: 10.1088/1742-6596/409/1/012165.

11*. Abunina M., Abunin A., Belov A., Eroshenko E., Oleneva V., Yanke V. Long term variations of the amplitude-phase interrelation of the cosmic ray anisotropy first harmonic // J. Phys.: Conf. Ser. - 2013. - V. 409. - DOI: 10.1088/17426596/409/1/012163.

12*. Abunina M., Papaioannou A., Gerontidou M., Paschalis P., Abunin A., Gaidash S., Tsepakina I., Malimbayev A., Belov A., Mavromichalaki H., Kryakunova O., Velinov P. Forecasting geomagnetic conditions in near-Earth space // J. Phys.: Conf. Ser. -2013. -V. 409. - DOI:10.1088/1742-6596/409/l/012197.

13*. Chertok 1.М., Grechnev V.V., Belov A.V., Abunin A.A., Abunina M.A.

Magnetic flux of EUV arcades and dimmings as a relevant parameter to early diagnose solar eruptions - sources of non-recurrent geomagnetic storms and Forbush decreases // Proc. 9th Russian-Chinese conference on space weather. -2012.-P. 6-7.

14*. Chertok I.M., Abunin A.A., Belov A.V., Grechnev V.V. Dependence of Forbush-decrease characteristics on parameters of solar eruptions // J. Phys.: Conf.Ser.-2013.-V. 409.-DOI: 10.1088/1742-6596/409/1/012150.

15*. Krivosheeva M.A., Abunin A.A., Belov A.V., Eroshenko E.A., Oleneva V.A., Yanke V.G., Osipenko A.S. Relation of the Forbush-effect parameters to the heliolongitude of the solar sources // Proc. 32nd Int. Cosmic Ray Conf., Beijing, 2011. V. 10. P. 274-277.

16*. Kryakunova O., Malimbayev A., Nikolayevskiy N., Tsepakina I., Belov A., Abunin A., Abunina M., Eroshenko E., Oleneva V., Yanke V. Influence of highspeed streams from coronal holes on cosmic ray intensity in 2007 // J. Phys.: Conf. Ser. - 2013. - V. 409. - DOI: 10.1088/1742-6596/409/1/012181.

17*. Mavromichalaki H., Papaioannou A., Gerontidou M., Papailiou M„ Plainaki C., Belov A., Eroshenko E., Abunin A., Abunina M., Yanke V. Cosmic ray events in the beginning of 2012 // J. Phys.: Conf. Ser. - 2013. - V. 409. -DOI: 10.1088/1742-6596/409/1/012206.

18*. Papaioannou A., Belov A., Mavromichalaki H., Eroshenko E., Yanke V., Asvestari E., Abunin A., Abunina M. The first Forbush decrease of solar cycle 24 // J. Phys.: Conf. Ser. - 2013. - V. 409. - D01:10.1088/1742-6596/409/1/012202.

Цитируемая литература

1. Черток И.М., А.В. Белов, В.В. Гречнев. Зависимость величины Форбуш-понижений от параметров солнечных эрупций // Изв. РАН, Сер. Физ. -2011.-Т. 75.-№ б. — С. 845-847.

2. Belov А.V., Eroshenko Е.А., Yanke V.G. Modulation Effects in 1991-1992 Years // Proc. 25th Int. Cosmic Ray Conf. - 1997. - V. 1. - P. 437-440.

3. Belov A.V., Eroshenko E.A., Yanke V.G. Cosmic ray effects caused by great disturbances of the interplanetary medium in 1990-1996 // Proc. 26th Int. Cosmic Ray Conf. - 1999. -V. 6. - P. 431^134.

4. Belov A.V., Eroshenko E.A., Yanke V.G., Mavromichalaki E. Proton event of February 23, 1956 according to neutron monitor data // Bull. Russ. Acad. Sci., Phys. - 2006. - V. 69. - N. 6. - P. 901-904.

5. Delaboudiniere J.-P., Artzner G.E., Brunaud J. et al. EIT: extreme-ultraviolet imaging telescope for the SOHO mission // Solar Phys. - 1995. - V. 162. - P. 291-312.

6. Forbush S,E. On the effects in the cosmic-ray intensity observed during the recent magnetic storm//Phys. Rev. - 1937. - V. 51.-P. 1108-1109.

7. Gopalswamy N. Coronal mass ejections and space weather // Climate and Weather of the Sun-Earth system (CAWSES): selected papers from the 2007 Kyoto Symposium. Ed. by T. Tsuda, R. Fujii, K. Shibata, and M.A. Geller.

TERRAPUB, Tokyo. - 2009. - P. 77-120.

8. Harra L.K., Mandrini C.H., Dasso S., Gulisano A.M., Steed K., Imada S. Determining the solar source of a magnetic cloud using a velocity difference technique//Solar Phys. - 2011. - V. 268. - P. 213-230.

9 Hudson H.S., Cliver E.W. Observing coronal mass ejections without coronagraphs // J. Geophys. Res. — 2001. - V. 106. - P. 25199-25214.

10. Scherrer P.H., Bogart R.S., Bush R.I. et al. The solar oscillations investigation -Michelson Doppler Imager//Solar Phys. - 1995.-V. 162.-P. 129-188.

11. Shea M.A., Smart D.F. Solar proton event patterns: the rising portion of five solar cycles // Adv. Space Res. - 2002. - V. 29. -N. 3. - P. 325-330.

12. Smart D.F., Shea M.A. Probable pitch angle distribution and spectra of the 23 February 1956 solar cosmic ray event // Proc. 21st Int. Cosmic Ray Conf. -1990,-V. 5.-P. 257-260.

13. Sterling A.C., Hudson H.S., Thompson B.J., Zarro D. Yohkoh SXT and SOHO E1T observations of sigmoid-to-arcade evolution of structures associated with halo coronal mass ejections // Astrophys. J. - 2000. - V. 532. - P. 628-647.

14. Thompson B.J., Plunkett S.P., Gurman J.B., Newmark J.S., St. Cyr O.C., Michels D.J. SOHO/EIT observations of an Earth-directed coronal mass ejection on May 12, 1997//Geophys. Res. Lett. - 1998.- V. 25.-P. 2465-2468.

15. Tripathi D., Bothmer V., Cremades H. The basic characteristics of EUV posteruptive arcades and their role as tracers of coronal mass ejection source regions // Astron. Astrophys. - 2004. - V. 422. - P. 337-349.

16. Zhang J., Richardson I.G., Webb D.F. et al. Solar and interplanetary sources of major geomagnetic storms (Dst ^100 nT) during 1996-2005 // J. Geophys. Res. - 2007a. - V. 112. - A10102. - DOI: 10.1029/2007JA012321.

17. Zhang J., Richardson I.G., Webb D.F. et al. Correction to "Solar and interplanetary sources of major geomagnetic storms (Dst <-100 nT) during 1996-2005" // J. Geophys. Res., - 2007b. - V.112. - A12103. - DOI: 10.1029/2007J AO 12891.

18. Zhukov A.N. Solar sources of geoeffective CMEs: a SOHO/EIT view // Proc. IAU Symp. - 2005. - №226. - P. 437-447.

Подписано в печать 02.04.2014. Формат 60x84/16. Печ. л.1,25 . Заказ 8897. Тираж 100 экз.

Типография ООО «ТРОВАНТ». ЛР № 071961 от 01.09.99. 142191, г.Москва, г. Троицк, м-н «В», д.52. Тел. (495) 775-43-35, (495) 851-09-67, 850-21-81 mvw.trovant.ru E-mail: tan@trovant.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по астрономии, кандидата физико-математических наук, Абунин, Артём Анатольевич, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА, ИОНОСФЕРЫ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН ИМ. Н.В. ПУШКОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

04201 4 5 ii з h На правах рукописи

Абунин Артём Анатольевич

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОРБУШ-ЭФФЕКТОВ И ИХ СВЯЗЬ С СОЛНЕЧНЫМИ, МЕЖПЛАНЕТНЫМИ И ГЕОМАГНИТНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ

Специальность 01.03.03 - Физика Солнца

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Белов A.B.

Москва-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. Обзор современного состояния исследований Форбуш-эффектов. Средства и методы изучения вариаций галактических космических лучей......11

1.1. Современное состояние вопроса...................................................................11

1.2. Мировая сеть станций космических лучей..................................................17

1.2.1. Сеть нейтронных мониторов...................................................................18

1.2.2. Мюонные телескопы................................................................................21

1.3. Метод глобальной съемки.............................................................................22

1.3.1. Практическое использование метода глобальной съемки...................28

1.4. Преимущества метода глобальной съемки перед использованием данных отдельных станций космических лучей..............................................................38

1.5. База данных Форбуш-эффектов и межпланетных возмущений................45

1.6. Краткие выводы к главе 1..............................................................................48

Глава 2. Форбуш-эффекты и их связь с межпланетными и геомагнитными возмущениями...........................................................................................................49

2.1. Основные характеристики Форбуш-эффектов............................................50

2.2. Классификация Форбуш-эффектов...............................................................55

2.3. Форбуш-эффекты с внезапным и постепенным началами.........................60

2.3.1. Зависимость величины Ар от внутренних параметров Форбуш-эффекта................................................................................................................68

2.3.2. Зависимость амплитуды Форбуш-эффекта от параметров возмущения межпланетной среды..........................................................................................70

2.3.3. Связь Форбуш-эффектов с геомагнитной активностью......................72

2.4. Связь параметров Форбуш-эффектов с гелиодолготой нерекуррентных солнечных источников..........................................................................................74

2.5. Связь параметров корональных выбросов и амплитуды Форбуш-эффектов .................................................................................................................77

2.5.1. Размер, масса и скорость корональных выбросов................................79

2.5.2. Связь скорости межпланетных возмущений и величины Форбуш-

эффекта................................................................................................................82

2.5.3. Связь величины Форбуш-эффекта с угловыми размерами

коронального выброса.......................................................................................85

2.6. Краткие выводы к главе 2..............................................................................88

Глава 3. Изучение событий 19-го цикла солнечной активности по данным нейтронных мониторов.............................................................................................90

3.1. Используемые данные....................................................................................90

3.2. Отличия 19-го цикла от последующих циклов солнечной активности.... 92

3.3. Форбуш-эффекты и геомагнитные бури 19-го цикла.................................93

3.4. Возможные объяснения дефицита Форбуш-эффектов в 19-м цикле солнечной активности...........................................................................................98

3.5. Краткие выводы к главе 3............................................................................100

Глава 4. Основы ультрафиолетовой/магнитной диагностики геоэффективности нерекуррентных источников геомагнитных бурь и Форбуш-понижений........101

4.1. Методика и используемые данные.............................................................106

4.1.1. Рассматриваемые события....................................................................106

4.1.2. Анализируемые параметры...................................................................108

4.1.3. Таблица событий....................................................................................113

4.2. Величина Форбуш-понижения как индикатор информативности эруптивного параметра Ф...................................................................................116

4.3. Зависимость интенсивности геомагнитных бурь от эруптивного магнитного потока...............................................................................................119

4.4. Временные характеристики возмущений межпланетной среды.............123

4.5. Апробация разработанной методики ранней диагностики геоэффективности солнечных эрупций.............................................................129

4.6. Основные результаты и выводы главы 4...................................................131

Заключение..............................................................................................................134

Литература...............................................................................................................136

Введение

Форбуш-эффекты - это изменения плотности и анизотропии космических лучей в крупномасштабных возмущениях солнечного ветра. Впервые они были отмечены как эффекты понижения интенсивности космических лучей, совпадающие с геомагнитными бурями, в 1937 году американским физиком Форбушем [89] и названы его именем. Существуют два основных типа возмущений солнечного ветра: спорадические и рекуррентные. К первым относятся корональные выбросы (CMEs - coronal mass ejections), которые при распространении от Солнца трансформируются в межпланетные облака ICMEs; ко вторым - вращающиеся вместе с Солнцем высокоскоростные потоки плазмы из корональных дыр. Оба этих типа могут вызвать отклик в вариациях космических лучей, однако механизм дополнительной модуляции при этом будет различным.

Актуальность

практически важными для астрофизики космических лучей, физики солнечно-земных связей, геофизики и прогнозирования космической погоды.

Цель работы

1. Статистический сравнительный анализ Форбуш-эффектов с внезапным (совпадающим с внезапным началом геомагнитной бури - и постепенным (без ^С) началами.

2. Исследование зависимости величины Форбуш-эффекта от гелиодолготы солнечного источника.

3. Анализ событий 19-го цикла солнечной активности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

западных в понижении плотности космических лучей.

■ Впервые выявлен дефицит очень больших (>15%) Форбуш-эффектов на фоне исключительно высокой солнечной и геомагнитной активности в 19-м солнечном цикле и предлагаются возможные объяснения этого дефицита.

■ Впервые установлены зависимости интенсивности нерекуррентных Форбуш-понижений и геомагнитных бурь, а также времен запаздывания начала и пика этих возмущений относительно солнечных событий - от магнитного потока ультрафиолетовых диммингов и аркад в соответствующих источниках на Солнце.

Научная и практическая значимость работы

Положения, выносимые на защиту

3. Количественная зависимость величины Форбуш-эффекта от гелиодолготы соответствующего источника.

6. Основы методики ранней диагностики геоэффективности солнечных эрупций.

Достоверность результатов

Структура и содержание диссертации

апробация докладами на ряде конференций и публикациями, а также кратко излагается содержание работы.

В первой главе представлен обзор современного состояния исследований Форбуш-эффектов. Освещаются основные инструменты и методы исследования вариаций галактических космических лучей.

Во второй главе рассматриваются Форбуш-эффекты и их связь с межпланетными и геомагнитными возмущениями. В разделе 2.1 даётся краткий обзор параметров, характеризующих явление. В разделе 2.2 представлена классификация эффектов. В разделе 2.3 проведен статистический сравнительный анализ большого количества событий с целью изучения связи различных характеристик Форбуш-эффектов между собой и с параметрами межпланетной среды. В разделе 2.4 анализируются события, обусловленные спорадическими солнечными источниками с различной гелиодолготой. Раздел 2.5 посвящен анализу связей между различными параметрами корональных выбросов (скоростей, угловых размеров, массы и т.д.) и величиной Форбуш-эффекта.

Третья глава посвящена изучению событий 19-го цикла солнечной активности, имеющего целый ряд отличий от других. Сопоставление событий в КЛ с солнечной и геомагнитной активностью показало, что количество и мощность магнитных бурь в 19-м цикле соответствует аномально высокому числу солнечных пятен. Однако в этом цикле существует определённый дефицит ФЭ с очень большими величинами {АР> 15%). В главе анализируются возможные причины этого дефицита.

В четвёртой главе излагаются основы новой методики ранней диагностики геоэффективности нерекуррентных источников геомагнитных бурь и Форбуш-понижений. В качестве основного исходного параметра используется не информация о скорости и форме СМЕ в картинной плоскости,

а суммарный магнитный поток диммингов и постэруптивных аркад на уровне

фотосферы.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы

диссертационной работы.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведённые в диссертации,

докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:

• European Geosciences Union General Assembly (EGU 2010), Vienna, Austria, 2-7 May 2010;

• 31-я Всероссийская конференция по космическим лучам (BKKJI), Москва, Россия, 5-9 июля 2010 г.;

• 22nd European Cosmic Ray Symposium (ECRS 2010), Turku, Finland, 3-6 August, 2010;

• 32nd International Cosmic Ray Conference (ICRC 2011), Beijing, China, 11-18 August, 2011;

• 7th Scientific Conference with international participation (SES 2011) «Space, Ecology, Safety», Sofia, Bulgaria, 29 November - 1 December, 2011;

• 7-я ежегодная конференция "Физика плазмы в солнечной системе", ИКИ, Москва, Россия, 6-10 февраля 2012 г.;

• 23rd European Cosmic Ray Symposium (ECRS 2012), MSU, Moscow, Russia,

3-7 July, 2012;

• 32-я Всероссийская конференция по космическим лучам (BKKJI), МГУ, Москва, Россия, 3-7 июля 2012 г.;

• XI Russian-Chinese conference on space weather Irkutsk, Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS, 3-8 September 2012;

• 8th Scientific Conference with international participation (SES 2012) «Space, Ecology, Safety», Sofia, Bulgaria, 4-6 December, 2012.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, из которых 14 работ входят в список SCOPUS, 12 - в Web of Science, 7 - в реферируемых научных изданиях из списка ВАК.

Личный вклад автора

Кроме научной работы Абунин A.A. принимает деятельное участие в обеспечении работоспособности системы сбора и передачи данных на сервера с нейтронных мониторов ИЗМИРАН, а также в поддержке работы зеркала международной базы данных нейтронных мониторов (NMDB), установленного в ИЗМИРАН.

Глава 1. Обзор современного состояния исследований Форбуш-эффектов. Средства и методы изучения вариаций галактических космических лучей

1.1. Современное состояние вопроса

Модуляция галактических космических лучей (ГКЛ) происходит в результате их взаимодействия с неоднородностями магнитного поля в солнечном ветре. Таким образом, космические лучи (КЛ) несут в себе информацию о состоянии межпланетной среды, и если в ней имеются возмущения, то они будут отражены в вариациях КЛ. Влиянию межпланетных магнитных полей (ММП) подвержены частицы в широком энергетическом диапазоне: от десятков кэВ до сотен ГэВ. Эти частицы регистрируются спутниковой (низкие энергии) и наземной аппаратурой (с энергиями от единиц до сотен ГэВ), что делает КЛ серьезным инструментом для исследования магнитных неоднородностей в возмущениях солн�