Космические лучи на фазе спада максимума 22 цикла солнечной активности. Анализ данных ИСЗ КОРОНАС-И тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

Б ОД

______ л На правах рукописи

УДК 537.591.8

Дмитриев Алексей Владимирович

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ НА ФАЗЕ СПАДА МАКСИМУМА 22 ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ. АНАЛИЗ ДАННЫХ ИСЗ КОРОНАС-И.

01.04.08 - физика и химия плазмы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1996 г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор С.Н. Кузнецов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Г.А. Базилевская

доктор физико-математических наук

H.H. Контор

Ведущая организация: Иститут земного магнетизма,

ионосферы и распространения радиоволн Российской Академии Наук (г. Троицк)

Защита состоится " .Т " ^mlaJ^aS 1996 года в fS0^ часов на заседании диссертационного совета К053.05.24 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу : 119899, г. Москва, Воробьевы горы, НИИЯФ МГУ, 19-ый корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ

Автореферат разослан "2°)" 1996 года

Ученый секретарь у

диссертационного Совета К053.05.24

доктор физико-математических наук / ^Ю.А. Фомин

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Исследования космических лучей о околоземном космическом пространстве с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ) остаются актуальными, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, накопленный в этой области за практически четыре десятилетия космической эры. ИСЗ позволяют исследовать на фоне галактических космических лучей (ГКЛ) генетически связанное с ними избыточное излучение, и, таким образом, решать проблемы физики околоземного пространства. Спутники с большим наклонением орбиты в полярных областях магнитосферы дают информацию о потоках солнечных космических лучей (СКЛ) и частиц, ускоренных на межпланетных ударных волнах, позволяя решать проблемы физики Солнца и межпланетной среды.

Избыточное излучение обусловлено, в основном, частицами альбедо, образованными в результате ядерных взаимодействий ГКЛ с веществом земной атмосферы. Значительную долю в потоках частиц альбедо составляют электроны, которые несут важную информацию о механизмах образования альбедного излучения. До сих пор не определен спектр электронов альбедо с энергией < Ю МзВ и их вклад в потоки проникающей радиации.

Ускорение частиц на межпланетных ударных волнах определяется топологией межпланетного магнитного поля (ММП) и условиями в межпланетной среде, зависящими прежде' всего от активности Солнца. Одновременные наблюдения квазистационарных рекуррентных потоков заряженных частиц, потоков плазмы солнечного ветра и ММП на различных гелиоширотах, впервые ставшие возможными на фазе спада солнечной активности в 1993-1994 годах, когда космический аппарат (КА) Ulysses поднялся на высокие гелиошироты >30°S, позволяют определить трехмерную структуру потоков плазмы солнечного ветра и ММП, которая является квазистационарной в период спокойного Солнца.

Потоки СКЛ несут информацию об ускорительных процессах на Солнце, механизм которых также не установлен окончательно. Объяснение природы так называемых "проблемных событий", связанных с безвспышечной солнечной активностью, требует набора дополнительного статистического материала. Солнечное событие 14 апреля 1994 года является третьим представителем из группы "безвспыииечных" событий, для которых установлено отсутствие активной области как исгочника СКЛ на Солнце.

Современные ИСЗ дают огромный поток информации о потоках космических лучей. Для научного анализа и интерпретации экспериментальных данных необходима разработка оперативных методов компьютерной обработки больших массивов данных, получаемых с борта КА.

Цель работы.

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию потоков проникающей радиации и ее состава на высотах ^500 км, а также анализу вариаций потоков низкоэнергичных заряженных частиц в полярных областях, связанных с квазистационарными рекуррентными потоками частиц и с потоками СКЛ. Данное исследование основано на обработке информации из создаваемой компьютерной базы данных, получаемых с ИСЗ КОРОНАС-И.

Новизна работы.

1. На основе полученных экспериментальных данных определены спектры электронов с энергией >0.5 МэВ на высоте »500 км на низких (L=1-=-2) и высоких (L>7) широтах. Определен вклад электронов альбедо с энергией 2-55 МэВ в потоки проникающей радиации, который составил от »75% на экваторе до »37% на высоких широтах.

2. Проведен сравнительный анализ коротирующих потоков протонов, одновременно наблюдаемых на ИСЗ КОРОНАС-И в плоскости эклиптики и на КА Ulysses на высоких гелиоширотах («60°), из которого следует, что источником регистрируемых на ИСЗ КОРОНАС-И и на КА Ulysses частиц является коротирующая область взаимодействия, сформировавшаяся на ударных волнах, связанных с границей раздела разноскоростных потоков солнечного ветра, простирающаяся на расстояния >3 АЕ и гелиошироты (по данным КА Ulysses) от 0° до =30°S.

3. Показано, что режим ускорения СКЛ в "безвспышечном" солнечном событии 14 апреля 1994 года был длительным (несколько часов), и частицы с меньшей энергией начали ускоряться раньше более энергичных частиц, что свидетельствует в пользу стохастического ускорения заряженных частиц на ударных волнах в короне Солнца.

Научная и практическая ценность работы.

Созданная вторичная база данных комплекса приборов СКЛ ИСЗ КОРОНАС-И, включающая в себя переработанную и очищенную от сбоев первичную информацию о потоках частиц в околоземном космическом пространстве, может быть с минимальными временными затратами успешно использована для обработки данных о структуре радиационных поясов и о вариациях потоков захваченной радиации, а также для сбора и обработки информации, получаемой с других космических аппаратов.

Полученные данные о потоках электронов альбедо в магнитосфере Земри существенны для понимания природы их возникновения. Полученные на низких и высоких широтах спектры электронов с энергией >0.5 МэВ могут быть использованы для расчета радиационной обстановки на борту ИСЗ в период спада солнечной активности.

Сравнительный анализ коротирующих потоков протонов, одновременно наблюдаемых ИСЗ КОРОНАС-И в плоскости эклиптики и КА Ulysses на высоких гелиоширотах, позволяет качественно определить квазистационарную трехмерную структуру ММП в период спокойного Солнца.

Определение зависимости времени ускорения от энергии частиц СКЛ в "безвспышечном" событии на Солнце 14 апреля 1994 года которая дает дополнительную экспериментальную информацию для поиска механизмов ускорения заряженных частиц на Солнце.

На защиту выносится:

1. Вторичная база данных, получаемых с комплекса приборов СКЛ ИСЗ КОРОНАС-И, и методика компьютерной обработки этих данных.

2. Результаты измерения состава проникающей радиации на высотах полета ИСЗ КОРОНАС-И, в том числе:

а) измеренные на .низких и высоких широтах спектры электронов альбедо с энергией >0.5 МэВ;

б) величина вклада электронов альбедо с энергией 2-55 МэВ в потоки проникающей радиации.

3. Результаты сравнительного анализа коротирующих потоков протонов, одновременно наблюдаемых ИСЗ КОРОНАС-И в плоскости эклиптики и КА Ulysses на высоких гелиоширотах, показывающие независимость времени задержки максимумов коротирующих потоков, регистрируемых на КА Ulysses и на ИСЗ КОРОНАС-И, от разницы гелиодолгот спутников.

4. Результаты исследования ускорения СКЛ в "безвспышечном" солнечном событии 14 апреля 1994 года, из которых следует, что инжекция ускоренных СКЛ в межпланетную среду была длительной (несколько часов), причем низк.оэнергичные частицы были испущены раньше, чем частицы более высоких энергий.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научном семинаре НИИЯФ МГУ, на XXIV международной конференции по космическим лучам (Рим, Италия, 1995), на международном симпозиуме (Прага, Чехия, 1995), на

Всероссийской конференции по физике Солнца (Москва, 1995) и на международной конференции им. Чапмена (Боземан, США, 1996).

Публикации. Основные результаты диссертации содержаться в 5 печатных работах и в одном препринте НИИЯФ МГУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение и список литературы, занимает объем 122 страницы, включая 30 рисунков, 6 таблиц, 148 библиографических ссылок.

Содержание диссертации.

Во введении к диссертации обосновываются актуальность и научная новизна работы, указываются ее цели, рассматриваются научная и практическая ценность работы и формулируются основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе диссертации описывается назначение и характеристики детекторов, составляющих комплекс приборов СКЛ (Солнечные космические лучи), который установлен на борту ИСЗ КОРОНАС-И и экспериментальные данные с которого используются в данной работе.

Орбитальный научный комплекс КОРОНАС-И был запущен 2 февраля 1994 года на высокоширотную (наклонение =83°) круговую орбиту с высотой =500 км (период обращения «95 мин). Комплекс научной аппаратуры СКЛ, установленный на борту ИСЗ КОРОНАС-И, был создан в ОКФИ НИИЯФ МГУ, и включает в себя три прибора: СОНГ, МКЛ и СКИ-3.

В настоящей работе используются данные, полученные с комплекса СКЛ ИСЗ КОРОНАС-И за период его работы на орбите Земли в 1994-1995 годах. Полученная информация использовалась для решения следующих научных задач:

1. Состав избыточного излучения на высоте полета ИСЗ КОРОНАС-И.

2. Природа вариаций потоков низкоэнергичных протонов в полярных областях магнитосферы Земли.

3. Физика солнечных событий, не сопровождающихся вспышечной активностью.

Прибор СОНГ (Солнечные Нейтроны, Гамма-кванты) использовался для регистрации потоков и спектров 7-квантов с энергией 0.1-200 МэВ, >200 МэВ и электронов с энергиями 16-124 МэВ, а также потоков протонов с энергиями 100-300 МэВ и суммарных потоков электронов с энергией >55 МэВ и протонов с энергией >70 МэВ.

Регистрация частиц осуществляется сцинтилляционным счетчиком, состоящим из кристалла Сб1(Т1) 0 20 см и высотой 10 см. Для защиты от заряженных частиц сцинтилляционный кристалл со всех сторон окружен активной антисовпадательной защитой (АСЗ) из пластического сцинтиллятора толщиной 2 см. Верхняя часть АСЗ • диск - вместе с основным счетчиком образует телескоп для регистрации релятивистских электронов.

Прибор МКЛ (Монитор Космических Лучей) предназначен для регистрации потоков и спектров протонов с энергиями 1-300 МэВ, электронов с эергиями 0.5-12 МэВ, а также интегральных потоков электронов с энергией >1.3 МэВ и протоноп с энергией > 10 МэВ; электронов с энергией >2 МэВ и протонов с энергией >30 МэВ, электронов с энергией >2 МэВ и протонов с энергией >300 МэВ.

Регистрация частиц осуществляется двумя отдельными детекторами. Первый детектор представляет собой телескопическую систему, состоящую из сферической доли из пластического сцинтиллятора с внешним радиусом 30 мм, толщиной 7.5 мм и углом раствора 140°, в центре которой помещен полупроводниковый детектор 0 22±2 мм и толщиной 2 мм. Второй детектор является телескопической системой, состоящей из двух п-р детекторов толщиной 50 (1 и 2 мм и диаметром 14 мм и 12 мм соответственно и составного сцинтилляционного детектора типа фосфич, состоящего из кристалла Сз1 0 10 мм и высотой 10 мм, который для защиты от проникающих сбоку и снизу частиц окружен слоем пластического сцинтиллятора толщиной 10 мм.

Прибор СКИ-3 позволяет измерять потоки ядер 1Н и 4Не с энергией 1,5< Е < 19 МэВ/нукл и потоков ядер 20№ с энергией 3,7 < Е < 46 МэВ/нукл. Детекторным блоком прибора СКИ-3 является телескоп из четырёх кремниевых детекторов толщиной 25,100,200 и 2000 мкм соответственно. Величина входного угла, определяемая коллиматором равна 50°. Геометрический фактор для частиц, прошедших сквозь отверстие коллиматора и первые два (три) детектора, составляет -0,2 см2ср.

Для детекторов СОНГ и МКЛ приведены результаты расчетов эффективных геометрических факторов к регистрации потоков соответствующего сорта частиц, которые определялись из геометрических соображений методом Монте-Карло с учетом функций отклика детекторов на данные потоки.

Показано, что большой геометрический фактор прибора СОНГ позволяет с хорошей статистической точностью измерять фоновые потоки

высокоэнергных частиц; относительная чистота интегральных потоков электронов и протонов, регистрируемых приборм МКЛ с достаточно большим эффективным геометрическим фактором, также позволяют использовать его для исследования фоновых потоков радиации под поясами и в полярных областях магнитосферы Земли. Потоки электронов с энергией 0.5-1.3 МэВ и протонов в дифференциальных окнах, регистрируемые прибором МК/1, и потоки протонов с энергией 1,5< Е < 19 МэВ, регистрируемые прибором СКИ-3 могут быть использованы для исследования возрастаний потоков частиц над фоном, вследствие относительной чистоты и достаточно большого геомфактора.

Во второй главе диссертации приводится описание базы данных комплекса приборов СКЛ (БДСКЛ) и методики исследования космических лучей на основе информации, собранной в БДСКЛ.

БДСКЛ была сформирована на основе информации, полученной с приборов комплекса СКЛ ИСЗ КОРОНАС-И: МКЛ, СОНГ-Д, СКИ-3 и обработанной в первичной базе данных, с целью выделения временных промежутков и типов данных, содержащих реальную физическую информацию. Комплексная обработка информации, содержащейся в БДСКЛ, позволяет исследовать потоки захваченной радиации, космических лучей и нейтральное излучение.

БДСКЛ имеет достаточно гибкое программное обеспечение, написанное на языках высокого уровня PASCAL и FORTRAN, которое работает в операционной системе DOS. Носителем БДСКЛ может быть любое устройство с объемом памяти не менее 600 Mb (HD, CD). При использовании БДСКЛ в компьютерной сети обеспечивается одновременная работа с БД любого количества пользователей. БДСКЛ позволяет достаточно быстро и просто пополнять и модифицировать содержащиеся в ней данные, вплоть до полной замены формальных параметров и соответствующих им данных. Более того, БДСКЛ может быть с минимальными изменениями адаптирована ко многим другим массивам данных, принцип упорядочивания которых основан на монотонно возрастающем времени. Максимальное число возможных параметров, информация о которых может храниться в БДСКЛ -45.

БДСКЛ представляет собой набор поддиректорий с

содержащимися в них файлами данных, текстовыми файлами и исполняемыми файлами программ. Информация в БДСКЛ хранится по сеансам длительностью около полусуток, записанным в бинарные файлы. Все привязки к данным осуществляются по времени, с периодам 2.5

секунды. Для каждого момента времени вычислены 9 координатных параметров и показания детекторов (счетчики, интенсиметры) для 33-х параметров, соответствующих различным типам и энергиям регистрируемых частиц. Описания структуры записи в бинарном файле данных и файловой структуры БДСКЛ содержатся в соответствующих служебных текстовых файлах и могут быть считаны программными средствами.

При работе с данными БДСКЛ позволяет: быстро просматривать интересующие временные профили потоков частиц; строить диаграммы интенсивностей в географических и 1_В-координатах; определять диапазоны по 1Т, М!_Т и Ц в которых работали детекторы; выбирать, сортировать и усреднять данные в графическом режиме; выводить данные о выбранных параметрах в текстовый файл; запускать программы и программные пакеты, созданные пользователем для специальной обработки данных.

На основе описанных возможностей БДСКЛ развита методика анализа потоков заряженных частиц под поясами и в полярных областях магнитосферы Земли, что позволяет исследовать как потоки избыточного излучения в околоземном пространстве, так и потоки низкоэнергичных частиц, проникающих в полярные шапки, коими являются ГКЛ, а также СКЛ и квазистационарные рекуррентные потоки частиц, солнечного и гелиосферного происхождения.

Третья глава диссертации посвящена исследованию состава избыточного излучения, регистрируемого на ИСЗ КОРОНАС-И на высоте = 500 км на низких и высоких широтах. Определяются спектры электронов альбедного излучения под поясами и в полярных областях, а также вклад электронов в потоки проникающей радиации.

На основании обзора предыдущих экспериментов, проведенного в начале главы показано, что потоки электронов альбедо составляют основную часть от потоков проникающего излучения на всех широтах в магнитосфере Земли. Дифференциальный спектр усредненных по всем направлениям потоков электронов с энергией 10-100 МэВ на экваторе описывался степенной зависимостью с показателем -у-2, на высоких широтах спектр электронов с энергией 10-100 МэВ также является степенным, с показателем у~1.5. Потоки электронов альбедо на низких широтах близки к изотропным, на высоких широтах, наоборот, наблюдается значительная анизотропия этих потоков. К настоящему времени потоки электронов с энергиями 2-10 МэВ можно определить только из очень грубых оценок. Таким образом, для уточнения современных модельных представлений о формировании потоков электронов альбедо и уточнении вклада электронов с энергией >2 МэВ в

суммарные потоки проникающего альбедного излучения необходимы дополнительные измерения усредненных по всем направлениям потоков электронов с такими энергиями под радиационными поясами Земли и в полярных областях.

По данным сеанса от 27 апреля 1995 года, когда ИСЗ КОРОНАС-И находился в режиме неконтролируемого вращения, на 1_-оболочках 1_=1 +3 и 1>7 были построены усредненные по всем питч-углам широтные зависимости потоков электронов избыточного излучения с энергиями 0.5-1.3 МзВ, регистрируемых прибором МКЛ, и в дифференциальных энергетических окнах 11-16 МэВ, 16-22 МэВ, 22-37 МэВ, 37-56 МэВ, 56-76 МэВ и 76-124 МэВ, регистрируемых прибором СОНГ, а также интегральных потоков протонов с энергией >70 МэВ и электронов с энергией >55 МэВ, регистрируемых прибором СОНГ, потоков протонов с энергией >30 МэВ и электронов с энергией >2 МэВ, и потоков протонов с энергией >10 МэВ и электронов с энергией >1.3 МэВ, регистрируемых на МКЛ. Для вычисления широтного хода использовался пакет программ БДСКЛ "Полуэмпирическая модель потоков энергичных протонов внутреннего радиационного пояса". При определении абсолютных потоков электронов учитывался присчет релятивистских частиц и у-квантов.

На основании полученных широтных зависимостей усредненных по всем углам потоков электронов в диапазоне энергий 0.5-100 МэВ, на различных Ьоболочках определены дифференциальные энергетические спеетры электронов альбедо в единицах {см2с ср МэВ)"1, которые под поясами могут быть описаны единым законом:

(ЖадС1оЕ) =[(.04ШЛО) »¿-(.012±.006)]*£(~-1-45±0.1О) (1)

в полярной шапке спектр электронов описывается степенной зависимостью: сЫ(Е)/(Жас&ЗЕ) = (0.20±0.03)*£(_ 162 ±0-2°) (2) Полученный на экваторе спектр электронов подтверждает результаты модельных расчетов, в которых в качестве источников электронов альбедо с энергиями <10 МэВ наряду с механизмом я-ц-е учтен 71-7-0 механизм.

Вклад альбедных электронов с энергией 2-55 МэВ определялся независимо по разности интегральных потоков протонов и электронов, регистрируемых приборами МКЛ и СОНГ, и по полученным спектрам и составил от «75±9% на экваторе до «37±6% на высоких широтах от потока проникающей радиации (электроны с энергией >2МэВ и протоны с энергией >30 МэВ).

В четвертой главе проводится сравнительный анализ коротирующих потоков низкоэнергичных протонов, регистрируемых ИСЗ КОРОНАС-И на

низких и КА Ulysses на высоких гелиоширотах. Коротирующие потоки протонов связаны со стохастическим ускорением частиц в межпланетном пространстве на прямой и обратной ударных волнах, ограничивающих коротирующие области взаимодействия (КОВ) быстрого и медленного потоков солнечного ветра и вмороженного в них ММП.

Результаты предыдущих экспериментов, проводившихся исключительно вблизи плоскости эклиптики на различных расстояниях от Солнца (0.4+10 АЕ) показали, что наиболее эффективное ускорение низкоэнергичных протонов и электронов в КОВ происходит на расстояниях от Солнца >5 АЕ, что связано со' спиралевидной геометрией ММП, вследствие радиального распространения плазмы солнечного ветра, в которую вморожено ММП, и вращения Солнца. В результате, коротирующие потоки частиц имеют значительный (100%/АЕ) положительный радиальный градиент интенсивности до 5 АЕ. Потоки частиц, ускоренных на ударных волнах, ограничивающих КОВ, имеют мягкий спектр (7-3-4), их интенсивность экспоненциально убывает с удалением от области ускорения. Таким образом, частицы из коротирующего потока можно наблюдать лишь находясь на силовой линии, сопряженной с КОВ.

В первой половине 1994 года КА Ulysses находился на всоких гелиоширотах (55°S-66°S), на расстоянии от Солнца »3 АЕ в области быстрого солнечного ветра из южной корональной дыры, с которой был связан положительный сектор ММП, и не пересекал границы разноскоростных потоков солнечного ветра, а следовательно и КОВ. Однако в это время на нем наблюдалось продолжение длительной серии коротирующих возрастаний потоков низкоэнергичных протонов (<20 МэВ), регистрировавшейся космическим аппаратом на средних гелиоширотах в 1992-1993 годах. В 1994 году максимумы коротирующих потоков частиц, регистрируемых КА Ulysses, пришлись на 17/03, 10/04, 9/05, 5/06 и 29/06, после чего КА поднялся выше ~70°S и перестал регистрировать коротирующие возрастания частиц. В период март-июнь 1994 года на ИСЗ КОРОНАС-И в положительном секторе ММП так же наблюдалась серия из четырех возрастаний коротирующих потоков протонов с энергией 1-4.5 МэВ с максимумами 10/03, 8/04, 4/05 и 1/06, связанная с пересечением границы раздела медленного экваториального солнечного ветра и быстрых потоков солнечного ветра из южной корональной дыры. Кроме того, на ИСЗ наблюдалась серия коротирующих возрастаний, связанная с пересечением потоков быстрого солнечного из северной корональной дыры 20/03, 20/04, 16/05 в отрицательном секторе ММП. На слабое возрастание 20/04

наложилось очень сильное увеличение потоков протонов и электронов, которое охватило период с 14 по 19 апреля 1994, связанное с солнечным событием, речь о которм пойдет ниже.

Сравнительный анализ коротирующих потоков, наблюдаемых КА Ulysses на высоких гелиоширотах и ИСЗ КОРОНАС-И в плоскости эклиптики, показал:

1. Отсутсвие радиального градиента интенсивности коротирующих потоков протонов, регистрируемых ИСЗ КОРОНАС-И на 1АЕ и КА Ulysses на к 3 АЕ, что может быть вызвано сильной удаленностью источника частиц от КА Ulysses.

2. Незначительную зависимость времени задержки регистрации возрастаний коротирующих потоков протонов КА Ulysses на высоких гелиоширотах относительно ИСЗ КОРОНАС-И вблизи плоскости эклиптики, несмотря на значительный сдвиг КА Ulysses по гелиодолготе с 5°Е по 79°Е. Наблюдаемый эффект исключает возможность того, что источник наблюдаемых частиц находится на расстоянии от Солнца <3 АЕ, иначе мы наблюдали бы значительное изменение запаздывания максимумов коротирующих потоков. Однако, его можно объяснить, исходя из следующего предположения о трехмерной структуре ММП: магнитные силовые линии, выходящие из Солнца на высоких гелиоширотах (56°S-66"S) и вмороженные в плазму быстрого солнечного ветра из южной корональной, дыры опускаются вместе с потоками быстрого солнечного ветра на низкие гелиошироты (<30° S), на расстояниях >5 АЕ и могут оказаться сопряженными с КОВ, в результате чего вдоль этих силовых линий возможно распространение коротирующих потоков частиц.

Пятая глава диссертации посвящена исследованию потоков СКЛ от 'безвспышечного' солнечного события 14 апреля 1994 и поиску возможных механизмов ускорения частиц в этом событии.

Проблема ускорения СКЛ на Солнце исследуется в науке с 40-х годов нашего столетия. Тем не менее до сих пор не получен универсальный ускорительный механизм, который позволял бы описать все экспериментальные данные как по ускоренным заряженным частицам, так и по нейтральному излучению, связанному с их ускорением. Классически считалось, что частицы преимущественно ускоряются в токовом слое, который формируется в сильных магнитных полях в активной области, и претерпевает разрыв во время солнечной вспышки. Тем не менее, существуют эксперименты по регистрации СКЛ, в которых не наблюдалось характерное для вспышек электромагнитное излучение. Последние

экспериментальные и теоретические исследования показали, что наблюдаемые без характерных электромагнитных признаков солнечной вспышки потоки СКЛ могут быть связаны с активно действующим стохастическим механизмом ускорения на фронте ударных волн, распространяющихся в короне Солнца.

Анализ временных профилей СКЛ, наблюдаемых на орбите Земли, требует принятия определенных предположений о характере распространения частиц в межпланетном пространстве. Доминирующим параметром, влияющим на движение солнечных космических лучей (СКЛ) в гелиосфере, является межпланетное магнитное поле (ММП), неоднородности которого вызывают беспорядочное рассеяние частиц по питч-углу и приводят к диффузии заряженных частиц в гелиосфере. На распространение протонов низких энергий (<100 МэВ) заметное влияние оказывают так же конвективный вынос и адиабатическое замедление, связанные с регулярным расширяющимся потоком плазмы солнечного ветра, в которую вморожено ММП. Диффузия по импульсам, вызванная столкновениями частиц с движущимися неоднородностями ММП, в среднем приводит к дополнительному ускорению частиц. Анализ влияния этих факторов на распространение низкоэнергичных протонов в невозмущенной межпланетной среде в период спада солнечной активности показал, что фаза нарастания интенсивности и максимум временного профиля СКЛ в первом приближении с удовлетворительной точностью можно описать аналитическим решением обобщенного диффузионного уравнения, которое в случае трехмерной диффузии и линейной зависимости коэффициента диффузии от расстояния формально совпадает с аналитическим решением нестационарного уравнения переноса, учитывающего все перечисленные выше факторы, влияющие на распространение низкоэнергичных протонов 8 межпланетной среде.

В отличие от солнечных вспышек солнечное событие 14 апреля 1994 не имело характерного для импульсной фазы ускорения потока жесткого рентгеновского и радио излучений. По данным наблюдений в мягком рентгеновском диапазоне на Yohkoh SXT, начиная с 0238UT в течение 10 часов сформировалась гигантская корональная арка, которая начала развиваться на юго-востоке (E45S45) и в дальнейшем распростерлась на северо-запад до угловых размеров 150° с запада на восток и 30°-40° с юга на север. Интегральный поток мягкого рентгена, регистрируемого на Yohkoh SXT, постепенно увеличивался с момента начала формирования корональной арки и достиг максимума с интенсивностью, почти на порядок превышающей

начальное значение, к 1100-1200UT 14 апреля, после чего начал постепенно уменьшаться. При этом не наблюдалось активации и распада волокна, наблюдаемых в линии На и характерных для формирования корональной арки. Наблюдения в линии На 14 апреля показали очень слабую центральную (N09 Е02) суб-вспышку в «0840UT. Итак, налицо практически полное отсутствие признаков возможного импульсного ускорения частиц на диске Солнца.

Однако в период 14-16 апреля 1994 года на ИСЗ КОРОНАС-И в полярных шапках наблюдалось значительное увеличение потоков протонов, с энергией до 30 МэВ и электронов с энергией до 2 МэВ, регистрируемых детекторами МКЛ и СКИ-3. Временные профили имеют форму типичной диффузионной волны с временной дисперсией максимумов по энергии частиц, что указывает на значительную удаленность от Земли источника частиц. Единственным известным источником такого типа возрастаний потоков частиц является Солнце. Этому также не противоречит оценка длины свободного пробега протонов («0.15 АЕ) для расстояния до источника частиц «1 АЕ. Необходимо добавить, что в конце фазы спада потоков СКЛ, около OOOOUT 17 апреля наблюдается дополнительное возрастание потока низкоэнергичных протонов (1-1.5 МэВ), которое связано с прохождением мимо Земли фронта ударной волны межпланетного транзиента, вызвавшего сильную магнитную бурю (Dst«-200) 17-19 апреля 1994 года.

Исследование временных профилей низкоэнергичных протонов и субрелятивистских электронов СКЛ проводилось на основе корреляционно-регрессионного анализа, в котором в качестве функции аппроксимации было взято аналитическое решение обобщенного диффузионного уравнения. На основании проведенного анализа получено, что режим инжекции протонов и электронов СКЛ был длительным (порядка 6 часов), причем существует зависимость эффективности испускания от энергии ускоренных частиц: более энергичные частицы были испущены позже, чем менее энергичные. Описанный режим инжекции СКЛ, с учетом возникновения и распространения транзиента, достигшего Земли 17 апреля 1994 года, согласуется механизмом стохастического ускорения СКЛ на фронте ударной волны транзиента, распространяющегося в короне Солнца.

Основные результаты.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработана вторичная база данных, получаемых с борта ИСЗ. База данных используется для обработки информации о потоках заряженных частиц и нейтрального излучения, регистрируемых научным комплексом приборов СКЛ на ИСЗ КОРОНАС-И в период работы аппаратуры, начиная с 1994 года.

2. На основе полученных данных определены спектры усредненных по всем направлениям потоков электронов с энергией 0.5-55 МэВ на высоте » 500 км под поясами и в полярных областях и показано, что на всех рассматриваемых широтах они могут быть описаны степенной зависимостью с показателем у»1.5+0.2. Определен вклад электронов альбедо с энергией 255 МэВ в потоки проникающей радиации, который составил от -75+9% на экваторе до »37+4% на высоких широтах.

3. Проведен сравнительный анализ коротирующих потоков протонов, одновременно наблюдаемых на ИСЗ КОРОНАС-И в плоскости эклиптики и на КА Ulysses на высоких (>56°) гелиоширотах. Установлена независимость времени запаздывания максимумов коротирующих потоков, регистрируемых на высоких гелиоширотах КА Ulysses относительно регистрации их в плоскости эклиптики, из чего следует, что источником регистрируемых коротирующих потоков частиц является коротирующая область взаимодействия, простирающаяся на расстояния >5 АЕ и гелиошироты от 0° до *30°S.

4. Показано, что режим инжекции СКЛ в межпланетное пространство в "безвспышечном" солнечном событии 14 апреля 1994 года был длительным (несколько часов), и частицы с меньшей энергией начали ускоряться раньше более энергичных частиц, что свидетельствует в пользу стохастического ускорения заряженных частиц на ударных волнах в короне Солнца.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.V. Drnitriev, M.A.Kovalevskaya, S.N. Kusnetsov, I.N.Myagkova. S.P. Ryumin, Yu.l. Nagornikh, K.Kudela, J.Royko, Registration of Solar Flare High Energy Emission by SONG-Device in the Project CORONAS, XXIII ICRC, Calgary,1993, V3 (contributed papers) p. 175-178.

2. Кузнецов C H., Богомолов A.B..Гордеев Ю.П.Гоцелкж Ю.В. Денисов Ю.И., Дмитриев A.B., Ковалевская М.А., Лупенко Г.В., Мягкова И.Н., Панасюк

M.И., Подорольский А.Н., РюминС.П..Яковлев Б.М., Ораевский В.Н., Клепиков В.Ю., Копаев И.М., Степанов А.И., Кудела К., Ройко И., Фишер С., Полашек Т., Кордилевский 3., Сильвестр Я., Предварительные результаты эксперимента, проводимого с помощью комплекса аппаратуры СКЛ на ИСЗ КОРОНАС-И., Известия РАН сер. физ., т.59 (1995г.) No.4, стр. 2-5.

3. A.V. Bogomolov, A.V. Dmitriev, S.N. Kuznetsov, Myagkova I.N., S.P. Ryurnin, K. Kudela, Investigation of GCR with the Help of SONG Instrument onboard KORONAS-I satellite, Proc. 24th ICR Conf., V.4, 1995, p. 836-839.

4. A.V. Bogomolov, S.I. Boldirev, Yu.l. Denisov, A.V. Dmitriev, Yu.V. Gotseluk, V.G. Kurt, S.N. Kuznetsov, I.N. Myagkova, V.N. Oraevsky, M.I. Panasyuk, A.N. Podorolsky, S.P. Ryumin, I.S. Veselovsky, Solar and Heliospheric Particle Enhancements: CORONAS-I Observations , Preprint of the Institute of Nuclear Physics, Moscow State University #95-24/388, Moscow 1995.

5. Bogomolov A.V., Boldirev S.I., Denisov Yu.l., A.V. Dmitriev, Gotseluk Yu.V., Kurt V.G., Kuznetsov S.N., Myagkova I.N., Oraevsky V.N., Panasyuk M.I., Podorolsky A.N., Ryumin S.P., Veselovsky I.S., Solar and Heliospheric Particle Enhancements: CORONAS-I Observations, Proc. 4-th Conference of Doctoral Students, Sec. F2, Physics of Plasmas and Ionized Media, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague and Cooperating Academic Institutions, 1995, p. 22-27.

6. Bogomolov A.V., Boldirev S.I.. Denisov Yu.l., A.V. Dmitriev, Gotseluk Yu.V., Kurt V.G., KuznetsovS.N., Myagkova I.N., Oraevsky V.N., Panasyuk M.I., Podorolsky A.N., Ryumin S.P., Veselovsky I.S., Solar Energetic Particle Event on 14 April 1994: CORONAS-I Observations., Proc. 4-th Conference of Doctoral Students, Sec. F2, Physics of Plasmas and Ionized Media, Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague and Cooperating Academic institutions, 1995, p. 28-33.