Космические лучи в магнитосфере Земли как фактор космической погоды тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

005055690

На правах рукописи

Данилова Ольга Александровна

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ КАК ФАКТОР КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ

01.03.03 - физика Солнца

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 2 НОЯ 2012

Санкт-Петербург - 2012

005055690

Работа выполнена в Санкт-Петербургском филиале Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской Академии наук (СПбФ ИЗМИР АН).

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Тясто Марта Ильинична

Официальные оппоненты:

Дергачев Валентин Андреевич - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией Космических лучей Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук.

Янке Виктор Гугович - кандидат физико-математических наук, заведующий отделом Космических лучей Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им.Н.В. Пушкова Российской Академии наук.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Полярный геофизический институт Кольского научного центра Российской Академии наук.

Защита диссертации состоится 7 декабря 2012г. в 13 час. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 002.120.01, созданного на базе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук (ГАО РАН) по адресу: 196140, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, д. 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН

Автореферат разослан 6 ноября 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Милецкий Евгений Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена расчетам жесткостей обрезания галактических космических лучей в магнитосфере Земли, находящейся в условиях различной возмущённое™ на разных фазах солнечного цикла и исследованию связи полученных результатов с Оя^вариацией и параметрами солнечного ветра.

Актуальность темы

Изменения структуры и интенсивности магнитных полей магнитосферы Земли под влиянием солнечного ветра при изменении солнечной активности приводят к возникновению вариаций космических лучей, наблюдаемых на Земле. Космические лучи являются чувствительным зондом, прощупывающим магнитные условия в тех областях пространства, через которые они проходят и наряду с данными прямых измерений на космических аппаратах и спутниках являются весьма важными источниками информации о магнитных полях. В результате наблюдаемая на поверхности Земли интенсивность КЛ связана с процессами на Солнце и в межпланетном пространстве, а также в магнитосфере и атмосфере Земли.

В последние годы исследование поведения космических лучей в магнитосфере приобрело значение, как фундаментальное, так и практическое.

Геомагнитное поле является своеобразным спектрометром, не пропускающим к поверхности Земли частицы с энергией ниже некоторого порога (жесткости геомагнитного обрезания). Перераспределение потоков заряженных частиц в магнитосфере, связанное с изменениями жесткости геомагнитного обрезания в периоды возмущений в солнечном ветре и геомагнитном поле, влияет на работу электронных систем космических аппаратов и высотных самолётов. Поэтому данные исследования необходимы для определения и прогноза уровня радиационной безопасности этих систем.

Цель работы:

Целью данной диссертационной работы является определение и исследование величины и динамики вариаций жесткостей геомагнитного обрезания галактических космических лучей в магнитных полях моделей магнитосферы, построенных по эмпирическим данным, в спокойные периоды и во время умеренно и экстремально сильных магнитосферных возмущений на разных фазах солнечного цикла, а также их связи с Бв^вариациями и параметрами солнечного ветра.

Основные задачи исследования: 1. Провести расчеты жесткостей геомагнитного обрезания в модельных магнитных полях магнитосферы с учетом внутренних и внешних источников

магнитного поля в период минимума солнечного цикла, необходимых для интерпретации широтных измерений интенсивности КЛ и более точного определения коэффициентов связи между первичными и вторичными потоками космических лучей.

2. Рассчитать жесткости геомагнитного обрезания в магнитных полях моделей магнитосферы для умеренных и сильно возмущенных условий в солнечном ветре для нескольких магнитных бурь, находящихся на разных фазах солнечного цикла, и исследовать, как отражаются параметры солнечного ветра в рассчитанных теоретических и экспериментальных геомагнитных порогах.

3. Провести сравнение динамики возмущенных геомагнитных порогов космических лучей в магнитных полях разных моделей магнитосферы, построенных на основе экспериментальных магнитных данных, с экспериментальными геомагнитными порогами, полученными по данным мировой сети станций космических лучей.

Научная новизна работы

1. Были получены жесткости обрезания КЛ в магнитных полях моделей магнитосферы Цыганенко (1989, 1996, 2003 и 2005 гг) для большого диапазона широт и уровней геомагнитной активности.

2. Проведены комплексные исследования теоретических и экспериментальных геомагнитных порогов КЛ: различных моделей магнитосферы, проанализирована их связь с параметрами солнечного ветра.

3. Исследована возможность использования данных по космическим лучам для тестирования моделей магнитосферного магнитного поля.

Защищаемые положения и результаты.

1. С помощью составленной и отлаженной автором программы определены асимптотические направления и жесткости обрезания как вертикально, так и наклонно падающих космических лучей на разных фазах солнечного цикла при различных уровнях возмущений магнитосферы, в магнитных полях нескольких эмпирических моделей в большом интервале широт.

2. Исследована связь геомагнитных порогов с Оя! и параметрами солнечного ветра (Вг, Ву ММП, плотностью и скоростью солнечного ветра). Показано, что основной вклад в вариации геомагнитных порогов вносит Об^ вариация, уровень корреляции их с Ву и Вг ММП, с плотностью и скоростью солнечного ветра сильно варьирует от бури к буре.

3. Сопоставление теоретических и экспериментальных порогов дает возможность судить о степени приближения к реальности той или иной модели

магнитного поля магнитосферы, так как частицы КЛ несут информацию в целом о магнитном поле, а сравнение модельного поля с измеренными полями на спутниках возможны только в отдельных точках или в ограниченной области координат полета спутников.

Практическая значимость работы

1. Рассчитанные жесткости обрезания необходимы для интерпретации широтных измерений интенсивности КЛ и более точного определения коэффициентов связи между первичными и вторичными потоками космических лучей, а также позволяют ввести поправки на вариации магнитосферного происхождения КЛ при исследовании вариаций ГКЛ (определение первичных энергетических спектров КЛ и их анизотропии в гелиосфере).

2. Установленная в работе связь жесткостей обрезания КЛ, рассчитанных в широком диапазоне широт для разных уровней геомагнитной возмущенности с параметрами солнечного ветра, выявление роли отдельных токовых систем магнитосферы в вариациях геомагнитных порогов - всё это может быть использовано для прогноза радиационной обстановки в космическом пространстве и прогнозирования космической погоды на Земле.

3. На современном этапе исследование вариаций КЛ приобретает также весьма важное значение для других областей науки. Например, по последним научным данным космические лучи являются источником, эффективно воздействующим на физико-химические процессы в атмосфере, в частности, отмечен ряд случаев, когда в полярных шапках во время солнечных протонных событий наблюдалось истощение озонового слоя, который играет весьма существенную роль в атмосферных процессах.

4. В последние годы в связи с проблемой потепления на Земле активно ищут механизмы влияния солнечных и геофизических событий на околоземную среду. В этом аспекте очень важны исследования изменений геомагнитных порогов, которые приводят к перераспределению потоков заряженных частиц КЛ в магнитосфере, поэтому исследования динамики магнитосферных эффектов КЛ может помочь в разработке механизма влияния космических лучей на погоду и климат.

5. С теоретической точки зрения очень важны расчеты изменений геомагнитных порогов на основе последних современных моделей магнитного поля магнитосферы Земли для разных уровней возмущенности в солнечном ветре на разных фазах солнечного цикла. Кроме того, сравнение жесткостей обрезания, рассчитанных в модельных полях с жесткостями обрезания,

полученными на основе экспериментальных данных KJI, позволяет судить о степени приближения к реальности моделей магнитного поля магнитосферы.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 52 научных работы, 24 из которых в ведущих реферируемых научных изданиях.

Апробация работы Основные результаты работы докладывались на 8 Всесоюзных и Всероссийских конференциях по космическим лучам в 1988, 1991, 1993, 1997, 2005, 2007, 2009 и 2010 гг.; на 7 Международных конференциях по KJI в 1985 (Калифорния), 1987 (Москва), 1990 (Австралия), 1995 (Рим), 1997 (Дурбан), 1999 (Солт-Лейк-Сити), 2001 (Гамбург); а также на генеральных ассамблеях EGS в Ницце в 2002 и 2003гт.; на конференции «Климатические и экологические аспекты солнечной активности» (Пулково, 2003); Всероссийской конференции «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности» (Москва — Троицк, 2006); на 6ой Международной конференции по проблемам геокосмоса (Петродворец 2006); на 11ой Пулковской международной конференции «Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений» (С-Петербург-Пулково, 2007); русско-болгарской конференции "Fundamental Space Research" (Болгария 2008); Всероссийской ежегодной конференция по физике Солнца «Солнечная и солнечно-земная физика» (Пулково, 2009 и 2011); EGU General Assembly 2010 (Vienna, Austria); 38th Scientific Assembly of the Committee on Space Research (Bremen, Germany, 2010); 28th IUGG Conference on Mathematical Geophysics CMG «Modelling Earth Dynamics: Complexity, Uncertainty and validation» (Pisa, 2010).

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем - 134 страниц, в том числе: 43 рисунка, 22 таблицы, список литературы включает 99 наименований.

Личный вклад автора Личный вклад Даниловой O.A. в получение научных результатов использованных в данной работе заключается в подготовке и отладке программ для расчета асимптотических направлений и жесткостей обрезания космических лучей, в обработке полученных результатов, построении графиков, диаграмм. Диссертанту принадлежит лидирующее авторство в выборе методов и решении поставленных задач научного исследования. Все

результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы. Кратко описано содержание глав.

В 1-й части 1-й главы дано определение жесткости заряженной частицы, описано строение магнитосферы и природы геомагнитных бурь и рассмотрен метод траекторных расчетов. Приводится уравнение движения заряженных частиц в магнитном поле, и обсуждаются методы его решения. Описывается выбранный для расчетов метод Рунге-Кутга 4го порядка в модификации Гилла, задача выбора шага интегрирования и проверки сходимости решения. Расчет траекторий проводится с помощью интегрирования уравнений движения частицы с массой протона, но обратного знака, выпущенной вертикально от границы атмосферы (с высоты в 20 км) над данной станцией.

Вторая часть 1-й главы посвящена выбору и описанию моделей магнитного поля магнитосферы, поскольку от модели зависит точность конечного результата при получении асимптотических направлений и жесткостей обрезания космических лучей. В настоящее время широко используются эмпирические модели магнитосферы, которые основываются как на теоретических представлениях о динамических процессах в магнитосфере, так и на данных прямых измерений магнитного поля приборами на космических аппаратах. Хорошо подходят для траекторных расчетов модели магнитосферного поля Цыганенко, которые автор данной работы использовал по мере их создания.

Во второй главе приведены и проанализированы результаты расчетов жесткостей геомагнитного обрезания и асимптотических направлений космических лучей в минимуме солнечного цикла вдоль маршрута Итальянской Антарктической экспедиции. Эти результаты были необходимы для получения достоверной широтной кривой интенсивности КЛ и для дальнейшего использования этих данных при определении коэффициентов связи между первичным и вторичными потоками КЛ, наблюдаемыми на поверхности Земли, а также для изучения изменений спектральных характеристик КЛ в течение солнечного цикла.

Во время Итальянской Антарктической экспедиции 1996-1997 гг. были выполнены широтные измерения нейтронной компоненты КЛ. Период измерений (с 20 декабря 1996 года по 26 марта 1997 года) пришелся на эпоху минимума солнечной активности, когда маловероятны глобальные возмущения

межпланетной среды и магнитосферы, что очень важно при определении функций связи.

Жесткости обрезания рассчитывались для каждого дня экспедиции (96 точек по пути следования корабля к берегам Антарктиды и обратно) через каждый час суток с точностью 0,001 ОУ. В результате получены среднесуточные значения жесткостей обрезания КЛ и амплитуды их суточных вариаций. Построена зависимость от широты разностей между среднесуточными значениями жесткостей обрезания вертикально падающих КЛ, полученных в модельном магнитном поле Цыганенко 89, и жесткостей обрезания в главном геомагнитном поле эпохи 1996.0 и 1997.0.

Также получена зависимость амплитуды суточной вариации жесткостей обрезания КЛ от широты места наблюдения. Кроме того, был оценен вклад внешних источников геомагнитного поля в полученные вариации жесткости обрезания. Если учесть, что спектр солнечных частиц во время вспышек весьма крутой и весьма чувствителен к области энергий 1-5 ГВ, то влияние асимметричной магнитосферы очень существенно и его необходимо учитывать при изучении поведения заряженных частиц этих энергий в периоды солнечных вспышек.

При качке корабля происходит отклонение оси прибора от вертикали, поэтому осевая часть прибора регистрирует уже не вертикально падающие частицы, а приходящие под некоторым углом к вертикали. С другой стороны, даже в штилевых условиях необходимо оценить вклад наклонно падающих частиц в скорость счёта нейтронного монитора (в частности, из-за неравномерного распределения масс вокруг прибора). Оценка вклада от наклонно приходящих частиц важна еще и потому, что во время движения изменяется ориентация корабля по отношению к сторонам света. Для учета эффектов от наклонно падающих частиц были рассчитаны асимптотические направления и пороговые жесткости частиц, приходящих под зенитными углами 0°, 15°, 30° и 45° из 8 азимутальных направлений (от 0° до 360° с шагом в 45°). Пороговые жесткости определялись в выбранных 8 точках пути движения судна.

Вследствие известного эффекта восточно-западной асимметрии КЛ у частиц, приходящих из восточных направлений, жесткости обрезания выше, чем у частиц, приходящих из западных направлений. Причём эта разница увеличивается с ростом угла наклона к вертикали ХЕ (от 0° до 45°) для восточных направлений и уменьшается для западных направлений. Чем ближе к экватору, тем больше разность жесткостей обрезания вертикально и наклонно

падающих космических лучей. Так, например, для частиц, приходящих с востока под зенитным углом в 45° в точку, находящуюся на 18° южной широты, жесткости обрезания на 8 ГВ больше, чем у вертикально падающей частицы. В то же время для частиц, приходящих с юго-запада, жесткости обрезания на 1,5 ГВ ниже, чем для вертикальных на этой же широте.

Кроме того в среднесуточных географических пунктах вдоль маршрута Итальянской Антарктической экспедиции были рассчитаны так называемые истинные жесткости обрезания, при определении которых используются значения порогов для всех наклонных направлений прихода частиц. Истинные жесткости позволяют выполнить более точную интерпретацию данных измерений.

В третьей главе обсуждаются геомагнитные пороги КЛ в период геомагнитных бурь, происходивших на разных фазах солнечного цикла. Наиболее сильные эффекты космической погоды связаны с геомагнитными бурями, во время которых возмущения от Солнца возбуждают магнитосферно-ионосферную систему и приводят к усилению магнитосферных токовых систем, изменениям магнитного поля в магнитосфере и на поверхности Земли, и, соответственно, к изменениям асимптотических направлений частиц КЛ и их жесткостей обрезания. Все это порождает магнитосферные вариации КЛ, которые необходимо учитывать при исследовании вариаций галактического и солнечного происхождения.

В настоящее время магнитосферные вариации КЛ могут быть получены главным образом на основе теоретических расчетов геомагнитных порогов КЛ в магнитном поле той или иной модели магнитосферы. Снижение геомагнитных порогов в период главной фазы магнитных бурь приводит к проникновению в магнитосферу дополнительного потока частиц, что может существенно влиять на космическую погоду.

В разделе 3.1 жесткости геомагнитного обрезания, рассчитанные теоретически в модельном поле магнитосферы Цыганенко 1989 и 1996 сравниваются с жесткостями, полученными методом СГС на основе данных сети станций космических лучей. Автором были исследованы изменения геомагнитных порогов в период трех магнитных бурь (23—31 января 1985 г., 2327 ноября 1986 г., 6-8 мая 1988 г.).

В разделе 3.2 исследованы изменения теоретических и экспериментальных геомагнитных порогов в период магнитных бурь 9-15 января 1997 года, 18-21 ноября 2003 года, 7-13 ноября 2004 года и 15-19 мая 2005 года. Теоретические эффективные жесткости геомагнитного обрезания Я,ф для ряда станций были

определены в модельном поле магнитосферы TsOl, которая описывает сильно возмущенную магнитосферу. Геомагнитный индекс Dst, компоненты Bz и Ву ММП плотность Nsw и скорость Vsw солнечного ветра являются входными параметрами в модели TsOl, поэтому были исследованы связи этих параметров с полученными порогами.

Изменения теоретических геомагнитных порогов определялись

относительно спокойного уровня. Эти изменения сравнивались с АЛСГС полученными методом СГС.

В разделе 3.3 проанализированы результаты расчетов эфективных жесткостей обрезания KJI в модели Цыганенко Ts04 для сверхсильной бури ноября 2003 г. Дано сравнительное описание этих двух моделей и исследован вопрос о возможности тестирования моделей магнитосферы с помощью полученных результатов по пороговым жесткостям КЛ.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1) Составлены и отлажены автором программы для расчёта асимптотических направлений и определения жесткости обрезания вертикально и наклонно падающих KJI для любой точки на Земле в модельных полях магнитосферы Цыганенко (1989,1996, 2003 и 2005 гг.) с учетом различных условий в межпланетном пространстве.

2) Проведены комплексные исследования теоретических геомагнитных порогов KJI в широком диапазоне широт для различных направлений прихода заряженных частиц.

3) Исследование связи геомагнитных порогов с Dst-вариацией и параметрами солнечного ветра показало, что:

а) основной вклад в вариации геомагнитных порогов ARcrc и AR-эф вносит Dst-вариация;

б) на среднеширотных станциях во время сильных бурь геомагнитные пороги снижаются на ~(50-85)% в минимуме Dst-вариации. Такое снижение геомагнитных порогов вполне может объяснить появление полярных сияний на средних широтах

в) уровень корреляции геомагнитных порогов с плотностью и скоростью солнечного ветра сильно варьирует от бури к буре и для отдельных бурь наблюдается хорошая связь между геомагнитными порогами и этими параметрами для всех станций, расположенных в широком диапазоне широт. Связь геомагнитных порогов с динамическим давлением существенно хуже и нуждается в дальнейшем исследовании.

г) коэффициенты корреляции By ММП с экспериментальными AR^^c в 2—3 раза выше, чем коэффициенты корреляции By ММП с теоретическими AR-kj,. Это обстоятельство может свидетельствовать о том, что реальная асимметрия в направлении утро-вечер в период данной бури была более сильной, чем представлена в модели TS01. 4) Жесткости геомагнитного обрезания, полученные двумя разными методами (траекторных расчетов и СГС) могут быть использованы для тестирования моделей магнитосферного магнитного поля.

Результаты, составившие основу диссертационной работы, изложены в следующих публикациях:

1. Данилова О.А., Тясто М. И. Влияние спокойной асимметричной магнитосферы на асимптотические направления космических лучей. Изв. АН СССР, сер. физ., 1984 г., т. 48, № 11, с. 2243-2245.

2. Tyasto М. I, Danilova О.A. The influence of quiet asymmetric magnetosphere on the cutoff rigidities of the maim cone. 19th ICRC, California, 1985.

3. Dvornikov V. M., Sdobnov V. E., Sergeev A. V., Danilova O.A., Tyasto M. I., Duirnal variations of cosmic-ray cutoff rigidities. 19th ICRC, California, 1985.

4. Данилова О. А., Тясто М.И. Влияние асимметричной магнитосферы на жесткости обрезания космических лучей для среднеширотных станций. Геомагнетизм и аэрономия, т. 27, № 6, 1987г., с. 1008-1009.

Danilova О. A., Tyasto М. I. Effects of an asymmetric magnetosphere on cutoff rigidity of cosmic rays for mid-latitude stations. Geomagnetism and Aeronomy (english transl.), V. 27, № 6, 1987, p. 873-874.

5. Danilova O.A., Tyasto M. I. Nonvertical cosmic ray cutoff rigidities in the asymmetric magnetosphere. 20th ICRC Moscow, V. 4, p. 208-211, 1987

6. Тясто М.И., Данилова O.A. Изменения пороговых жесткостей космических лучей, обусловленные влиянием кругового тока модели магнитосферы Цыганенко-Усманова. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 28, № 5, 1988 г., с. 738742.

Tyasto М. I., Danilova O.A. Variations of Cosmic-Ray rigidity thresholds produced by the ring current of the Tsyganenko-Usmanov model of the magnetosphere. Geomagnetism and Aeronomy (english transl.), 1988, V. 28, № 5, P. 635-638.

7. Данилова O.A., Тясто М.И. Вариации геомагнитных порогов на средних широтах, обусловленные токовыми системами магнитосферы. Изв. АН СССР, сер. физ., 1988 г., т. 52, № 12, с. 2415-2417.

8. Данилова О.А., Тясто М.И. Жесткости обрезания космических лучей в зависимости от зенитных и азимутальных направлений прихода. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 29, № 3, 1989 г., с. 487-490.

9. Danilova O.A., Tyasto M. I. Tsyganenko-Usmanov model ring current influence on the cosmic ray cutoff rigidities. 21th ICRC, Australia, 1990.

10. Тясто М.И., Данилова O.A. Асимптотические направления космических лучей на ст. Иркутск. Изв. АН СССР, сер. физ., 1991 г., Т. 55, № 10, с. 1985-1987.(материалы Всесоюзной конференции в Сочи).

11. Тясто М.И., Данилова О.А. Суточные вариации пороговых жесткостей на ст. Иркутск в условиях возмущенного геомагнитного поля. Изв. АН СССР, сер. физ., 1993 г., т. 57, № 7, с. 104-106.

12. Danilova О.А., Tyasto М. I. Cosmic ray cutoff rigidities in the Tsyganenko magnetospheric magnetic field models of 1989 and 1987 years. Proceed of the 24th ICRC, Rome, Italy, v. 4, p. 1066-1069, 1995.

13. Тясто М.И., Данилова O.A. Геомагнитные пороги космических лучей в магнитном поле модели магнитосферы Цыганенко (1987) на средних широтах. Геомагнетизм и аэрономия, 1995, Т. 35, № 1, с. 138-142.

Tyasto М. I, Danilova O.A. Geomagnetic thresholds of cosmic rays in the magnetic field of Tsyganenko's magnetosphere model at midlatitudes. Geomagnetism and Aeronomy (english transl.), 1995, V. 35, № 1, P. 104-107.

14. G. Villoresi, N. Iucci, G. Palumbo, N. Zangrilli, F. Signoretti, F. Re, M.I. Tyasto, O.A. Danilova, M. Storini, M. Parisi, N.G. Ptitsyna, C. Signorini: Latitude Survey of the cosmic ray nucleonic component during 1995-1996 from Italy to Antarctica. IFSI-96-10, 1996.

15. Данилова O.A., Тясто M. И. Сравнение суточной вариации геомагнитных порогов космических лучей для моделей магнитосферного магнитного поля Ц87 и Ц89 годов. Геомагнетизм и Аэрономия, Т. 36, № 5, 1996, с. 154-155. Danilova О.A., Tyasto М. I. Comparison of diurnal variations of geomagnetic cosmic ray cutoff rigidities for the magnetic field models by Tsyganenko, 1987 and 1989. Geomagnetism and Aeronomy (english transl.), V. 36, № 5, 1996, p. 701.

16. Tyasto M. I, Danilova O.A. Cosmic ray cutoff rigidities in the Tsyganenko magnetospheric field model at middle latitudes. Nuclear Tracks and Radiation Measurements, Pergamon Press, Oxford, 1996, v26 , №3,486-492

17. M. Galli, G. Giovannini, G.C. Palumbo, C. Arpesella, M. Ricciotti, G. Villoresi, N. Zangrilli, F. Signoretti, F. Re, M. Storini, C. Signorini, N. Iucci, M. Parisi, M.I. Tyasto, O.A. Danilova, N.G. Ptitsyna: Monitoring the environmental radiation and cosmic ray neutrons during the expedition Italy-Antarctica-Italy, 1995-1996. XXIV Meeting of the Scientific Committee on Antarctic Research, Cambridge,UK, August 1996.

18. Данилова О. А., Тясто M. И. Вариации жесткостей обрезания космических лучей, обусловленные изменениями угла наклона оси геомагнитного диполя в

магнитном поле модели Цыганенко (1989). Геомагнетизм и аэрономия. Т. 36, № 6, 1996, с. 74-78.

Danilova О. A, Tyasto М. I. Variations of cosmic ray cutoff rigidities caused by changes of the geomagnetic dipole tilt in the Tsyganenko magnetic field model (1989). Geomagnetism and Aeronomy (english transl.), V. 36, № 6, 1996, p. 782.

19. Данилова О. А., Тясто M. И. Асимптотические направления космических лучей для станций Москва и Иркутск. Известия РАН сер физ., 1997, т.61, № 6, с. 1147-1149.

20. Danilova OA. Tyasto М. I. Kananen H. Tanskanen P. The cosmic ray asymptotic directions for station Oulu in the magnetic field of the Tsyganenko 1989 model. Proceed of the 25th Int Cosmic Ray Conf., Durban, South Africa, 1997, v,2, p. 369372.

21. Dorman L.I., G. Villoresi, N. Iucci, F. Re, F. Signoretti, N. Zangrilli, S. Cecchini, M. Parisi, C. Signorini, M.I. Tyasto, O.A. Danilova, N.G. Ptitsyna: "Latitude survey of cosmic ray nucleonic component during 1996-1997 from Italy to Antarctica". 8th GIFCO Conf "Cosmic Physics in the Year 2000. Scientific Perspectives and New Instrumentation" (Como, Italy) (eds. S. Aiello, N. Iucci, G. Sironi, A. Treves, U. Villante). Proc Italian Physical Society 58, 1997, p. 323.

22. G. Villoresi, N. Iucci, M.I. Tyasto, L.I. Dorman, F. Re, F. Signoretti, N. Zangrilli, S. Cecchini, M. Parisi, C. Signorini, O.A. Danilova, N.G. Ptitsyna: "Latitude survey of cosmic ray nucleonic component (Italy — Antarctic — Italy, 1996-1997)".Proceed of the 25th ICRC, Durban, South Africa, 1997, v.2,421-424.

23. Dorman L.I., G. Villoresi, N. Iucci, F. Re, F. Signoretti, N. Zangrilli, S. Cecchini, M. Parisi, C. Signorini, M.I. Tyasto, O.A. Danilova, N.G. Ptitsyna: "Latitude survey of cosmic ray nucleonic component during 1996-1997 from Italy to Antarctica". Geophys. Res. Abstracts, v. 1, №3, 24th General Assembly Space and Planetary Sciences, 1999.

24. G. Villoresi, L.I. Dorman, N. Iucci, M. I. Tyasto, O.A. Danilova, N.G. Ptitsyna: Cosmic ray survey to Antarctica and coupling functions for neutron component near solar minimum (1996-1997): 1. The latitude survey. Proc. of 26th ICRC (Salt Lake City, USA), 7, 378, 1999.

25. Danilova O.A., M.I. Tyasto, Vashenyuk E.V., Gvozdevsky B.B., Kananen H., Tanskanen P. The GLE of May 2, 1998: an effect of disturbed magnetosphere on solar cosmic rays. Proceed, of the 26th ICRC, Salt Lake City, USA, Aug. ,1999,V.6, 399-402.

26. Danilova O.A., M.I. Tyasto, Kananen H., Tanskanen P. The Cosmic Ray Asymptotic Directions for Station Oulu in the Magnetic Field of the Tsyganenko 1989 Model. Geophysica, Finland, V. 35 (1-2), 1999, P. 101-109.

27. L.I. Dorman, G. Villoresi, N. Iucci, M. Parisi, M.I. Tyasto, O.A. Danilova, N.G. Ptitsyna: Cosmic ray survey to Antarctica and coupling functions for neutron component near solar minimum (1996-1997), 3. Geomagnetic effects and coupling functions. Journal of Geophysical Res. Vol. 105, No. A9 , p. 21,047 ,2000

28. L.I. Dorman , Danilova O.A., N. Iucci, M. Parisi, N.G. Ptitsyna , M.I. Tyasto, G. Villoresi Cosmic Ray Latitude Survey 1996-1997 1. Cutoff Rigidities for Different Azimuth and Zenith Angles. Proceedings of 27th ICRC Hamburg, Germany 07-15 August 2001, 4039-4042.

29. Dorman L.I., O.A. Danilova , N. Iucci , M. Parisi , N.G. Ptitsyna, M.I. Tyasto, G. Villoresi Cosmic Ray Latitude Survey 1996-1997 2. Apparent Cutoff Rigidities. Proceedings of 27th Int Cosmic Ray Conf Hamburg, Germany 07-15 August 2001, 4043-4046.

30. Данилова O.A.., Тясто М.И., Вашенюк Э. В., Гвоздевский Б.Б. Отклик магнитосферы на наземное возрастание CKJI 2 мая 1998 г. Геомагнетизм и Аэрономия, Т.42, №1, 2002, с. 32-35.

31. Danilova О.А., Tyasto M.I., Ptitsyna N.G., Vernova E.S., Levitin A.E., Villoresi G., Iucci N., Parisi M. Space weather periods related to satellite failure: comparison of different magnetospheric models. 27 General Assembly of the European Geophys. Society, Nice, France, April 2002 (EGS2002)

32. L. I. Dorman, O. A. Danilova, N. Iucci, M. Parisi, N. G. Ptitsyna, M. I. Tyasto, G. Villoresi. Cosmic rays in the magnetosphere, 1. Cut-off rigidities at different azimuth and zenith angles for latitude survey in december 1996— march 1997. 27 General Assembly of the European Geophys. Society, Nice, France, April 2002 (EGS2002).

33. L. I. Dorman, O. A. Danilova, N. Iucci, M. Parisi, N. G. Ptitsyna, M. I. Tyasto, G. Villoresi. Cosmic rays in the magnetosphere, 2. Apparent cut-off rigidities. 27 General Assembly of the European Geophys. Society, Nice, France, April 2002 (EGS2002).

34. Данилова О. А., Дорман Л. И., Тясто М. И., Птицына Н. Г., Виллорези Дж., Паризи М., Юччи Н. Космические лучи в магнитосфере в минимуме солнечной активности1996-1997 гг.: 1. Жесткости обрезания наклонно падающих космических лучей. Геомагнетизм и аэрономия Т. 43, № 5 , 2003, 579-585. Danilova О.А., L.I. Dorman, N. Iucci, M. Parisi, N.G. Ptitsyna, M.I. Tyasto, G. Villoresi: Cosmic rays in the magnetosphere in solar minimum 1996-1997, 1. Cutoff rigidities at different azimuth and zenith angles", Geomagnetism and Aeronomy (english transl.), 43, No 5, pp. 579-585,2003

35. Данилова О. А., Дорман Л. И., Тясто М. И., Птицына Н. Г., Виллорези Дж., Паризи М., Юччи Н. Космические лучи в магнитосфере в минимуме солнечной

активности 1996-1997 гг.: 2. Истинные жесткости обрезания. Геомагнетизм и аэрономия Т. 43, № 5,2003, с. 586-591.

Danilova О.А., L.I. Dorman, N. Iucci, M. Parisi, N.G. Ptitsyna, M.I. Tyasto, G.Villoresi, Cosmic rays in the magnetosphere in solar minimum 1996-1997, 2. Apparent cutoff rigidities, Geomagnetism and Aeronomy (english transl.), 43, No 5, pp. 585-591, 2003

36. M. I. Tyasto, O. A. Danilova, N. G. Ptitsyna, E. S. Vernova, V. M. Dvornikov, V. E. Sdobnov, A. E. Levitin, G. Villoresi, N. Iucci, M. Parisi, Comparison of the magnetospheric magnetic field models. EGS-AGU-EUG Joint Assembly Nice, France, April 2003 (EAE03).

37. Тясто M. И., Данилова O.A., Вернова E.C., Птицына Н.Г., Дворников В.М., Сдобнов В.Е., Юччи Н., Паризи М., Виллорези Дж. Жесткости обрезания в период магнитных бурь: сравнение магнитосферных моделей. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 44, № 3, 2004,296-302.

38. Тясто М.И., Данилова О.А., Птицына Н.Г., Вернова Е.С. Дворников В.М. Сдобнов В.Е., Левитин А.Е., Виллорези Дж., Юччи Н. , Паризи М. Магнитосферный эффект космических лучей в период геомагнитных бурь. Известия РАН, сер. физ., т. 69, № 6, с. 861-864, 2005.

39. Тясто М.И., Данилова О.А., Дворников В.М., Сдобнов В.А. Временные изменения жесткости геомагнитного обрезания космических лучей в период сильной геомагнитной бури в ноябре 2003 г. Тр. Всероссийской конф. Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности, Москва - Троицк, С. 85-90, 2006.

40. Danilova О.А., Tyasto М. I., Dvornikov V.M., Sdobnov V.E. Influence of the strong geomagnetic storm in November 2003 on cosmic ray cutoff rigidity. Proc.6-th Intern. Conf. on Problems of Geocosmos. St. Petersburg, Petrodvorets, Russia, 2006, c. 54-57.

41. Тясто М.И., Данилова O.A., Вернова E.C., Дворников В.М., Сдобнов В.Е. Влияние сильно возмущенной магнитосферы на жесткость геомагнитного обрезания космических лучей. Изв. РАН, сер. физ., 2007, том 71, № 7, с. 10331035.

42. Тясто М.И., Данилова О.А.Б Дворников В.М. Сдобнов В.Е. Геомагнитные пороги обрезания космических лучей в период сильного магнитосферного возмущения в ноябре 2004г. Тр. 11 Пулковской международной конференции «Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений», С-Петербург-Пулково, 2007, С.357-360.

43. M.I. Tyasto, О.А. Danilova, L.I. Dorman, V.M. Dvornikov, V.E., Sdobnov. On the possibility to check the magnetosphere model by CR: The strong geomagnetic

storm in November 2003. Adv in Space Res. Vol. 42, N9, pp 1556-1563, 2008.

44. L.I. Dormán, O.A. Danilova, N. Iucci, M. Parisi, N.G. Ptitsyna, M.I. Tyasto, G. Villoresi. Effective non-Vertical and Apparent Cutoff Rigidities for a Cosmic Ray Latitude Survey from Antarctica to Italy in Minimum of Solar Activity. Advances in Space Res, V.42, pp. 510-516, 2008.

45. М.И. Тясто, O.A. Данилова, B.M. Дворников, В.Е.Сдобнов. Отражение параметров солнечного ветра в жесткости геомагнитного обрезания космических лучей в период сильной магнитной бури в ноябре 2003. Геомагнетизм и аэрономия, Т.48, № 6, с. 723-740, 2008.

46. М.И. Тясто, О.А. Данилова, Н.Г. Птицына, В.М. Дворников, В.Е. Сдобнов. Исследования пороговых жесткостей космических лучей во время геомагнитных возмущений для тестирования моделей магнитосферного магнитного поля. Сб. Солнечно-земная физика, Новосибирск, вып. 12, Т.1, С. 155. 2008

47. M.I. Tyasto, O.A.Danilova, N.G. Ptitsyna, V.M.Dvornikov, V.E.Sdobnov. Cosmic ray cutoff rigidities at strongly disturbed period of November 2004. Proc. of the Russian-Bulgarian Conference "Fundamental Space Research", Bulgaria, pp 265268, 2008.

48. Тясто М.И, Данилова O.A, Сдобнов В.Е, Бочев А. Возмущение Магнитосферы в январе 1997 г. и геомагнитные пороги космических лучей. Fundamental Space Research, Bulgaria. Сб. статей. С. 155-158, 2009.

49. М.И. Тясто, О.А. Данилова, В.М. Дворников, В.Е. Сдобнов. Большие снижения геомагнитных порогов космических лучей в период сильных возмущений магнитосферы. (30-я PKKJI) Изв РАН, сер. физ. 2009, Т.73, № 3, С.385-387.

50. Tyasto M.I, Danilova О, Ptitsyna N.G, Sdobnov V.E, Villoresi G. Evaluation the uncertainty of the Earth's Magnetospheric Magnetic Field Models. Modeling external magnetic field dynamics during extreme events. //28th IUGG Conference on Mathematical Geophysics CMG. Modelling Earth Dynamics: Complexity, Uncertainty and validation, Pisa, June 7-11,2010

51. Тясто М.И, Данилова O.A, Сдобнов В.Е. Вариации жесткости геомагнитного обрезания космических лучей в период магнитосферных возмущений в мае 2005г.: связь с межпланетными параметрами. Изв.РАН, сер. физ, Т. 75, № 6, 2011, с. 875-877.

52. М.И. Тясто, О.А. Данилова, В.Е. Сдобнов. Жесткости геомагнитного обрезания космических лучей в магнитном поле двух эмпирических моделей в период сильного возмущения в ноябре 2003 г.: сравнение моделей. Геомагнетизм и аэрономия.

Подписано в печать 22.10.12 Формат 60х84'/і6 Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 11/10 печать

Отпечатано в типографии «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ ПРОСЛЕЖИВАНИЯ ТРАЕКТОРИЙ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ЖЕСТКОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ОБРЕЗАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В РЕАЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ МАГНИТОСФЕРЫ.

1.1 Метод прослеживания траекторий.

1.1.1 Характеристики заряженных частиц в магнитном поле.

1.1.2 Магнитосфера Земли.

1.1.3 Магнитные бури.

1.1.4 Индексы геомагнитной активности и Кр.

1.1.5 Главное магнитное поле Земли от внутренних источников. Коэффициенты Гаусса.

1.1.6 Движение заряженных частиц в магнитном поле Земли и численные методы расчета их траекторий.

1.2 Описание моделей магнитного поля магнитосферы Цыганенко 1989,1996,2003 и 2005 гг.

1.2.1 Модели магнитного поля магнитосферы.

1.2.2 Модель Цыганенко 1989 г. Ц89.

1.2.3 Модель Цыганенко 1996 г.

1.2.4 Модели Цыганенко Тз01 (2003 г.) и Тз04 (2005 г.) для сильно возмущенной магнитосферы.

ГЛАВА 2 РАСЧЕТЫ ЖЕСТКОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ОБРЕЗАНИЯ В МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА ВДОЛЬ МАРШРУТА АНТАРКТИЧЕСКОЙ ЭКСПЕДИЦИИ.

2.1 Широтный эффект в космических лучах.

2.1.1 Важность получения точных данных широтных исследований КЛ.

2.1.2 Широтные исследования: маршрут и основные результаты.

2.1.3 Эффективные жесткости обрезания КЛ для разных зенитных и азимутальных углов прихода частиц КЛ в точки местонахождения судна вдоль маршрута.

2.2 Влияние угла наклона прихода космических лучей на их пороговые жесткости;:;:;.:::.:. г""'9 \ ■ 2.3 Спектр и ширина пенумбры для наклонно падающих КЛ .'

2.4 Истинные жесткости обрезания вдоль маршрута корабля и функции связи.:.;.

2.4.1 «Истинные» жесткости обрезания и их расчет.

2.4.2 Расчеты истинных жесткостей обрезания в реальном геомагнитном поле вдоль маршрута корабля из Антарктики в Италию с учетом результатов траекторных расчетов для наклонных направлений.

ГЛАВА 3 МАГНИТОСФЕРНЫЙ ЭФФЕКТ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПЕРИОД ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ, НАБЛЮДАВШИХСЯ НА РАЗНЫХ ФАЗАХ СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА

3.1 Исследование геомагнитных порогов в период трех умеренных магнитных бурь в минимуме и на фазе подъема солнечной активности.

3.1.1 Расчеты жесткостей обрезания КЛ в магнитном поле моделей Ц89 и Ц96 для умеренно возмущенных условий.

3.1.2 Изменения эффективных жесткостей обрезания и их связь с межпланетными параметрами.

3.1.3 Исследование возможности использования данных по космическим лучам для тестирования моделей магнитосферного магнитного поля.

3.2 Изменения теоретических геомагнитных порогов в магнитном поле модели Тз01 (ЦОЗ) и экспериментальных порогов в период четырех магнитных бурь.

3.2.1 Сравнительная характеристика четырех бурь.:. 3.2.2 Буря 9^15 января'1997 г.:.:.'.:.:.:.-.:.:.84«

1 3.2 3 Буря 18-24 ноября 2003 г.:'.

3.2.4 Бури 7-13 ноября 2004 г.

3.2.5 Буря 15-19 мая 2005 г.

3.3 Сравнение моделей ТвОІ и Тэ04 на примере сильной бури 18-24 ноября 2003 г.

3.3.1 Связь теоретических геомагнитных порогов с экспериментальными порогами.

3.3.2 Корреляция теоретических порогов с Бзіі-вариацией и межпланетными параметрами.

Диссертационная работа посвящена расчетам жесткостей обрезания галактических космических лучей в магнитосфере Земли, находящейся в условиях различной возмущенности на разных фазах солнечного цикла и исследованию связи полученных результатов с параметрами солнечного ветра и Dst-вариацией.

Актуальность темы

Изменения структуры и интенсивности магнитных полей магнитосферы Земли под влиянием солнечного ветра при изменении солнечной активности приводят к возникновению вариаций космических лучей, наблюдаемых на Земле. Космические лучи являются чувствительным зондом, прощупывающим магнитные условия в тех областях пространства, через которые они проходят и наряду с данными прямых измерений на космических аппаратах и спутниках являются весьма важными источниками информации о магнитных полях. В результате наблюдаемая на поверхности Земли интенсивность KJI связана с процессами на Солнце и в межпланетном пространстве, а также в магнитосфере и атмосфере Земли.

С ростом числа работающих в космосе спутников и космических аппаратов стало - ясно, что сбои и отказы в работе аппаратуры космических систем не всегда можно отнести fiMViAV's ' " -Ямщ« р1 Л/ / <,;>';Лп\ V.! » f< J^WuV/Kv, к чисто техническим неполадкам, существенную роль играют1 изменения, так называемой л' 1 космической погоды, т.е. условия на Солнце, в солнечном ветре, в магнитосфере, ионосфере и термосфере, которые могут влиять на надежность работы технологических систем космических аппаратов, технологических систем на Земле, а также создавать угрозу жизни и здоровью людей на Земле и в космосе. [1]. Запуск и работа космических аппаратов в космосе стоит очень дорого, поэтому предсказание опасных для их работы периодов и разработка способов предотвращения потери спутников имеет огромное практическое значение. В настоящее время ведутся активные исследования космической погоды и проводятся регулярные конференции с обсуждением проблем ее прогноза.

1 Однако пока не создано удовлетворительной модели и не найден такой ряд ключевых параметров, по которым можно было бы прогнозировать достаточно уверенно изменения космической погоды, поэтому исследования потоков высокоэнергичных и

-< I I . » » , 1 iii'i"'',!, .низкоэнергичных- частиц, магнитных (полей • и ¡потоков 'плазмы , солнечного, ветра '<в t ^ , v < 1 > ч v.<! 'Г' у 4 < 0 ; межпланетном и околоземном пространстве являются очень важными.

Космические лучи являются важным фактором космической погоды, так как с одной стороны могут непосредственно влиять на свойства материалов и технологических систем. Например, повышенные потоки солнечных космических лучей вызывают ускоренное старение солнечных батарей на космических аппаратах или могут вывести из строя ячейки памяти бортового компьютера.

С другой стороны они могут служить в качестве удаленного зонда, так как поток частиц КЛ, модулированный магнитными полями солнечного ветра (СВ), которые генерируются на Солнце, приходит на Землю задолго до прихода самого возмущения. Например, есть основания полагать, что так называемые предпонижения и предповышения в интенсивности КЛ, которые наблюдаются за несколько часов до эффекта Форбуша, могут быть использованы для предсказания начала геомагнитных бурь, связанных с корональными выбросами плазмы Солнца.

Наиболее сильные эффекты космической погоды связаны с геомагнитными бурями, во время которых возмущение от Солнца возбуждает магнитосферно-ионосферную систему токов и приводит к ее усилению, изменениям магнитного поля в магнитосфере и на поверхности Земли, и соответственно, к изменениям в асимптотических направлениях прихода частиц КЛ и их жесткостей обрезания. Все это порождает магнитосферные 4Я К вариации КЛ;' которые необходимо учитывать* при исследовании вариации галактического 1 и солнечного происхождения. В настоящее время магнитосферные вариации КЛ могут быть получены главным образом на основе теоретических расчетов геомагнитных порогов КЛ в магнитном поле той или иной модели магнитосферы.

Поскольку геомагнитное поле является своеобразным спектрометром, не пропускающим к поверхности Земли частицы с энергией ниже некоторого порога (жесткости геомагнитного обрезания), то при исследовании вариаций галактических космических лучей по данным наземных измерений КЛ необходимо учитывать вариации магнитосферного происхождения. Влияние магнитосферы отражается, прежде всего, в изменениях жесткости геомагнитного обрезания, важность расчета которых определяется их теоретическим и практическим значением.

В связи с возникшей в недавние годы проблемой потепления климата Земли активно ведутся поиски механизма влияния солнечных и геофизических событий на околоземную г ' « • ■ среду. Установлена корреляционная связь изменений глобальной температуры на Земле с

1 ./.г ■::,"'< тк,, числом солнечных протонных событий и геомагнитных бурь, во время которых изменяются жесткости геомагнитного обрезания, а значит, и потоки заряженных частиц КЛ [2] Исследования динамики магнитосферных эффектов КЛ может помочь в разработке механизма влияния космических лучей на погоду и климат.

Для определения и прогноза уровня радиационной опасности на обитаемых космических аппаратах и самолетах очень важны расчеты изменений геомагнитных порогов на основе последних современных моделей магнитного поля магнитосферы Земли для разных уровней возмущенности в солнечном ветре на разных фазах солнечного цикла [1].

В последние годы появился интерес к исследованию магнитосферных вариаций в возмущенные периоды, оживившиеся в связи с наблюдавшимися выдающимися возмущениями в солнечном ветре и межпланетной среде в период 23 солнечного цикла [3, 4].

Кроме того, сравнение жесткостей обрезания, рассчитанных в модельных полях с жесткостями обрезания, полученными на основе экспериментальных данных КЛ, дает возможность судить о степени приближения к реальности моделей магнитного поля магнитосферы.

Цель работы

•Целью данной-диссертационной-работы является'определение и а.исследование

• 1 1 ** Ч . • 1 "' ' | I** ¡у С И ' * ' ' ' ' ' ' 11 « 1 величины и динамики вариаций жесткостей геомагнитного обрезания галактических космических лучей в магнитных полях моделей магнитосферы, построенных по эмпирическим данным, в спокойные периоды, во время умеренно и экстремально сильных магнитосферных возмущений на разных фазах солнечного цикла, а также их связи с Оэ!;-вариацией и параметрами солнечного ветра.

Основные задачи исследования:

1. Провести расчеты жесткостей геомагнитного обрезания в модельных магнитных полях магнитосферы с учетом внутренних и внешних источников магнитного поля в период минимума солнечного цикла, необходимых для интерпретации широтных измерений интенсивности КЛ и более точного определения коэффициентов связи между первичными и вторичными потоками космических лучей. 2. Рассчитать жесткости геомагнитного обрезания в магнитных полях модельной магнитосферы для умеренных й сильно возмущенных условий в солнечном' ветре' для нескольких магнитных бурь, наблюдавшихся на разных фазах солнечного цикла, и исследовать, как отражаются параметры солнечного ветра в рассчитанных теоретических и экспериментальных геомагнитных порогах.

3. Провести сравнение динамики возмущенных геомагнитных порогов космических лучей в магнитных полях разных моделей магнитосферы, построенных на основе экспериментальных магнитных данных, с экспериментальными геомагнитными порогами, полученными по данным мировой сети станций космических лучей.

Научная новизна работы

1. Были получены жесткости обрезания КЛ в магнитных полях моделей ' магнитосферы Цыганенко (1989, 1996, 2003 и 2005 гг.) для большого диапазона широт и уровней геомагнитной активности. Жесткости обрезания КЛ, рассчитанные для эпохи минимума солнечной активности (1996-1997 гг.) для модели Цыганенко 1989 г., были использованы для интерпретации данных широтных измерений КЛ и позволили получить более точные коэффициенты связи между первичными и вторичными потоками КЛ.

2. Проведены комплексные исследования теоретических и экспериментальных геомагнитных порогов КЛ: различных моделей магнитосферы, проанализирована их связь с Вэ^вариациями и с параметрами солнечного ветра.

3. Исследована возможность использования данных по космическим лучам для \\<','('> ^ .тестирования моделей магнитосферного магнитного поля. ч ^ • - > ' "5';*Л/';'

Защищаемые положения и результаты

1. С помощью составленной и отлаженной автором программы определены асимптотические направления и жесткости обрезания как вертикально, так и наклонно падающих космических лучей на разных фазах солнечного цикла при различных уровнях возмущений магнитосферы в магнитных полях ряда эмпирических моделей магнитосферы в большом интервале широт.

2. Исследована связь геомагнитных порогов с Оэ^вариацией и параметрами солнечного ветра (Вг, Ву ММП, плотность и скорость солнечного ветра). Показано, что основной вклад в вариации геомагнитных порогов вносит Бэ^вариация, уровень корреляции их с Ву, Вг ММП, с плотностью и скоростью солнечного ветра сильно варьирует от бури к буре. . 1[ 3. Сопоставлены - теоретические и экспериментальные пороги, / что дает \ ь, у.»" " , „ * I1 , 1 »Ь Л V „^ ^/„л чОл ' ' V возможность судить1 о степени приближения к реальности той или иной 'модели магнитного поля магнитосферы, так как частицы КЛ несут информацию в целом о магнитном поле, а сравнение модельного поля с непосредственными измерениями поля на спутниках возможны только в отдельных точках или в ограниченном объеме полета спутников.

Практическая значимость работы

1. Рассчитанные жесткости обрезания необходимы для интерпретации широтных измерений интенсивности КЛ и более точного определения коэффициентов связи между первичными и вторичными потоками космических лучей.

2. Установленная в работе связь жесткостей обрезания КЛ, рассчитанных в широком диапазоне широт, а также для разных уровней геомагнитной возмущенности, и для различных состояний солнечного ветра, с ОБ^вариацией и параметрами солнечного ветра, выявление роли отдельных токовых систем магнитосферы в вариациях геомагнитных порогов — всё это может быть использовано для прогноза радиационной обстановки в космическом пространстве и прогнозировании космической погоды на Земле.

3. На современном этапе исследование вариаций космических лучей приобретает также весьма большое значение для других областей науки. Например, по последним данным космические лучи являются источником, эффективно воздействующим на физико-химические процессы в атмосфере, в частности, отмечен ряд случаев, когда в V » полярных 'шапках во время ^солнечных - протонных' событий наблюдалось ¿истощение / г ' 4 озонового слоя, который играет весьма существенную роль в атмосферных процессах.

4. В последние годы в связи с проблемой потепления на Земле активно ищут механизмы влияния солнечных и геофизических событий на околоземную среду. В этом аспекте очень важны исследования изменений геомагнитных порогов, которые приводят к перераспределению потоков заряженных частиц КЛ в магнитосфере, поэтому исследования динамики магнитосферных эффектов КЛ может помочь в разработке механизма влияния космических лучей на погоду и климат.

5. С теоретической точки зрения очень важны расчеты изменений геомагнитных порогов на основе последних современных моделей магнитного поля магнитосферы Земли для разных уровней возмущенности в солнечном ветре на разных фазах солнечного цикла, так как позволяют ввести поправки на вариации магнитосферного происхождения при г • , I исследовании вариаций ГКЛ. в гелиосфере (определение первичных энергетических

Ж^ГМ^:^ / .N>'<4 '<»</< л'.ы ,, ^ " (}/ М, . ' спектров КЛ и их анизотропии в гелиосфере). 1 * и .

6. Кроме того, сравнение жесткостей обрезания, рассчитанных в модельных полях с жесткостями обрезания, полученными на основе экспериментальных данных KJI, позволяет судить о степени приближения к реальности моделей магнитного поля магнитосферы.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 52 научных работы, 24 из которых в ведущих реферируемых научных изданиях. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 8 Всесоюзных и Всероссийских I конференциях по космическим лучам в 1988, 1991, 1993, 1997, 2005, 2007, 2009 и 2010 гг.; на 7 Международных конференциях по KJI в 1985 (Калифорния), 1987 (Москва), 1990 (Австралия), 1995 (Рим), 1997 (Дурбан), 1999 (Солт-Лейк-Сити), 2001 (Гамбург); а также на генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза (EGS) в Ницце в 2002 и 2003гг.; на конференции «Климатические и экологические аспекты солнечной активности» (Пулково, 2003); Всероссийской конференции «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности» (Москва - Троицк,

2006); на 6ой Международной конференции по проблемам геокосмоса (Петродворец 2006);

Vi на ' 11ой Пулковской ,международной конференции «Физическая", природа! солнечной l^-^"'/"., '"'<, , а 1 ? >7 - •• Vх' гУ. л/г- -и ' \ ^ , т активности и прогнозирование ее геофизических проявлений» (С-Петербург-Пулково,

2007); русско-болгарской конференции "Fundamental Space Research" (Болгария 2008);

Всероссийской ежегодной конференция по физике Солнца «Солнечная и солнечно-земная физика» (Пулково, 2009 и 2011); EGU General Assembly 2010 (Vienna, Austria); 38th th

Scientific Assembly of the Committee on Space Research (Bremen, Germany, 2010); 28 IUGG Conference on Mathematical Geophysics CMG «Modelling Earth Dynamics: Complexity, Uncertainty and validation» (Pisa, 2010). Личный вклад автора

I,, Личный вклад Даниловой О. А. в получение научных результатов использованных в

5,1 t данной работе заключается в подготовке и отладке программ для расчета асимптотических направлений и жесткостей обрезания космических лучей, в обработке полученных результатов, построении , графиков, диаграмм. Диссертанту, принадлежит лидирующее авторство в выборе методов и решении поставленных задач научного исследования. Все результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы. Кратко описано содержание глав.

В 1-й части 1-й главы дано определение жесткости заряженной частицы КЛ, описано строение магнитосферы и приведены данные о природе геомагнитных бурь. Затем рассматривается метод траекторных расчетов. Приводится уравнение движения заряженных частиц в магнитном поле, и обсуждаются методы его решения. Описывается метод Рунге-Кутта 4го порядка в модификации Гилла. Обсуждается задача выбора шага интегрирования и проверки сходимости решения. Расчет траекторий проводится с помощью интегрирования уравнений движения частицы с массой протона, но обратного знака, выпущенной вертикально от границы атмосферы (с высоты в 20 км) над данной станцией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Составлены и отлажены автором программы для расчёта асимптотических направлений и определения жесткости обрезания вертикально и наклонно падающих КЛ для любой точки на Земле в модельных полях магнитосферы Цыганенко (1989, 1996, 2003 и 2005 гг.) с учетом различных условий в межпланетном пространстве.

2) Проведены комплексные исследования теоретических геомагнитных порогов КЛ в широком диапазоне широт для различных направлений прихода заряженных частиц.

3) Исследование связи геомагнитных порогов с Бз^вариацией и параметрами солнечного ветра показало, что: а) основной вклад в вариации геомагнитных порогов АЯстс и АЯЭф вносит Бэ^вариация; б) на среднеширотных станциях во время сильных бурь геомагнитные пороги снижаются на ~(50-85)% в минимуме Бз^вариации. Такое снижение геомагнитных порогов вполне может объяснить появление полярных сияний на средних широтах; в) уровень корреляции геомагнитных порогов с плотностью и скоростью солнечного ветра сильно варьирует от бури к буре и для отдельных бурь наблюдается хорошая связь между геомагнитными порогами и этими параметрами для всех станций, , расположенных^в1 широком диапазоне1 широт. Связь- геомагнитных порогов с динамическим давлением существенно хуже и нуждается в дальнейшем исследовании; г) коэффициенты корреляции Ву ММП с экспериментальными Д11сгс в 2-3 раза выше, чем коэффициенты корреляции Ву ММП с теоретическими АЯЭф. Это обстоятельство может свидетельствовать о том, что реальная асимметрия в направлении утро-вечер в период данной бури была более сильной, чем представлена в модели Т801.

4) Жесткости геомагнитного обрезания, полученные двумя разными методами (траекторных расчетов и СГС) могут быть использованы для тестирования моделей магнитосферного магнитного поля.

1. KudelaK., StoriniM., HoferM. Y. BelovA. Cosmic rays relation to space weather// Space Sci. Reviews, 2000, V. 93, P. 153-174.

2. Дерганее В. А., Распопов О. M. Солнечная радиация и проблема продолжительности современного межледниковья // Всероссийская ежегодная конф. «Солнечная и солнечно-земная физика» 2012, Санкт-Петербург, с. 49.

3. Ермолаев Ю. К, Зеленый JI. M., Застенкер Г. Н. и др. Солнечные и гелиосферные возмущения, приведшие к сильной магнитной буре 20 ноября 2003 г. // Геомагн. и аэрон. Т. 45. № 1. С. 23-50. 2005.

4. Дорман Л. И., Смирнов В. С., Тясто М. И. Космические лучи в магнитном поле Земли. М. Наука, 1971,400 с.

5. Дорман Л. И. Вариации космических лучей и исследование космоса. Изд. АН СССР, Москва, 1963, 1030 с.! «/V н • 1 f V ' 1 * < ( '/И , ' М , , , , , / ч i, ' ' .

6. Ермолаев Ю. И., Ермолаев М. Ю. Солнечные и межпланетные источники геомагнитных бурь: аспекты космической погоды // Геофизические процессы и биосфера, Т. 8, № 1, с. 5-35, 2009.

7. Сергеев В. А., Цыганенко Н. А. Магнитосфера Земли. М. Наука 1980, 173 с.

8. Заболотная Н. А. Индексы геомагнитной активности. М.: Изд. ЛКИ, 2007, 88 с.

9. Braginskiy S. I. Magnetohydrodynamics of the Earth's cope// Geomagnetism and Aeronomy, 4, No. 5, p. 698-712 (1964b).

10. Яновский Б. M. Земной магнетизм, изд-во ЛГУ, 1964, 590 с.

11. Dorman L. I. Cosmic Rays in Magnetospheres of the Earth and other Planets. Springer 2009,770 p.

12. LAGA Division 5 Working Group 8, 1996: Sabaka et al., 1997.

13. Stormer C. The Polar Aurora, Oxford University Press, London and New York, Ml955.

14. Shea M. A., D. F. Smart, and H. Carmichael Summary of Cutoff Rigidities Calculated with the International Geomagnetic Reference Field for Various Epochs // Rep. AFGL-TR-76-0115, Environ. Res. Pap. 561, Air Force Geophys. Lab., Bedford, Mass., Ml976.

15. Cooke D. J., J. E. Humble, M. A. Shea, D. F. Smart, N. Lund, I. L. Rasmussen, B. Byrnak, P. Coret, and N. Petrou. On cosmic-ray cutoff terminology // И Nuovo Cimento C, 14, No. 3, 213-234 (1991).

16. Данилова О. А., Тясто M. И. Влияние спокойной асимметричной магнитосферы на асимптотические направления космических лучей// Изв. АН СССР, сер. физ., 1984 г., т. 48, № 11, с. 2243-2245.

17. Тясто М. К, Данилова О. А. Изменения пороговых жесткостей космических лучей, обусловленные влиянием кругового тока модели магнитосферы Цыганенко-Усманова. //Геомагнетизм и аэрономия, Т. 28, № 5, 1988 г., с. 738-742.

18. Данилова О. А., Тясто М. И. Вариации геомагнитных порогов на средних широтах,

19. Данилова О. А., Тясто М. И. Жесткости обрезания космических лучей в зависимости от зенитных и азимутальных направлений прихода // Геомагнетизм и аэрономия, Т. 29, № 3, 1989 г., с. 487-490.

20. GUIS. A process for the step-by-step integration of differential equations in an automatic digital computing machine // Proc. Cambridge Phil. Soc., 1951, 47, p. 47-96.

21. McCracken K. G., U. R. Rao, and M. A. Shea The Trajectories of Cosmic Rays in a High Degree Simulation of the Geomagnetic Field // M.I.T., Techn. Rep. 77, Lab. for Nucl. Sci. and Eng., Mass. Inst, of Technol., Cambridge, M1962.

22. V v jl^i'lf" * » ill V*, »*0, ^ і t I '4 1988 r.,T. 52,№ 12, c. 2415-2417.магнитных бурь: сравнение магнитосферных моделей// Геомагнетизм и аэрономия, Т. 44, № 3, 2004, с. 296-302.

23. Shea М. A and D. F. Smart A world grid of calculated cosmic ray vertical cutoff rigidities for 1980.0 // Proc. 18-th Intern. Cosmic Ray Conf., 3, 514-518 (1983).

24. DormanL. I. Cosmic Rays: Variations and Space Exploration// North-Holland, Amsterdam, M1974.

25. BelovA. V., L. I. Dorman, and V. G. Yanke The simplest versions of the global-spectrographical method // Proc. 18-th Intern. Cosmic Ray Conf., 10, 144-147 (1983).

26. Clem J. M., J. W. Bieber, M. Duldig, P. Evenson, D.Hall, and J. Humble Contribution of obliquely incident particles to neutron counting rate// J. Geophys. Res., 102, No. A12, p. 26919-26926(1997).

27. Stoker P. H. Neutron monitor latitude surveys, response functions and 22-year modulation // Proc. 24-th Intern. Cosmic Ray Conf., Rome, 4, 1082-1085 (1995).

28. Stoker P. H. and H.Moraal Neutron monitor latitude surveys at aircraft altitudes// Astrophys. Space Sci., 230, No. 1-2, 365-373 (1995).

29. Stoker P. H., J. Clem, J. W. Bieber, and P. Evenson Apparent geomagnetic cutoffs and cosmic ray anomaly in the Cape Town region// Proc. 25-th Intern. Cosmic Ray Conf., Durban, 2, 385-387 (1997). ' , Ч;" < .Vі > ' / > '"' .V-',

30. IucciN., G. Villoresi, L. I. Dorman, and M. Parisi Cosmic ray survey to Antarctica and coupling functions for neutron component near solar minimum (1996-1997),

31. Determination of meteorological effects// J. Geophys. Res., 105, No. A9, 21035-21045 (2000)

32. Dorman L. I., G. Villoresi, N. Iucci, M. Parisi, and N. G. Ptitsyna Cosmic ray survey to Antarctica and coupling functions for neutron component in solar minimum (1996-1997),

33. Geomagnetic effects and coupling functions// Proc.26-th Intern. Cosmic Ray Conf., Salt Lake City, 7, 382-385 (1999b).

34. Dorman L. I., O. A. Danilova, N. Iucci, M. Parisi, N. G. Ptitsina, M. I. Tyasto, and G. Villoresi Latitude survey in December 1996-March 1997, 2. Apparent cut-off rigidities // Proc. 27-th Intern. Cosmic Ray Conf., 10, 4043^046 (2001).

35. Dorman L. I., O. A. Danilova, N. Iucci, M. Parisi, N. G. Ptitsyna, M. I. Tyasto, G. Villoresi. Effective non-Vertical and Apparent Cutoff Rigidities for a Cosmic Ray Latitude Survey

36. Данилова О. А., Дорман Л. И., Тясто М. И., Птицына Н. Г., ВиллорезиДж., Паризи М., ЮччиН. Космические лучи в магнитосфере в минимуме солнечной активности 19961997 гг.: 2. Истинные жесткости обрезания// Геомагнетизм и аэрономия Т. 43, №5, 2003, 586-591.

37. Данилова О. А., Тясто М. И. Сравнение суточных вариаций геомагнитных порогов космических лучей для моделей магнитосферного магнитного поля Цыганенко 1987 и 1989 гг. // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. №. 5. С. 154-158.

38. Данилова О. А., Тясто M. И. Non-vertical cosmic ray cutoff rigidities in the asymmetric magnetosphere // Proc. 20th ICRC, Moscow. 1987. V. 4. P. 208.

39. BieberJ. W., P. Evenson, J. E. Humble, M. L. Duldig Cosmic ray spectra deduced from neutron monitor surveys // Proc. 25-th Intern. Cosmic Ray Conf., Durban, 2, 45-48 (1997).

40. Dorman L. I., PahomovN.I. The dependence of the integral generation multiplicity of neutron component at various depths in the atmosphere on zenith angle on primary particle incidence // Proceed. 16th Intern. Cosmic Ray Conf. V. 4. P. 416. 1979.

41. Baisultanova L. M., A. V. Belov, L. I. Dorman, V. G. Yanke Magnetospheric effects in cosmic rays during Forbush-decreases // Proc. 20-th Intern. Cosmic Ray Conf., Moscow, 4, 231-234 (1987).

42. Planet. Space Sci., 27, No. 5, 577-581 (1979).

43. Sdobnov V., V. Dvornikov, A. Lukovnikova, N. A. Osipova Definition of the planetary system variations of geomagnetic cut off rigidity by the data from neutron monitor network // Sol. Terr. Phys., No. 2, 230-232 (2002).

44. Тясто М. К, Данилова О. А., Вернова Е. С., ПтицынаН.Г., Дворников В. М., Сдобное В. Е., ЮччиН., ПаризиМ., ВиллорезиДж. Жесткости обрезания в период магнитных бурь: сравнение магнитосферных моделей// Геомагнетизм и аэрономия, Т. 44, № 3, 2004, 296-302.

45. Dremukhina L. A., Feldstein Y. /., Levitin А. Е. Model calculations of currents and magnetic fields along a MAGSAT trajectory // J. Geophys. Res., V. 90, P. 6657, 1985.

46. Тясто M. И., Данилова О. А., Вернова E. С., Дворников В. М., Сдобное В. Е. Влияние сильно возмущенной магнитосферы на жесткость геомагнитного обрезания космических лучей//Изв. РАН, сер. физ., 2007, том 71, № 7, с. 1033-1035.

47. Tyasto М. /., О. A. Danilova, L. I. Dorman, V. М. Dvomikov, V. Е. Sdobnov. On the possibility to check the magnetosphere model by CR: The strong geomagnetic storm in November 2003 // Adv in Space Res. Vol. 42, N 9, pp. 1556-1563, 2008.

48. Тясто М.И., Данилова О. А., Сдобное В. E., БочевА. Возмущение магнитосферы в январе 1997 г. и геомагнитные пороги космических лучей // Fundamental Space Research, Bulgaria. Сб. статей. С. 155-158, 2009.

49. Тясто М. И., О. А. Данилова, В. М. Дворников, В. Е. Сдобное. Большие снижения геомагнитных порогов космических лучей в период сильных возмущений магнитосферы // Изв РАН, сер. физ. 2009, Т. 73, № 3, С. 385-387.

50. Tyasto М. I., Danilova О. A., Sdobnov V. Е., BochevA., VernovaE.S. Magnetospheric disturbances of January 1997 and geomagnetic cosmic ray cutoff rigidities // EGU General Assembly 2010. Vienna, Austria, 02-07 May, 2010, CD-ROM.

51. Tyasto M. I., O. A. Danilova, N. G. Ptitsyna, V. E. Sdobnov. Magnetospheric disturbances

52. Тясто М. И., Данилова О. А., Сдобное В. Е. Вариации жесткости геомагнитного обрезания космических лучей в период магнитосферных возмущений в мае 2005 г.: связь с межпланетными параметрами. //Изв. РАН, сер. физ., Т. 75, № 6,2011, с. 875-877.

53. KudelaK. etal., On transmissivity of low energy cosmic rays in disturbed magnetosphere Original Research Article// Adv. Space Res., 42, 7, 1300-1306, doi:10.1016/j.asr.2007.09.033, 2008.

54. Ермолаев Ю. И. и др. Год спустя: солнечные, гелиосферные и магнитосферные возмущения в ноябре 2004 г. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 45. № 6. С. 1-41, 2005b.

55. Bochev A., The INTERBALL-Au Satellite Magnetic Field Data Base during the ICMEs and Analysis I I Proceed. Intern. Conf. "Fundamental Space Research", Sunny Beach, Bulgaria, 2008, 130-133, 2008.

56. Bochev A., et al, Observation of Pc5 Pulsations in the Field-Aligned Current Region // Proceed. Intern. Conf. "Fundamental Space Research", Sunny Beach, Bulgaria, 2008,134-137,2008.

57. Дворников В. M., Сдобное В. Е. Вариации планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания космических лучей в октябре-ноябре 2003 г. // Геомагнетизм и аэрономия, т. 45, № 1, с. 58-63,2005 г.

58. Дорман Л. И. и др. Эффективные жесткости обрезания космических лучей // М., Наука, 1972г.,300с. , , , , , • >

59. Асауленко Л. Г., Дорман Л. И., Смирнов В. С., Тясто М. И. Эффект ограниченности геомагнитного поля в космических лучах// Геомагнетизм и аэрономия. Т. 5. №5. С.809-815. 1965.

60. SheaМ. A., SmartD. F. FluckigerЕ. Magnetospheric models and trajectory computations// Space Sci. Reviews. 93. 271-298. 2000.

61. Тясто M. И. Изменения пороговых жесткостей космических лучей под влиянием круговых токов различной конфигурации// Геомагнетизм и аэрономия, 1991, Т. 31, № 1,49-52.