Параметры магнитосферы по данным наземного мониторинга космических лучей Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.521.64; 524.1:550.385

ПАРАМЕТРЫ МАГНИТОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ НАЗЕМНОГО МОНИТОРИНГА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Валерий Леонидович Янчуковский

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией солнечно-земной физики, тел. (961)878-68-44, e-mail: YanchukovskiyVL@ipgg.sdras.ru

Выполнен анализ данных мониторинга космических лучей с помощью спектрографа в Новосибирске во время крупных спорадических явлений в период с 2004 по 2015 гг. Найдены параметры магнитосферы в период возмущений.

Ключевые слова: космические лучи, энергетический спектр, жесткость геомагнитного обрезания, магнитосфера, кольцевой ток.

MAGNETOSPHERE PARAMETERS ACCORDING TO GROUND-BASED MONITORING OF COSMIC RAYS

Valeriy L. Yanchukovskiy

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Аkademik Koptyug Prospect, D. Sc., Head of the Observatory of Solar-Terrestrial Physics, tel. (961)878-68-44, e-mail: YanchukovskiyVL@ipgg.sbras.ru

The analysis of monitoring data of cosmic rays with a spectrograph in Novosibirsk during large sporadic events in the period from 2004 to 2015. Found magnetosphere parameters during disturbances

Key words: cosmic rays, the energy spectrum, the geomagnetic cutoff rigidity, the magnetosphere, the ring current.

Геомагнитные бури влияют на многие области деятельности человека, из которых можно выделить нарушение связи, систем навигации космических кораблей, возникновения вихревых индукционных токов в трансформаторах и трубопроводах и даже разрушение энергетических систем. Геомагнитные бури вызываются поступлением в окрестности Земли возмущенных потоков солнечного ветра и их взаимодействием с магнитосферой Земли. Геомагнитные бури являются проявлением усиления кольцевого тока магнитосферы, постоянно существующего в области радиационных поясов Земли. Это явление является одним из важнейших элементов солнечно-земной физики и ее практической части, обычно обозначаемой термином «космическая погода». Возможность диагностики магнитосферных токовых систем в период спорадических возмущений показана ниже с использованием результатов наземного мониторинга космических лучей.

Спектрограф космических лучей в Новосибирске включает нейтронный монитор 24NM-64, спектрограф на эффекте локальной генерации нейтронов и матричный мюонный телескоп [1]. Комплекс обеспечивает непрерывный мо-

ниторинг космических лучей в области энергий от 2.9 ГэВ до 250 ГэВ [2]. Вариации интенсивности излучения, регистрируемого в некотором из каналов к комплекса в пункте с на уровне к0 атмосферы, связаны с первичным спектром космических лучей В (Я), жесткостью геомагнитного обрезания Яс, температурой Т атмосферы и атмосферным давлением к, выражением [3]

АТ Ж дтл _

~т (ко,<) = (Я,г)Жк(Я,ко)dЯ-щ(г)Жк(Яс,ко) +

1к с Яс В

к к

+< ехр -{Рк (к) dк к0 _ -1 > + {^ (То,ко,к)ЛТ(к,г) dк , о (1)

где (Я, к) - функция энергетической чувствительности канала к или коэффициент связи согласно определению [4]; рк (к) - барометрический коэффициент канала к; ^(То, к0, к) - функция плотности температурных коэффициентов,

отражающая вклад слоев атмосферы в создании интегрального температурного эффекта интенсивности; ЛТ (к) - временные вариации температуры атмосферы

в зависимости от высоты. Наблюдаемые вариации интенсивности космических лучей в каналах комплекса обусловлены:

- изменениями спектра первичного потока галактических космических лучей - модуляция потока за счет процессов на Солнце и в межпланетной среде (первый член в выражении (1)),

- изменениями порога геомагнитного обрезания - магнитосферная составляющая вариации (второй член в выражении (1)),

- изменениями плотности атмосферы (третий член в выражении (1)),

- изменениями температурного режима атмосферы (четвертый член в выражении (1)).

Решение [3] системы уравнений (1) позволяет разделить наблюдаемые вариации интенсивности космических лучей на составляющие различной природы и оценить параметры спектра первичных вариаций космических лучей за

пределами земной магнитосферы ЛВ/В, изменения жесткости геомагнитного ЛЯ

обрезания с, изменения плотности ЛР и среднемассовой температуры атмосферы ЛТ. Параметр ЛЯС характеризует магнитосферную составляющую вариаций КЛ. Магнитосферные возмущения приводят к изменениям минимальной пороговой жесткости геомагнитного обрезания Я (в пункте с ) для частиц космических лучей, приход которых в данную точку земной поверхности «разрешен» геомагнитным полем.

Результаты анализа данных наземного мониторинга космических лучей представлены на рис. 1 для нескольких крупных спорадических явлений последних лет.

Рис. 1. - индекс и изменения жесткости геомагнитного обрезания в период спорадических возмущений:

а - в ноябре 2004 года, б - в мая 2005 года, в - в декабре 2006 года, г - в марте 2012 года, д - в июне-июле 2015 года

В рамках модели симметрично ограниченной магнитосферы [5] Яс и АЯС связаны с магнитосферными параметрами следующим образом

( Я ) = Я

1 + АН^(4осв6 Х- 1)

М„

(2)

где М3 - магнитный момент земного диполя, АН - изменения горизонтальной составляющей геомагнитного поля на экваторе (^ - индекс), гк - радиус кольцевого тока магнитосферы (в радиусах Земли г3), Х - геомагнитная широта пункта наблюдений. Выражение (2) можно переписать как

(Я -АЯС )

Я

1 + я ( 4СОБ6 Х-1)

(3)

где я - магнитный момент кольцевого тока в магнитных моментах земного диполя.

Представленные характеристики согласно (2) и (3) позволяют проводить оценку параметров магнитосферных токовых систем возмущений в рамках модели симметрично ограниченной магнитосферы. В качестве примера на рис. 2 показаны параметры магнитосферы, найденные для последних событий: в марте 2012 года и в июне-июле 2015 года.

Рис. 2. Параметры магнитосферных токовых систем в период возмущений: а - в марте 2012 года, б - в июне-июле 2015 года.

На рис. 2 представлены изменения во времени величины магнитного момента кольцевого тока магнитосферы gk (в магнитных моментах земного диполя M3) величины кольцевого тока магнитосферы /^ (в амперах) и его радиус rk (в радиусах Земли r3). Здесь M3 = 8,1 1025 гссм3, магнитный момент кольцевого

тока Mk = g ■ M3 =п(rk ■ r3)2 /klc (/к- в статамперах).

Таким образом, анализ данных наземного непрерывного мониторинга космических лучей с помощью спектрографа космических лучей позволяют получать информацию о параметрах магнитосферы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Янчуковский В. Л. Телескоп космических лучей.// Солнечно-земная физика. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2006. Вып. 9. - С. 41-43.

2. Янчуковский В. Л. Многоканальный наблюдательный комплекс космических лучей // Солнечно-земная физика. - Новосибирск : Изд-во СО РАН. 2010. Вып. 16. - С. 107-109.

3. Yanchukovsky V. L., Kuz'menko V. S., Antsyz E. N. Results of Cosmic Ray Monitoring with a Multichannel Complex // Geomagnetism and Aeronomy - 2011. - Vol. 51, No. 7. - P. 893-896.

4. Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. - М. : Наука, 1975. - 462 с.

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

© В. Л. Янчуковский, 2017