CC BY
88
УДК 524.1:523.9
□
□
А. Т. Филиппов, В.Е. Тимофеев
ВСПЫШКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГИЧНЫХ ЧАСТИЦ с Е>1 ГэВ В ОКТЯБРЕ-НОЯБРЕ 2003 г.
На спаде 23 цикла солнечной активности в конце октября и начале ноября 2003 г. на видимом диске Солнца произошли три крупные хромосферные вспышки в области № 486 с генерацией релятивистских частиц с Е < 7*109 эВ. Во время этих событий наблюдались межпланетные ударные волны со скоростями 1000 км/сек и больше. В данной работе исследуются возрастания потока солнечных энергичных частиц 28, 29 октября и 2 ноября 2003 г., по данным Якутского комплекса установок и нейтронного супермонитора станции.б. Тикси.
Введение
Известно, что солнечные хромосферные вспышки являются источником высокоэнергичных частиц и межпланетных уцарных волн, вызывающих различные геомагнитные возмущения [1], [2]. Как показывают многолетние наблюдения на ветвях подъема и спада одиннадцатилетнего цикла активности на Солнце, увеличивается частота появления активных областей на видимом диске. Активность вновь родившихся пятен на Солнце проявляется в виде вспышек в различных диапазонах излучения: в свечении линий Н, рентгеновском, радиоизлучении и в генерации релятивистских частиц. В октябре-ноябре 2003 г. вблизи минимума 23 цикла солнечной активности вновь появившиеся группы пятен №№ 484 и 486 начали генерировать большие вспышки. Анализ данных, основанный на непрерывных наблюдениях на Якутском комплексе установок и станции космических лучей станции б.Тикси, за период почти в 50 лет показывает, что исследуемые события по своим характеристикам сходны с такими известными событиями, которые имели место в июле 1959 г., ноябре 1960 г., августе 1972 г., октябре 1981 г. ив сентябре-октябре 1989 г. [3], [4]. Аналогично этим явлениям активность Солнца в октябре-ноябре 2003 г. характеризовалась многократной генерацией энергичных частиц с Е>1 ГэВ и ударных волн, достигших орбиты Земли. В этой связи наибольший интерес вызывает возрастание космических лучей 28 октября 2003 г. Во время этого события наличие ударных волн вблизи орбиты Земли существенным образом повлияло на процесс диффузионного распространения частиц в межпланетной среде. Наблюдается дополнительный поток релятивистских частиц с Е>1 ГэВ после достижения максимума вспышечных частиц и длившийся до прихода ударной волны на Землю. Рассмотрению особенностей данного события посвящена настоящая работа.
Результаты
Нарис. 1 приведены результаты наблюдений за период с 20 октября по 3 ноября 2003 г. по часовым данным регистрации Якутского комплекса установок (нейтронный монитор, вертикальный мезонный телескоп на 0,7 и 20 метров водного эквивалента) и нейтронного монитора станции б.Тикси. Как видно из рис. 1 в это время наблюдаются 4 форбуш-понижения в интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ) 21, 24, 29 и 31 октября и 3 возрастания солнечных космических лучей 28, 29 октября и 2 ноября. В это время на космических аппаратах зарегистрированы скорости ударных волн, достигших орбиты Земли ~ 1000, 1800 км/сек. И напряженности магнитного поля в них ~ 40 и 60нТ [5]. Такойансамбльсобыгий наблюдаетсядостаточно редко, раз или два в течение 11-летнего цикла солнечной активности. На Земле в это время регистрируются большие геомагнитные возмущения, полярные сияния наблюдались
29-31 октября 2003 г. даже на широте Москвы, Флориды и Техаса в США, что бывает крайне редко. Форбуш-пониже-ние в интенсивности ГКЛ, по данным высокоширотных станций, достигло величины 30% 29.10.03. г. от невозмущенного уровня, что является одним из самых больших за весь период наблюдений космических лучей. В табл. 1 даны сравнительные параметры наблюдаемых событий.
Рис. 1. Вариации интенсивности космических лучей, по данным станций Якутск и б.Тикси
и107
Таблица 1
Параметры наблюдаемых солнечных вспышек по данным станций Якутск и б. Тикси
Станция Амплитуда в %
21 октября 2003 г. 24 октября 2003 г. 29 октября 2003 г.
Якутск ЫМ 4,8 3,2 17,0
0 м.в.э 2,5 1,5 9,0
7 м.в.Э 1,5 1,0 6,5
20м.в.Э 1,0 1,0 4,5
Б.Тикси ЫМ 5,0 4,0 18
Ст.Апатиты ЫМ 5,0 5,0 23
На рис. 2, 3, 4 приведены данные наблюдений на нейтронных мониторах ст. Якутск и Тикси для трех событий возрастания солнечных энергичных частиц 28, 29 октября и 2 ноября 2003 г. по 5-минутным данным. В таблице 2 приведены данные наблюдений станций Якутск и б.Тикси солнечных вспышек в различных диапазонах излучения [5] и начало возрастания энергичных частиц и Е>1 ГэВ. Как видно из рисунков 2, 3, на максимуме возрастания интенсивности частиц видны пульсации с периодом
30-40 минут. Ответственными за эти возрастания частиц считаются солнечные вспышки 28 октября с координатами 816°Е08°, 29 октября 815^02° и 2 ноября W530S230. Таким образом, первые две солнечные вспышки произошли около центрального меридиана, вспышка 2 ноября 2003 г. произошла на западном лимбе Солнца. Интересно то, что станция б.Тикси и м.Шмидта, находящиеся на ночной стороне, показывают резкое возрастание частиц и значительные амплитуды ~ 7% и 19% собственно для события 28.10.03 г. В то время ст. Апатиты, находящаяся на дневной стороне земли, показывает позднее начало возраста-
Рис. 3. Вспышка солнечных космических лучей по 5-минутным данным 29 октября 2003 г.
18 19
02 ноября 2003 г.
Рис. 4. Вспышка солнечных космических лучей по 5-минутным данным 2 ноября 2003 г.
Таблица 2
Данные наблюдений солнечных вспышек в различных диапазонах излучения
Наблюдения солнечных вспышек Начало В HUT Начало, UT в рентген. излучении Радиовплеск, UT II и IV типа Начало возрастания иТ
Якутск Тикси
28.10.03 10.01 09.51 11.02 1135 1120
12.05 11.10 10.33
29.10.03 2037 2037 2042 2130 2105
2042 2049 2039
02.11.03 17.04 17.02 17.14 1635 1635
17.17 17.25 17.14
Рис. 2. Вспышка солнечных космических лучей по 5-минутным данным 28 октября 2003 г.
А.Т. Филиппов, В.Е. Тимофеев. Вспышки солнечных энергичных частиц с Е>1 ГэВ в октябре-ноябре 2003 г.
ния, чем на ст. Тикси, и амплитуду такого же порядка 7%.
Если принять за начало генерации релятивистских частиц максимум рентгеновского излучения 1110 ИТ 28.1-.03. г. и начало радиовсплесков II и IV типов 1102ИТ раннее начало возрастания на станции б.Тикси в 1120 ИТ и плоский максимум до прихода ударной волны в 0623 ИТ 29 октября не укладывается в модель распространения частиц в ММП [6,7]. Что касается возрастания частиц 2 ноября 2003 г., то распространения частиц от солнечной вспышки с западного лимба Солнца описывается моделью анизотропной диффузии в ММП. Это же касается и возрастания энергичных частиц 29 октября, характерного для источника с такими гелиокоординатами. Таким образом, возрастание частиц, которое имело место 28 октября 2003 г., представляет наибольший интерес с точки зрения определения источника частиц с Е>1 ГэВ.
Обсуждение результатов
Как видно из рис. 1, во время этих событий наблюдается приход на Землю нескольких ударных волн (УВ). УВ, которая пришла на Землю в 0623 ИТ 29 октября 28.10.03 г., имеет транзитную скорость >2000 км/с. Последующее за ним форбуш-понижение в интенсивности ГКЛ имело амплитуду ~ 30%. Это говорит о том, что напряженность магнитного поля в теле ударной волны была достаточно велика, чтобы отражать энергичные частицы. Прямые измерения напряженности поля показывают величину ~60 нТ [5]. Измеренные и оцененные скорости УВ 26 и 28 октября были порядка 1100 км/с и 1800 км/с соответственно [5]. Таким образом, в этих событиях мы имели место присутствия вблизи орбиты Земли УВ с одной особенностью: последующая УВ имела скорость почти в 2 раза большую, чем предыдущая. Возникает следующая ситуация, после солнечной вспышки 28 октября на орбите Земли имеем поток энергичных частиц, попавший в магнитную «ловушку» ме^ду сближающимися фронтами УВ. Постоянный поток энергичных частиц с Е>1 ГэВ после максимума до прихода УВ говорит о том, что появляется дополнительный поток частиц, обусловленный ускорением частиц в межпланетной среде между сближающимися фронтами УВ. Аналогичная ситуация наблюдалась ранее во время событий в июне 1959 г., 12 ноября 1960 г., 4 августа 1972 г. и 12 октября 1981 г. [4], [8]. Как видно из рис. 5, вспышка космических лучей 12 октября 1981 г. имела место между двумя форбуш-понижениями в интенсивности ГКЛ 11 октября и 14 октября 1981 г. Здесь также имело место ускорение частиц в межпланетной среде. Приход УВ наблюдалось в середине 11 ив начале 14 октября, в это же время наблюдались форбуш-пониже-ния в интенсивности ГКЛ. Скорость УВ, пришедшей в начале октября, была также в 2 раза больше, чем скорость УВ, пришедшей на Землю в середине 11 октября. Также как и в случае 28 октября 2003 г., наблюдаем, по данным станций Апатиты, Тикси и Якутск, постоянный поток ча-
стиц до прихода УВ. 14 октября 1981 г. спад интенсивности после вспышки 12 октября 1981 г. не описывается диффузионным спадом. Однако такая картина наблюдается только по данным высокоширотных станций и не наблюдается для среднеширотных станций. Это указывает на верхний предел спектра захваченных и подвергающихся ускорению частиц, т.е. Еш~5 ГэВ.
А,%
—I—1—|—|—|—|—|—I—1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I I
10 20 30
Октябрь 1981 г.
Рис. 5. Вариации космических лучей в октябре 1981 г.
Как видно из рис. 6 в области малых энергий (Е=40:80 МэВ) плотность захваченных между УВ 28-29 октября превышала даже плотность вспышечных частиц, генерированных в самой солнечной вспышке в 11:00 ИТ 28.10.03 г. Если сравнить временный профиль возрастания 2 ноября и 28 октября 2003 г., то видно, что первое событие представляет собой «классический» временный характер вспышки солнечного типа, в то время как событие 28.10.2003 г. резко отличается от диффузионного распространения частиц в ММП. Плотность частиц с Е=40:80 МэВ растет вблизи УВ, т.к. напряженность ММП порядке 40-60 нТ является для них практически непрозрачной «магнитной пробкой». Этот рост плотности частиц энергий в десятки МэВ показывает перекачку частиц с области малых энергий спектра вследствие более их эффективного ускорения. Практически весь спектр частиц, генерированных во время солнечной вспышки 28.10.03 г., подвергается сжатию и ускорению между двумя сближающимися фронтами УВ, достигшими орбиты Земли в начале 28 октября и в 0623 ИТ 29 октября.
301 303 305 307 309 311 26 ( .299)-7 (д. 311)2003 г. (Сутки)
Рис. 6. Данные прямых измерений межпланетного магнитного поля за период с 26 октября по 7 ноября 2003 г.
Выводы
Таким образом, анализируя возрастания энергичных частиц 28, 29 октября и 2 ноября 2003 г. во время событий в космических лучах, связанных с необычной активностью Солнца в конце октября и начале ноября 2003 г., можно сделать следующие выводы:
1. Возрастание энергичных частиц с Е>1 ГэВ 29 октября и 2 ноября 2003 г. представляют собой поток генерированных во время солнечной вспышки протонов высоких энергий.
2. Возрастание интенсивности частиц релятивистских энергий 28 октября обусловлено генерированными во
время солнечной вспышки потоком частиц и дополнительным потоком ускоренных в самой межпланетной среде частиц.
3. Показывается, что роль ударных волн как источника релятивистских частиц вблизи Солнца и орбиты Земли играет важную роль в формировании спектра галактических космических лучей в области энергий от 20*106 эВ до 5*109эВ.
В заключение авторы выражают признательность сотрудникам лаборатории вариаций космических лучей высоких энергий Института космофизических лучей и аэрономии СО РАН им. Ю.Г. Шафера, Кривошапкину П.А., Григорьеву В.Г. за предоставленные данные, Чуп-ровой В.П. за помощь в обработке данных.
Литература
1. Дорман Л.И., Мирошниченко Л.И. Солнечные космические лучи. Москва: Наука, 1968, 1027 с.
2. Крымский Г. Ф., Кузьмин А.И., Филиппов А.Т. и др. Вспышка космических лучей 29 сентября 1989 г., по данным Якутского комплекса установок. Доклады АН СССР. Т. 314. № 4. Москва, 1990. С. 824-826.
3. Филиппов А.Т., Чирков Н.П. Ускорение частиц до релятивистских энергий в межпланетной среде // Известия АН СССР. Серия физическая. 1978. Т. 42. 5. С. 1079-1081.
4. Филиппов А.Т., Кузьмин А.И., Чирков Н.П. Крупномасштабные возмущения солнечного ветра во время событий, связанных с ускорением частиц до релятивистских энергий в межпланетной среде // ИзвестияАН СССР. Серия физическая. 1983. Т. 47. С. 1703-1707.
5. http:/Solar wind. cosmos.ru/materials.htm.2003.
6. Крымский Г.Ф. Диффузия космических лучей от Солнца. Исследование по геомагнетизму и аэрономии. Москва: Наука, 1966. С. 143-146.
7. Burlaga S.M. Interplanetary Diffusion Model for the Time Behaviour of Intensity in Solar Cosmic Ray.J.Geophys.Res., 1967, V.72. P.4449-4466.
8. Filippov A.T., Chirkov N.P. The Flare on October 12.1981 as a New Case of Cosmic Ray Acceleration in Inter-planetary Medium. 9-th European Cosmic Ray. Symposium, Roma, 1982, A-1.3.
A.T. Filippov, VE. Timofeev
E > 1 GeV solar energetic particle flares in October - November 2003
Three major chromospheric flares in the region № 486 generating the relativistic particles with E < 7*109 eV taken place on the visible disk of the Sun at the decay of 23rd solar cycle late in October and early in November 2003. During these events, the interplanetary shocks with the velocities = 1000 km/s were observed. In this work the increases of solar energetic particle fluxes on October 28 and 29 and November 2, 2003 are investigated based on data of the Yakutsk installation complex and the Tixie neutron supermonitor.
J J J
