книги из ГПНТБ / Алания М.В. Квазипериодические вариации космических лучей

27-дневной вариации и анизотропии, с которой связан вопрос о времени жизни того распределения солнечной активности по гелиодолготе, которое установилось к началу МГГ.

Наибольший интерес из работ последних лет в облает;' 27-дневных вариаций анизотропии космических лучей вызы­ вают исследования, проведенные в [88, 141, 142, 143, 144]. В [88, 142, 143] проводились интерпретации выявленных 27дневных вариаций суточной анизотропии. В [88] проводится анализ планетарных данных космических лучей за период август 1962 г. по декабрь 1963 г. Сравнивая суточные вари­ ации мезонных и нейтронных компонент, автор работы [88] заключает, что дополнительная анизотропия, создающая периодические изменения суточных вариаций, не могла быти обусловлена дополнением лишь одной анизотропии в меж­ планетном пространстве. Согласно Мори [88] 27-дневная ва­ риации анизотропии космических лучей в основном должна обуславливаться периодическими изменениями плазменного потока от Солнца. Для объяснения 27-дневной анизотропии в [88] допускается суперпозиция двух анизотропии (одна из них в направлении от Солнца, а другая-перпенднкуляриая к силовой липни, направленная во внутрь спирали). Более того, в работах [88] суточные изменения изучались с целью выявления связи 27-дневных вариаций анизотропии косми­

[141, 142] было показано, что период первых 6д-8 месяцев МГГ 27-дневные вариации суточных изменений нейтронной компоненты космических лучей имели следующие особен­ ности:

1. Амплитуда суточной вариации коррелирует с интен­ сивностью космических лучей.

2. Амплитуда радиальной составляющей вектора суточ­ ной вариацииЛг< 0 в течение 1/3 оборота Солнца, а в тече­ ние остальных 2/3 оборота Солнца Аг> 0.

3. В течение оборота Солнца азимутальная составляю­ щая совершает одно колебание в то время, как радиальная

—два колебания.

4.Амплитуда 27-дневной анизотропии = 0,3%.

111

В этой части нам хотелось бы остановиться белее под­ робно на работе Л. X. Шаташвплп и А. К. Панкратова [143] по 27-дневным вариациям анизотропии космических лучей согласно данным за весь период МГГ. При этом одной

проф. А. Е. Чудаков. К тому же следует указать, что в ра­ боте [143] делается попытка изучить 27-дневные изменения суточных изменений анизотропии за весь период МГГ в свя­ зи с структурными изменениями на Солнце п соответст­ венно в межпланетной среде от оборота к обороту Солнца.

Для определения суточной вариации космических лучей, в работе [143] использован метод, предложенный А. А. Степаняном в работе [145]. В соответствии с этим методом су­ точная вариация определяется по данным станций с близки­ ми жесткостями обрезания космических лучей, расположен­ ных на разных долготах. При этом были использованы дан­ ные нейтронной компоненты космических лучей станции Хер-

стмонсе (ф = 53,5°), Алма-Ата (ф = 33,5°), Якутск (ф = 51,5°), Хобарт (ф = 51,5°), Беркли (ф = 44,1°), Оттава (ф = 55,8°), за период июль 1957 г. — декабрь 1958 г.

Определив гармонические коэффициенты по шести ор­ динатам, соответствующим шести направлениям в простран­ стве, по данным за весь период МГГ, авторы работы [143] проводили дальнейшее осреднение методом наложения эпох. В качестве нулевых взяты дни с максимальными п, отдель­ но, минимальными значениями-планетарной интенсповнортп нейтронной компоненты космических лучей за первые четы­ ре месяца МГГ [12, 70].

При определении суточной вариации приближенно учи­ тывался угол сноса частиц в геомагнитном поле, средний по всем станциям. Поэтому гармонические коэффициенты оп­ ределяют направление вектора анизотропии космических лучей вне магнитосферы Земли.

Ниже мы всюду пользуемся (для краткости) не точ­ ным, но более удобным термином «27-диевпая вариация анизотропии» вместо неудобного, по более точного термина

112

«27-диевная вариация вектора суточной вариации, направле­ ние, которого исправлено на снос в геомагнитном поле».

С целью повышения точности полученных результатов, все полученные кривые были дополнительно осреднены ме­ тодом скользящих средних (период осреднения четыре обо­ рота Солнца с шагом в один оборот Солнца).

Результаты вычисления 27-дневных вариаций анизотро­ пии нейтронной компоненты космических лучей за весь пе-

Рис. 51. 27-дневные вариации радиальной Аг и азимутальной ,4у составля­ ющих суточной вариации нейтронной компоненты космических лучен, по­ лученные методом наложения эпох, когда за нулевые дни брались дин а) максимальной и б) минимальной планетарной интенсивности космических лучей, Кривые а) и б) дополнительно осредиеиы методом скользящих сре­

дних (период осреднения 4 оборота Солнца).

рпод МГГ (июль 1957 г. — декабрь 1958 г.) представлены на рис. 51. На рис. 51 представлены результаты 27-дневных вариаций радиальной А, п азимутальной Лф составляющих суточной вариации (нейтронной компоненты космических лучей, полученных методом наложения эпох, когда за нуле­ вые дни брались дни максимальной (а) и минимальной (б) планетарной интенсивности космических лучей. Статистичес­

кам. Из рисунка видно, что кривые, полученные по нуле­ вым дням максимальной интенсивности, сдвинуты пример­ но 1/2 оборота относительно кривых, полученных по нуле­ вым дням минимальной интенсивности космических лучей.

Более того, можно утверждать, что 27-дневная вариа­ ция анизотропии присутствует во всех оборотах Солнца пе­ риода МГГ. Во всяком случае трудно указать, где она ис­ чезает. Отсюда следует, что время жизни 27-дневной вариа­ ции анизотропии того же порядка, а возможно и больше времени жизни 27-дневной вариации интенсивности косми­ ческих лучей, установленного в [12].

Рассмотрим эппциклограммы, составленные по осредненным значениям Аг и Лф (рис. 51). На рис. 52 показаны 27-дневные эппциклограммы суточной вариации, полученные по нулевым дням, соответствующим максимальной (а) и минималь­ ной (б) интенсивности космических лучей. Числа у точек ука­ зывают порядковый номер суток в данном t-том обороте Солн­ ца (i = 1,2....XIV). Для примера на рис. 52 приведены эпицнк-

Рпс. 52. 27-дневиые эпициклограммы, составлен­ ные по осредненным зна­ чениям (рис. 51) Аг и А ф суточной вариации нейт­ ронной компоненты кос­ мических лучей. Римские цифры с соответствующи­ ми надписями шах и min

указывают последователь­ ные номера оборотов Сол­ нца, исчисляемые от на­ чала МГГ по кривым, представленным на рис. 51; max (рис. а) означает, что указанная диаграмма получена путем осредне­ ния по нулевым дням мак­ симальной планетарной интенсивности космичес­ ких лучей, a min (рис. б) означает, что указанная диаграмма получена пу. тем осреднения по нуле­ вым дням . минимальной интенсивности космичес­

ких лучей

114

ции на данной фазе оборота Солнца. Направление дополнитель­ ного потока космических лучей, создающего анизотропию, про-

115

тивоположно направлению самого вектора, Анализ всех 29 эпи­ циклограмм [143] показывает, что 27-дневная вариация анизо­ тропии сохраняется вплоть до 11-12 оборотов Солнца. Особен­ но резко она выражена первые 7-8 оборотов Солнца, причем наибольшей амплитуды она достигает на 5-ом обороте Солнца. Примерно в этом же обороте отмечается максимум амплитуды 27-дневных изменений интенсивности космических лучей. Есть признаки, того, что 27-дневная вариация анизотропии медленее исчезает, чем 27-дневные вариации интенсивности космических лучей [12]. Интересно отметить, что перед разрушением 27-днев­ ных колебаний анизотропии вектор суточной вариации вырисо­ вывает несколько витков за один оборот Солнца. Периодически (с периодом близким к 27-суткам) суточная вариация становит­ ся исчезающе малой в те дни, когда наблюдается минимальная интенсивность космических лучей [12]. Анализ же рис. 51, 52 показывает, что в первых оборотах Солнца в азимутальной сос­ тавляющей отчетливо выражен основной период равный 27-сут­ кам, а в радиальной составляющей Аг наблюдается еще и вто­ рая гармоника от основного периода. Однако с течением време­ ни помимо первой и второй гармоник появляются п высшие гар­ моники (особенно это легко заметить в 9—11 эпициклограммах

[43].

Исходя из всего этого, Л. X. Шаташвплп, А. К- Пан­ кратов провели 27-дневный гармонический анализ кривых, представленных на рис. 51. Результаты 27-дневного Фурье-

нику. Амплитуда третьей и четвертой гармоник в первом обороте Солнца не превышает статистическую ошибку. Циф­ ры у точек на кривых рис. 53 обозначают последовательные значения фазы 27-дневного периода (через каждые 20° дли левого эллипса, п через 2.20° — для правого). Большие по­ луоси левых эллипсов равны 0,10%, а малые — порядка

,116

статистической ошибки. Большие полуоси эллипсов первой гармоники с точностью до экспериментальных ошибок ориен­ тированы вдоль силовой линии спирального межпланетного толя.

Изучение 27-дневных изменений суточной вариации кос­ мических лучей представляет значительный интерес с точ-

а)

б)

Рис. 53. Эллипсы первых и вторых гармоник 27-дневного фурье-разложения эпициклограмм / П1ах и 1т\а (рис. 52). Левый эллипс (вокруг среднего значения суточной вариа­ ции) представляет первую гармонику 27-дпевного Фурье разложения, а правый (вокруг начала координат)—2-ю гар­

монику

кп зрения изучения неспмметрпи солнечного ветра по гелио­ долготе. Такой анализ был проделан на данном этапе лишь по наблюдениям за период МГГ. Для полного анализа сле­

117

довало бы привлечь данные за 'более длительный интервал времени. Следовало бы привлечь и данные жесткой ком­ поненты космических лучей. Однако, уже сейчас можно сде­ лать ряд заслуживающих интереса выводов.

Наложение эпох производилось отдельно для радиальной Аг и отдельно для азимутальной Лф, составляющих суточ­ ной вариации. Поэтому (в течение периода вращения Солн­ ца) происходило векторное усреднение нестационарной (пе­ ременной) составляющей суточной вариации космических лучей с сохранением амплитудно-фазовых соотношений. Из рис. 53а и 536 видно, что максимум интенсивности / тах кос­ мических лучей совпадает по времени с максимумом анизо­ тропии, а минимум интенсивности А»п — с минимумом

анизотропии, в течение длительного времени. Во время ми­ нимальной интенсивности космических лучей векторы пер­ вой и второй гармоник 27-дневного периода направлены в одну сторону (рис. 536), а во время максимума интенсивнос­ ти — в противоположные стороны (рис. 53а). Поэтому вре­ менные изменения амплитуды вектора анизотропии можно представить в виде:

рой гармоник 27-дневного периода. Именно такое поведение анизотропии следует ожидать в случае существования на Солнце не одной, а двух примерно противолежащих актив­ ных долгот. Существование двух активных долгот на Солн­ це в период МГГ отмечалось многими авторами [146, 154]

по самым различным проявлениям солнечной активности. Поэтому можно предположить, что вторая гармоника 27дневной вариации обязана своим происхождением присутст­

вию двух активных долгот на Солнце. Амплитуда второй гармоники в первые 6—7 оборотов Солнца примерно вдвое меньше, чем первой. Поэтому вторая активная долгота сла­ бее в смысле ее влияния на суточную вариацию космических лучей в эти обороты Солнца.

118

Изменение суточной вариации с периодом Т — 21 суток говорит о том, что в течение оборота Солнца наблюдается значительное изменение соотношения конкурирующих' про­ цессов конвекции п диффузии, приводящих к возникновению анизотропии.

Реальность второй гармоник 27-дневной вариации не обнаружена в интенсивности космических лучей, хотя в [12] отмечалась необходимость изучения влияния двух активных, долгот на 27-дневную вариацию космических лучей.

Можно отметить две возможные причины такого поло­ жения. Первая из них заключается в том, что ширина мак­ симумов п узость (и глубина) минимумов на кривой интен­ сивности космических лучей (см. рис. 5 в [12]) приписыва­ лись до сих пор, главным образом, влиянию Форбуш-понн- жений. Однако при существовании двух гармоник, например

форму кривой интенсивности космических лучей может су­ щественным образом влиять и существование двух активных долгот на Солнце.

Вторая причина заключается в том, что при исследова­ нии 27-дневиых вариаций широко применяется разность между кривыми, полученными по нуль-дням максимумов и нуль-дням минимумов интенсивности космических лучей (разностная кривая имеет более четко выраженную форму, близкую к синусоиде [11. 70, 72]). Однако, такая операция не всегда оправдана.

Из рассмотрения выражений (3.3.1) (3.3.2) видно, что при наличии двух противолежащих активных долгот в раз­ ностной кривой удваивается амплитуда первой гармоники и подавляется вторая гармоника. Таким образом, применяя операцию вычитания кривых, заранее лишают себя воз­ можности изучать вторую и другие четные гармоники, свя­ занные, например, с четырех секторной структурой межпла­ нетного магнитного поля [58].

§ 4. Тбилисский комплекс вариации космических лучей

Возможность исследования структуры межпланетного магнитного поля в области орбиты Земли (величина и нап-

119

равленпе магнитного поля, пространственное и временное распределение) с помощью различных гармоник суточной вариации в широком диапазоне энергии космических лучей, довольно четко обоснована [155, 156, 157]. При этом, если учесть, что величины гармоник суточной вариации изменя­ ются в широком диапазоне — (0,504-0,03%) в области энер­

мощью космических лучей без осреднения данных за боль­ шой период наблюдения, становится очевидным высокая требовательность к точности данных, полученных за относи­ тельно короткий промежуток времени.

Для исследования вариации интенсивности космических

С х е м а р а с п о л о ж е н и я I ' У я р у с о в ( у р о в н е й )

Тбилисской подземной лаборатории

Рис. 54

(рис. 54) . Подземная шахта состоит из пяти уровней (яру­ сов), .краткая характеристика которых приведена в табл. 3.1.

120