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

поскольку из,меняется долевой вклад u-мезонов, (вклад р- мезонов [31] при нормальной интенсивности — 7 %).

Следует учесть также эффект от радиоактивного фона окружающей среды и счетчиков [36].

Поэтому целесообразно оценить эффекты каждого из вышеприведенных факторов, чтобы не усомниться в реаль­ ности изменения барометрического эффекта 11-летних из­

протонами, захваченными детектором ц-мезонами и локаль­ ными продуктами загрязнения. Поэтому нами вычисленные значения барометрического коэффициента по нашему мнению могут быть немного занижены и являются как бы средними

рический коэффициент, /г.,—доля нейтронов от захваченных р—

—мезонов и |32 их барометрический коэффициент, п3—для ней­

гдеДп(/г) = (1 — а —у)(ехр[ — р, /г]— 1) число нейтронов обусловлен­ ных изменением интенсивности падающих на детектор нейтро­ нов и Д«(/г) = сс(ехр[ —р2/г]—1)—число нейтронов обусловленных изменением интенсивности захваченными детектором р— мезона­ ми за счет изменения давления + /г от среднего hQ значения. Общий средний счет в нейтронном детекторе при давлении h0 принят за единицу.

31

абсцпсе отложена интенсивность в относительных единицах, а

~Л%/т8

по оси ординат — значение барометрического коэффициента. Анализ полученных результатов показывает, что при практи­ чески наблюдаемых изменениях общей интенсивности,

(~ 1 5-1-20%) эффект захваченных р.-мезонов ~7% и локальных продуктов загрязнения—'24-3% в принципе можно обнаружить по экспериментальным данным наблюдения нейтронных монито­ ров типа МГГ.1*

32

магнитных полей предсказывалось в [28, 59]. Ныне уже не стоит вопрос существует лн на самом деле солнечный ветер, поскольку он непрерывно измеряется па межпланетных станциях. Теперь возникли другие проблемы в связи с ис­ следованием солнечного ветра. Среди этих задач особо выде­ ляются следующие вопросы:

1. Размеры области действия солнечного ветра rtl п

.характер взаимодействия при встрече с галактическим газом 2. Какова его .структура вцелом в межпланетной среде п как её можно изучать по различным проявлениям, в том

числе п по вариациям в космических лучах.

3. Какова структура магнитных силовых линий на раз­ личных расстояпп.х от Солнца п каковы особенности дина­

Однако, нельзя не указать на важность вопроса химического состава межпланетной среды н спектральной характеристи­ ки модулированных и немодулпровапных частиц космичес­ кого излучения.

§1. 2. 27-дневные изменения интенсивности космических лучей и различных характеристик солнечной и геомагнитной активности периода МГГ. Асимметричный солнечный ветер

Впервые 27-дневные вариации интенсивности космичес­ ких лучей были обнаружены Гессом п Грацпаденм [61], Ман­

[641 обратил внимание на то, что 27-дневные вариации кос­ мических лучен должны чаще появляться не в экстремумах 11-летней цикличности солнечной активности, а лишь вбли­

началом зарождения 27-дневиых колебаний интенсивности космических лучей посвящены исследования Ягп [67]. Оп­ ределенный интерес вызвала работа [68] по нахождению пе­ риодов Т (в сутках) вариации космических лучей, связанных с вращением Солнца для различных эпох солнечной актпв-

34

пости и т. п. Определению периодов близких к периоду вра­ щения Солнца в изменениях интенсивности космических лу­

ружили существование флоккул, повторяющихся более чем один оборот Солнца. Тем не менее в работе [//] геомагнит­ ные возмущения удалось связать с долгоживущими актив­ ными образованиями на Солнце. Представляет интерес ус­ тановить аналогичную связь между изменениями солнеч­ ной активности, геомагнитной активности п вариациями космических лучен. В большинстве случаев [12] такая связь выявляется довольно четко. Однако такое сопоставление уда­ ется установить не всегда. Дело в том, что экстремумы пов­ торяемостей интенсивности космических лучей связать с отдельными конкретными образованиями в максимуме сол­ нечной активности часто не представляется возможным по той причине, что в одних н тех же оборотах бывают такие случаи, когда имеются несколько долгоживущих активных областей. Если 27-дневная повторяемость космических лу­ чей обуславливается корпускулярными потоками, связанны­ ми с отдельными активными образованиями на Солнце, то минимумы интенсивности космических лучей должны быть определяющими при создании повторяемостей с периодом, равным периоду вращения Солнца. Однако минимумы в 27-дневной волне космических лучен искажаются эффекта­

обязательно существование эффекта Форбуша именно в ми­ нимуме повторяемости, тогда как максимумы повторяемос­ ти интенсивности космических лучей могут искажаться толь­ ко при наличии эффекта Форбуша на гребне 27-дневной волны космических лучей. Однако последнее событие значи­ тельно менее вероятно, поскольку, как было показано в ря­ де работ [78, 79], эффекты Форбуша вызываются в основ­ ном потоками, идущими, как правило, внутри широких раз­ мазанных потоков, вызывающих 27-дневные вариации кос­ мических лучен. Отсюда понятно, почему наблюдается хо­ рошо выраженная тенденция повторяемости именно макси­ мумов интенсивности космических лучей с периодом, рав­

35

этом случае также было-бы попятно наличие хорошо выра­ женной тенденции к повторяемости максимумов интенсив­ ности нейтронной компоненты. Для решения этого вопроса Коллинс [80] провел анализ 27-дневной волны по данным наблюдений нейтронной компоненты на станции Веллинг­ тон в часы, когда станция находилась внутри н вне ударных зон попадания солнечных частиц.

Однако не было обнаружено сколько-нибудь существен­ ной разницы для этих случаев. Из этого Коллинс [80] де­ лает вывод, что генерация частиц па Солнце не может быть причиной обсуждаемых вариации. Следует отметить, что этот результат представляется нам мало доказательным, поскольку, как было показано в работах [81, 82], в кото­ рых проводилось исследование эффектов малых солнечных вспышек в космических лучах, в максимуме солнечной ак­ тивности, пз-за наличия интенсивного рассеяния солнечных частиц на магнитных неоднородностях в межпланетном про­ странстве, практически не существуют ударные зоны попа­ дания солнечных частиц. Эффект малых вспышек оказыва­ ется одинаковым, как в часы, когда станции находятся в ударных зонах, так и в часы, когда станции находятся вне ударных зон. Таким образом, необходимо дополнительное исследование для решения поставленного вопроса о роли ге­ нерации быстрых частиц на Солнце для создания 27-дневныч вариаций космических лучен. С этой точки зрения важно привлечь данные об энергетическом спектре 27-дневных ва­ риации. Как было показано в работе [70] на основе дан­ ных мировой сети станций с применением метода коэффи­ циентов связи, спектр 27-дневных вариаций космических лучей существенно отличается от спектра частно, генериро­ ванных на Солнце н вызывающих возрастания на Земле (как

их — скорее всего рассеяние частиц замороженными маг­ нитными полями солнечных корпускулярных потоков [281 или наличие неенмметрнм в солнечном ветре неоднороднос­ тей магнитного поля [83]. При действии механизма рассея­ ния космических лучей важно найти связь минимумов 27дневной волны с индексами солнечной активности. Однако, минимумы повторяемости космических лучей, как уже отме­ чалось, значительно искажены эффектами Форбуша. Устано­ вить же однозначную св-язь .между .макетшу-мамн 27-дневной периодичности космических лучей, которые при механизме рас­ сеяния должны появляться примерно через 14 дней после прохождения активных областей через центральный мери­ диан Солнца, и активными образованиями на Солнце, от­ ветственными за создание тенденции к повторяемости кос-

33

мпческпх тучей, весьма трудно, так как интервал времени довольно большой п в каждом обороте Солнца много пов­ торяющихся активных образований.

Для выяснения механизма 27-дневных вариаций косми­ ческих лучей имеет смысл провести анализ методом исклю­ чения, обсудив п отбросив те механизмы, которые заведомо противоречат экспериментальным данным. В [12] таким об­ разом, был отвергнут механизм создания 27-дпевных вариа­ ций космических лучен в результате непосредственного воз­ действия изменяющегося геомагнитного ноля па траектории космических частиц н их жесткости обрезания. Не подходит также и механизм 27-дневных вариаций, связанный с гене­ рацией дополнительного потока частиц относительно высо­

ких энергий Солнцем.

Анализ показывает, что 27-дневная повторяемость кос­ мических лучей не всегда возникает вместе с 27-дневпой повторяемостью возмущений геомагнитного поля [70]. В геомагнитных возмущениях п в космических лучах 27-днев- ная повторяемость может устанавливаться при различных оборотах Солнца. Можно предположить, что 27-дневная повторяемость возмущенностн геомагнитного поля возник..- пт благодаря относительно узким солнечным корпускуляр­ ным потоком. .Максимумы возмущенностн геомагнитного по­ ля возникают с опозданием на 2—3 дня после прохождения активных областей через центральный меридиан Солнца. Связь этих явлений относительно легко установить [84]. Ес­ ли 27-дпевная периодичность космических лучей обусловли­ валась бы исключительно такими узкими корпускулярными потоками Солнца, то она должна была бы наблюдаться вместе с аналогичной повторяемостью возмущенностн гео­ магнитного поля. Эта закономерность должна была бы на­ рушаться лишь при отсутствии вмороженных магнитных нолей в корпускулярных потоках: в этом случае не должно

ряемость должна была бы ощущаться. Таким образом, если это предположение правильно, то не должно быть случая, когда наблюдается 27-дневная повторяемость космических

лучей, но нет аналогичной повторяемости в геомагнитных возмущениях. Однако наблюдения показывают, что есть та­ кие случаи, когда 27-дневная повторяемость существует в космических лучах и отсутствует в возмущениях геомагнит­ ного поля.

Рассмотрим, теперь, связь с другими факторами. Числа сол'нечиы'х .пятен W больше, чем возмущеш-гость геомагнит­ ного поля, обнаруживают соответствия с изменениями ннтен-

37

спвпости космических лучей, однако п здесь наблюдаются случаи нарушения однозначной связи.

Учитывая сделанные замечания, можно полагать, что в общем случае механизм создания 27-дневпых вариаций кос­ мических лучей сводится к следующему [12, 131. Из Солнца непрерывно испускается плазма, которая растекается во все стороны п заполняет межпланетную среду. Степень выбра­ сывания плазмы зависит от стадии цикла солнечной актив­ ности. В тех случаях, когда намагниченная плазма испус­ кается с некоторой анизотропией по направлениям (при на­ личии хорошо выраженных активных долгот па Солнце), то должна возникать несимметричность в скорости потока плазмы, в напряженности регулярных н нерегулярных маг­ нитных полей, в размерах магнитных неоднородностей т. е. должен возникать так называемый несимметричный солнеч­ ный ветер ]12, 13[. Таким образам, обсуждаемая здесь мо­ дель сводится к модели корпускулярного потока без опре­ деленных резких границ, т. е. в общем случае потоки дол­ жны быть широкими, Причем часто может случаться так, что одни потоки проходят в других. В минимуме солнечной активности вытекание плазмы должно сосредоточиваться ис­ ключительно вблизи активных образований, которые чрезвы­ чайно малы в этот период и поэтому можно в принципе ус­ тановить однозначную связь с ними 27-дневных вариаций космических лучей, что удалось, например, сделать в работе [84]. Таким образом, 27-дневные вариации космических лу­ чей должны возникать, в результате суперпозиции многих потоков, так что в большинстве случаев не имеет смысла связывать эффект вращения Солнца в космических лучах с конкретным видимым на солнечном диске локализованным источником с относительно малыми размерами.

По найденной шпротной зависимости 27-дневиых вариа­ ций космических лучей [70] удается вычислить энергети­ ческий спектр частиц, вызывающих 27-дневные вариации космических лучей. Эти расчеты, выполненные по данным нейтронной компоненты наземных п горных станции [70J (всего около 40 станций), а также путем сравнения с дан­ ными подземных н стратосферных наблюдений [85, 69], показывают, что спектр 27-дневных вариаций космических лучей для периода максимума солнечной активности весьма близок к спектру эффекта Форбуша ibo время мап-штных

бурь ДО (R) ~ /^-о.о±ил Гд6 ДD (£>) относительное изменение

спектра космических лучей в зависимости от жесткости R. Расчеты [12] показывают, что 27-дневные изменения геомаг­ нитного поля в первые шесть месяцев МГГ непосредственно

38

не могли обусловить во всяком случае более чем 0,1 долю от наблюдаемых вариаций космических лучен, связанных с вращением Солнца (притом обратного знака, чем наблюдае­ мые вариации). Максимумы 27-дневных вариаций космичес­ ких лучен более склонны к повторяемости, чем минимумы. Эта тенденция проявляется также в суточной вариации кос­ мических лучен. Этот важный факт находит свое естествен­ ное объяснение в той интерпретации 27-дневных вариаций, которая была дана па основе анализа широкого комплекса данных мировой сети станций [12, 13, 86]. Анализ показы­ вает, что 27-дневные вариации космических лучей появля­ ются в виде ограниченных пакетов волн: в течение 11-летне­ го цикла солнечной активности 27-дневиые вариации возни­

среднем варьирует незначительно [12, 74, 87]. Имеются од­ нако все же случаи, когда время жизни т достигает ~ 2 2 оборотам Солнца [88]. Это, в частности, соответствует эпохе

1962—1963 гг.

Таким образом, нам представляется, что главная причи­ на 27-дневных вариаций космических лучей — во вращаю­ щемся несимметричности электромагнитных условий в меж­ планетном пространстве большого объема, включающего земную орбиту. Эта асимметрии, связанная в свою очередь с анизотропным испусканием намагниченной плазмы при на­ личии па Солние активных долгот, дает в космических луиах интегральный эффект, существенно уменьшающийся с ростом жесткости частиц.

Как мы видим, бывают типы 27-дневных вариаций га­ лактических космических лучей, которые могут быть объяс­ нены лишь на основе представлений асимметричного солнеч­ ного ветра магнитных неоднородностей [12, 13, 83]. Однако. 27-дневные вариации космических лучей в отдельных случа­ ях могут быть объяснены без привлечения модели асиммет­ рии солнечного ветра [12, 13, 83]. В принципе 27-дневные вариации космических лучей могут наблюдаться при непос­

39

мезонной) компоненте, 27-дневные вариации космических лучей дополнительно могут возникнуть из-за нагрева атмос­ феры, вклад которого может периодически (с периодом вра­ щения Соднца) изменяться п т. д. В настоящей главе будет рассмотрена главным образом 27-дневная модуляция, обус­ ловленная асимметрией солнечного ветра.

§ 2. 1. Квазнспиральный характер изменения 27-дневной вариации космических лучей с солнечной активностью

В § 1.2, настоящей главы говорилось, что данные о 27-диевной вариации космических лучен дают некую инфор­ мацию о степени асимметрии солнечного ветра и времени существования этой асимметрии в межпланетном простран­ стве.

Бурные физические процессы, происходящие на Солнце, меняют условия прохождения космических лучей в межпла­ нетном пространстве. Ясно, что проявление эффекта враще­ ния Солнца в интенсивности космических лучей и в меж­ планетной среде изменяются от оборота к обороту Солнца. Кроме того, воздействие асимметричного солнечного ветра на космические лучи зависит от жесткости частиц п эффек­ ты в разных диапазонах энергии могут быть различными. Поэтому исследование характера изменения 27-дневной ва­ риации по данным различных станций для отдельных пос­ ледовательных оборотов Солнца является естественным. Однако, во многих случаях, как показывает анализ, для выявления ряда характеристик, вполне достаточным явля­ ется рассматрение двух пли нескольких станций регистраций космических лучен в различных диапазонах энергий.

Исходя из этого, для исследования изменения амплиту­ ды и фазы 27-дневной волны интенсивности космических лучей М. В. Алания, Л. II. Дорман, Л. X. Шаташвшш [90] провели гармонический анализ по 27 ординатам среднесу­

точных значений интенсивности нейтронной компоненты /V космических лучей на ст. Клаймакс (80 оборотов Солнца) н Норпкура (70 оборотов Солнца) п чисел W пятен Вольфа (80 оборотов Солнца). Номера оборотов для обеих станций н чисел пятен W отсчитываются от 1389-го оборота — июля 1957 г.

Для увеличения статистической точности найденные коэффициенты а и b были оораднены по скользящему периоду в 6 оборотов. Результаты приведены на рис. 10 для Клай­ макс, на рис. 11 для Норпкура и на рис. 12 для W (цифры у векторов — номера оборотов, т. е. цифра I соответствует

40