Исследование временных изменений показателя спектра
реклама
Исследование временных изменений показателя спектра амплитуд… Н.С. БАРБАШИНА, И.И. АСТАПОВ, А.Н. ДМИТРИЕВА, А.А. ПЕТРУХИН, Д.А. ТИМАШКОВ Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЯ СПЕКТРА АМПЛИТУД ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЙ ПО ДАННЫМ МЮОННОГО ГОДОСКОПА УРАГАН Представлены результаты анализа интенсивности потока мюонов во время форбуш-эффектов, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН в 2005–2006 гг. в области энергий первичных космических лучей более 10 ГэВ. Показано, что измерения интенсивности под различными зенитными углами и, соответственно, с различными энергетическими порогами позволяют исследовать энергетические зависимости амплитуды форбуш-понижения на разных фазах события. Проведено сравнение с результатами, полученными для более низких энергий с помощью нейтронных мониторов. Космические лучи (КЛ) представляют собой поток заряженных частиц высоких энергий из космического пространства (первичные КЛ), которые взаимодействуют с верхними слоями земной атмосферы и генерируют поток вторичных частиц. Наблюдаемые на поверхности Земли вариации КЛ являются интегральным результатом различных солнечных, гелиосферных и атмосферных явлений. Одним из ярких примеров влияния солнечной активности на КЛ являются форбушэффекты (ФЭ), которые представляют собой резкое понижение интенсивности КЛ, вызванное отклонением заряженных частиц неоднородностями межпланетного магнитного поля, связанными с ударными волнами в солнечном ветре. Исследования ФЭ на поверхности Земли ведутся в основном в потоке нейтронов, регистрируемых с помощью наземных нейтронных мониторов. Этот подход используется более 50 лет и чувствителен к вариациям КЛ относительно низких энергий, которым соответствуют большие амплитуды наблюдаемого эффекта. Нейтронные мониторы объединены в единую сеть, которая позволяет проводить глобальную съемку вариаций космических лучей по всему земному шару с помощью установок, расположенных в различных географических точках. Создание аппаратуры нового поколения мюонных годоскопов [1], которые регистрируют поток мюонов КЛ на поверхности Земли одновременно с различных направлений, позволило проводить пространственно-угловые измерения модуляций КЛ в околоземном пространстве и изучать динамику изменения потока мюонов в широком диапазоне зенитных и азимутальных углов с помощью одной установки. В частности, измерения зенитно-угловой зависимости потока мюонов во время ФЭ позволяют исследовать это явление в широком энергетическом интервале на разных стадиях развития события в одной точке наблюдения. В данной работе проводится анализ интенсивности потока мюонов во время форбушэффектов, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН [2] в 2005 – 2006 гг. в области энергий первичных космических лучей более 10 ГэВ. Мюонный годоскоп УРАГАН состоит из отдельных горизонтальных супермодулей (СМ) и обеспечивает регистрацию частиц в широком диапазоне зенитных углов (от 0 до 84) с угловым разрешением около 0.8. Для анализа использовался как интегральный темп счета одного СМ, представляющий собой усредненные 10минутные данные, скорректированные на барометрический эффект, так и темп счета для пяти зенитно-угловых интервалов: 0–17, 17–26, 26–34, 34–44 и более 44, границы которых выбраны исходя из равной статистической обеспеченности. Для этих зенитно-угловых интервалов были рассчитаны медианные энергии первичных протонов (E0.5), дающих основной вклад в темп счета мюонного годоскопа. Их значения равны: 13.4, 14.3, 16.2, 18.3 и 24.1 ГэВ соответственно для каждого углового интервала [3]. За время работы мюонного годоскопа УРАГАН в 2005 – 2006 гг. было зарегистрировано восемь ФЭ. С помощью единой методики, суть которой заключается в использовании усредненных темпов счета до и после падения за различные интервалы времени с учетом различных трендов (суточные вариации, префорбуш-повышения, восстановление после падения и т.д.) [4], были получены основные параметры, характеризующие ФЭ, в том числе величина амплитуды падения темпа счета детектора во время ФЭ (AFD) для пяти зенитно-угловых интервалов. Используя полученные значения были построены зависимости амплитуды падения от медианной энергии первичных протонов (рис. 1), которые фитировались степенной функцией E. Значения параметра и величина критерия 2 приведены в таблице. Значения и 2 для ФЭ, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН Исследование временных изменений показателя спектра амплитуд… 1.29 20 февраля 2006 г. 0.16 0.20 1.25 13 апреля 2006 г. 0.46 0.12 1.08 9 ноября 2006 г. 2.01 0.07 2.01 14 ноября 2006 г. 1.01 0.19 0.74 29 ноября 2006 г. 0.41 ± 0.21 0.62 14 декабря 2006 г. 0.72 0.08 0.66 E0.5, ГэВ 44o-70o 44o-70o 34o-44o 26o-34o 0o-17o 17o-26o AFD, % DECOR 44o-70o 34o-44o 1,4 1,2 18 E0.5, ГэВ 0,8 4 20 22 24 34o-44o 5 18 E0.5, ГэВ 3 29 Nov 2006 20 22 24 16 44o-70o 1 14 6 26o-34o AFD, % 1,4 20 22 24 26 44o-70o 1,6 18 E0.5, ГэВ 13 Apr 2006 0o-17o 17o-26o 16 1,2 44o-70o 16 14 34o-44o 12 1,8 26o-34o 26o-34o AFD, % E0.5, ГэВ 0o-17o 17o-26o 16 18 20 22 24 26 2830 0,2 14 Nov 2006 14 1 20 Feb 2006 0,6 0,4 20 22 24 26 0o-17o 17o-26o AFD, % 34o-44o 18 1 0,8 44o-70o 16 14 1,2 9 Nov 2006 14 0,4 1,6 0,3 34o-44o E0.5, ГэВ 1 0,5 1,8 15 May 2005 16 18 20 22 24 26 2830 26o-34o 2 0o-17o 17o-26o AFD, % 14 0,7 0,6 2 8 May 2005 3 26o-34o 4 0o-17o 17o-26o AFD, % 2 5 3 DECOR 44o-70o 26o-34o 3 34o-44o 4 0o-17o 17o-26o AFD, % 5 34o-44o 0.37 0.11 26o-34o 15 мая 2005 г. 0o-17o 17o-26o 2 0.51 AFD, % 8 мая 2005 г. 0.88 0.07 ФЭ 14 16 18 14 Dec 2006 20 22 24 E0.5, ГэВ 14 16 18 20 22 24 E0.5, ГэВ Рис. 1. Зависимость амплитуды форбуш-понижений от медианной энергии первичных протонов для восьми событий, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН Как видно из таблицы, значения показателя степени амплитудного спектра различны, причем только для трех событий (8 мая 2005 г., 14 ноября и 14 декабря 2006 г.) они близки к 1, остальные лежат в диапазоне от 0 до 2. Возможно, это связано с разнообразием процессов в гелиосфере или же с анизотропией потока КЛ в каждом событии. Временное и угловое разрешение мюонного годоскопа УРАГАН позволяет исследовать динамику показателя амплитудного спектра в различные моменты времени, то есть на разных фазах развития ФЭ. Для решения этой задачи, вариации интенсивности потока мюонов во время ФЭ были разделены на три фазы: падения, минимума и восстановления. Фаза падения определяется как интервал интенсивности потока мюонов от начала падения до его окончания; к фазе минимума относится интервал от момента окончания падения до начала восстановления; интервал, в течение которого темп счета растет до исходного уровня, соответствует фазе восстановления. Каждую из этих фаз можно сопоставить с разными стадиями в развитии гелиосферного события: фаза падения это приближение гелиосферного возмущения, фаза минимума соответствует попаданию Земли в область гелиосферного возмущения и максимальному уменьшению потока КЛ, фаза восстановления уход гелиосферного возмущения. Интервалы для каждой фазы были разбиты на отрезки с шагом 30 60 минут (в зависимости от длительности фазы). Амплитуда падения в разные моменты времени (i) определялась следующим образом: I I i AFD i b 100 % , Ib где Ib среднее за сутки значение темпа счета до начала падения, I(i) усредненный за час темп счета на каждом шаге. Значения этих амплитуд, полученные для разных зенитно-угловых интервалов и, соответственно, для различных медианных энергий первичных частиц, позволяют определить значения показателя спектра амплитуд на разных фазах развития ФЭ. Исследование временных изменений показателя спектра амплитуд… -3 -2 -2 15 May 2005 -2 -4 -1 -2 -1 0 0 -1 1 0 2 20 Feb 2006 08 May 2005 0 04:00 02:00 12:00 10:00 08:00 -4 07:00 01:00 01:00 14 Nov 2006 -3 07:00 -2 -2 4 07:00 04:00 12:00 08:00 04:00 12:00 -3 -2 2 13 Apr 2006 12:00 10:00 08:00 06:00 04:00 29 Nov 2006 -1,5 -1 -1,0 -1 0 0 2 06:00 0 09 Nov 2006 10:00 02:00 06:00 1 10:0012:00 -0,5 1 2 04:00 08:00 12:00 0,0 04:00 11:00 03:00 07:00 11:00 14 Dec 2006 05:00 05:00 05:00 05:00 05:00 Рис. 2. Изменение показателя спектра амплитуд для восьми событий, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН. Серые области соответствуют фазам минимума каждого события Показатель спектра жесткости, g Амплитуда ФЭ, % Как видно из рис. 2, в поведении вели0 чины для разных событий наблюдаются 2 сильные отличия, как для ФЭ с малыми амплитудами (20 Feb 2006, 14 Nov 2006 и 29 Nov 4 2006), так и для событий, которые сопровож6 дались внезапным началом магнитных возмущений (SSC): 8 May 2005, 15 May 2005, 9 Nov 8 2006 и 14 Dec 2006. Исследования динамики показателя 11 спектра амплитуды форбуш-понижения проводились и ранее с использованием данных трех нейтронных мониторов (Galgary, Haleaka1.4 la, Thule) и мюонного телескопа Нагоя во время форбуш-эффекта 9 сентября 2005 года [5] (рис. 3). К сожалению, в этот период мюонный 1 годоскоп УРАГАН не работал. Как видно из рис. 3, диапазон значений 0.6 показателей спектра, восстановленного по нейтронам и по мюонам совпадает. При этом 09/09 11/09 13/09 15/09 17/09 15/09 форма зависимости показателя спектра амплиДата, 2005 туд от времени в большинстве ФЭ, зарегиРис. 3. Динамика степенной зависимости стрированных мюонным годоскопом УРАспектра жесткости для нейтронных мониГАН, не повторяет результат, полученный в работе [5]. Только для трех наиболее сильных торов Galgary, Haleakala, Thule и мюонного форбуш-понижений (8 May 2005, 15 May 2005, телескопа Нагоя во время ФЭ 9 сентября 9 Nov 2006 и 14 Dec 2006) можно говорить о качественном согласии. Причинами различий в пове2005 года (из работы [5]) дении показателя спектра могут быть: разные ФЭ, используемые для анализа, разные эффективные энергии первичных частиц или использование в работе [5] не одной, а нескольких установок. Рассмотрим более подробно особенности в поведении по данным мюонного годоскопа УРАГАН на каждой фазе развития четырех событий, сопровождавшихся SSC. На стадии падения для события 8 мая 2005 г. величина уменьшается по модулю до значения 1; 15 мая 2005 г. после некоторого стабильного поведения при 2 наблюдается уменьшение наклона спектра; 9 ноября 2006 года показатель спектра растет; 14 декабря 2006 г. на начальной фазе наблюдается уменьшение наклона спектра до величины 0,7. На фазе минимума трех ФЭ (8 May 2005, 15 May 2005 и 14 Dec 2006) показатель спектра не меняется, что совпадает с более ранним анализом [5], но значения , определенные по потоку мюонов, выше. Для форбуш-понижения 9 ноября 2006 года, наблюдается скачкообразное поведение показателя спектра в полночь с 9 на 10 ноября. Если Исследование временных изменений показателя спектра амплитуд… проанализировать изменение величины межпланетного магнитного поля и скорости солнечного ветра этого события по данным ACE [6], то можно выделить своеобразную двойную структуру: магнитное облако с регулярным магнитным полем и последующей областью турбулентности, границу между которыми Земля прошла как раз в полночь с 9 на 10 ноября 2006 г. На фазе восстановления поведение показателя спектра амплитуд, полученное по данным мюонного годоскопа УРАГАН для четырех анализируемых событий, сильно различается, и только для ФЭ 8 мая 2005 г. повторяет результат из работы [5]. Таким образом, в результате анализа восьми форбуш-понижений, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН в период 2005–2006 гг., впервые с помощью одной установки исследована динамика энергетического спектра амплитуд форбуш-понижений. Проведено сравнение с результатами, полученными для более низких энергий. При исследовании ФЭ в потоке мюонов не наблюдаются закономерности в поведении показателя спектра амплитуд, найденной с использованием данных НМ. Изменения показателя спектра амплитуд на стадиях падения и восстановления сильно различаются от события к событию. Показано, что на стадии минимума значение более стабильно. В целом можно заключить, что показатель спектра амплитуд сильно меняется на различных фазах развития ФЭ, и в каждом событии эти изменения связаны с конкретными гелиосферными возмущениями в околоземном пространстве. Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД при поддержке Роснауки, Рособразования, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы и гранта РФФИ 08-02-01204-а. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Borog V.V., Burinskij A.Y., Gvozdev A.V. et al. // Proc. 24th ICRC. Rome. Italy. 1995. V.4. P.1291. 2. Барбашина Н.С., Кокоулин Р.П., Компаниец К.Г. и др. // ПТЭ. 2008. №2. С. 26. 3. Barbashina N.S., Dmitrieva A.N., Kokoulin R.P. et al. // 31st ICRC. Lodz. Poland. 2009. Section SH.2.6. 4. Барбашина Н.С., Дмитриева А.Н., Компаниец К.Г. и др. // Известия РАН. Сер. физ. 2009. Т.73. № 3. С. 360. 5. Wawrzynczak A., Alania A. // 31st ICRC. Lodz. Poland. 2009. Section SH.2.6. 6. ACE Data [Электронный ресурс]: Научный центр ACE / Лаборатория космической радиации Калифорнийского технологического института. – Режим доступа: http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/.