Флуктуации космических лучей в межпланетном пространстве

4.3 Параметризация наблюдаемой динамики.117.

4.4 Выявление структурной перестройки гелиосферного токового слоя по динамике вариаций индекса мерцаний. 122.

Литература

к главе 4.133.

V. Масштабно-инвариантный характер динамики мерцаний космических лучей.13 В.

5.1 Инвариантные свойства динамики флуктуаций на макрои тонкой структуре эффекта Форбуша./38.

5.2 Масштабная инвариантность динамики флуктуаций на геоэффективных фазах солнечного цикла. /44.

5.3 Оценка скейлинговых свойств наблюдаемой динамики.753.

5.4 Выявление геоэффективной фазы переполюсовки магнитного поля Солнца по динамике мерцаний космических лучей.

Литература

к главе 5.173.

VI. Способ ранней диагностики крупномасштабных возмущений межпланетного магнитного поля.179.

6.1 Автоматизированная система корпускулярной оперативной диагностики — АСКОД.173.

6.2 Результаты первого эксперимента на системе АСКОД. /85.

6.3 Прогноз Космической Погоды в режиме реального времени в сети Интернет.18 В.

Литература

к главе 6.20Н.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Известно, что для описания движения частиц в электромагнитных полях применима теорема Лиувилля, утверждающая, что фазовый объем, занимаемый группой частиц, сохраняется в процессе их движения. В частности, инжекция частиц означает кластеризацию фазового объема на такие части, в пределах которых содержится одна или несколько частиц, которые взаимодействуют с намного более массивными частями фазового объема. Деформацию фазового объема можно исследовать экспериментально, наблюдая флуктуации космических лучей с помощью узкоугольных детекторов. Предварительные результаты такого изучения показывают, что вблизи источников сильи «» I/ ных возмущении в межпланетной среде имеет место рваная структура интенсивности космических лучей, качественно согласующаяся с представлением о кластеризации фазового объема /1/. Источником или стоком (в зависимости от знака эффекта) подобной деформации или кластеризации фазового объема, наблюдаемой в эксперименте как регистрация мерцаний интенсивности ГКЛ, могут служить «магнитные пробки» в межпланетном магнитном поле и ударные волны.

В последнее время установлено, что распределение числа межпланетных ударных волн и эфф. Форбуша имеет максимумы на ветвях роста и спада 11-летнего цикла СА /2/. Установлено также, что количество СМЕ-событий (инжекция корональной массы) являющихся источником ударных волн и магнитных облаков увеличивается при распаде крупномасштабного магнитного поля Солнца на ветвях спада цикла /3/. С другой стороны, известен факт доминирования рекуррентных возмущений в эпоху минимума СА. Таким образом, представляет несомненный интерес исследование мерцаний интенсивности ГКЛ на различных фазах 11-летнего цикла. Отличие физических условий на различных фазах цикла является принципиально важным для верификации механизма появления мерцаний ГКЛ.

В этой связи в отличие от традиционного вычисления средних спектров в большом частотном интервале, т. е. за длительные промежутки времени, нами проводилось обнаружение и изучение изменений в частотном спектре флуктуаций ГКЛ во время прохождения крупномасштабных возмущений солнечного ветра через орбиту Земли/4−10/.

Относительно применяемой в данной работе терминологии. В литературе существует несколько терминов, определяющих по сути дела один и тот же класс вариаций космических лучей с периодами от нескольких минут до нескольких часов. Это и микровариации и корот-копериодические вариации и пульсации, сцинтилляции и флуктуации космических лучей. В настоящей работе принята терминология, различающая два основных класса вариаций космических лучей, основанная на частотном представлении зависимости интенсивности от времени — вариации со сплошным и дискретным спектром. В целом, вариации космических лучей со сплошным спектром частот («белый шум») определяются как флуктуации. «Белый шум», тем не менее, может оказаться коррелированным, т. е. принимать различные оттенки или быть «окрашен». В частности, высокочастотная «ультрафиолетовая» область спектра определена нами как область мерцаний интенсивности ГКЛ. Вариации с преобладанием явно выраженных дискретных спектральных линий определены как пульсации. Таким образом, пульсации и мерцания интенсивности являются частным случаем флуктуаций космических лучей и, следовательно, когда характеристики вариаций ГКЛ не определены, целесообразен термин флуктуации интенсивности космических лучей.

Структура расположения материала следующая. Постановка задачи и краткий обзор по флуктуациям космических лучей составляет содержание 1 главы. Методические особенности изучения флуктуаций космических лучей рассматриваются в главе 2. Предложена модификация процедуры спектрально-временного анализа (СВАН). На базе концепции о частично детерминированных процессах указывается на принципиальную возможность прогноза поведения традиционно стохастических систем на интервале времени динамического их описания. Максимальное значение коэффициента взаимной корреляции измеряемой величины и ее модельного представления определяется как «эмпирическая вероятность прогноза» измеряемой величины. Отмечается, что успешность прогноза в большей степени зависит от удачного выбора модели изучаемого процесса. В качестве подобной модели значений интенсивности ГКЛ автором предложен спектрально-временной индекс мерцаний космических лучей. Естественно, что дисперсия процесса более чувствительна к модуляции, нежели ее среднее значение. Степень детерминированности исследуемого процесса предлагается для надежности определять, по меньшей мере, тремя способами — статистическими, корреляционно-спектральными и методами топологической динамики, посредством оценки фрактальной (корреляционной) размерности.

Основным результатом 3 главы является факт обнаружения динамики (амплитудно-частотной модуляции) спектра значимых коррелированных флуктуаций интенсивности ГКЛ в возмущенные периоды. Сделан вывод о межпланетном происхождении наблюдаемой динамики. Показана связь пульсаций ГКЛ наблюдаемых во время главной фазы эфф. Форбуша с колебаниями напряженности ММП на фронте ударной волны. Установлено, что макрои тонкая структура крупномасштабных возмущений солнечного ветра играют роль ловушки для частиц СКЛ. Анизотропный характер вспышек СКЛ с относительно жестким энергетическим спектром, регистрируемых за фронтами ударных волн подтверждает вывод о выявлении за ударной волной области с регулярным магнитным полем.

В 4 главе, посредством обобщения знакопеременного (для шумо-подобного процесса) показателя наклона спектра флуктуаций вводится инверсионный, спектрально-временной индекс мерцаний ГКЛ. Представление трехмерного динамического спектра в виде двумерной последовательности чисел удобно для исследования изменчивости спектра со временем известными методами анализа временных рядов. На основе вероятностной теории разрушения сплошных сред предложена параметризация динамики спектра флуктуаций ГКЛ. Критическое значение параметра формы распределения Вейбулла (аппроксимирующего текущую гистограмму индекса мерцаний ГКЛ) а>2, описывает выход на режим структурной перестройки гелиосферного токового слоя (ГТС). Волна структурной перестройки ГТС проявляется в уменьшении рекуррентного (27 сут) периода вариаций индекса мерцаний до 14±1 сут и, далее, до осцилляций с околонеделъным периодом Т=4±-1 сут, часто сопровождающихся ударными волнами и понижениями интенсивности ГКЛ.

По результатам спектрально-временного анализа флуктуаций интенсивности ГКЛ за цикл солнечной активности (СА) в 5 главе получены следующие результаты: обнаруженная ранее в окрестности изолированных эфф. Форбуша динамика спектра значимых коррелированных флуктуаций ГКЛ обладает свойством масштабной инвариантности (скейлинга) на всем исследуемом в цикле СА интервале масштабов понижений интенсивности ГКЛ: изолированных и многоступенчатых форбуш-понижений, резких и экстремально больших понижений интенсивности ГКЛ на ветви спада 11-летнего цикла С, А и длительных глобальных понижений на фазе роста активности Солнца. Скейлинговый характер наблюдаемой динамики спектра флуктуаций отражает иерархически самоподобную или фрактальную структуру понижений интенсивности ГКЛ.

Поведение корреляционной размерности для обоих ветвей спада 11 -летнего цикла отлично от случайного процесса. Выход зависимости корреляционной размерности ё (п) на плато достигается, практически, при одном и том же значении с1&-2.5 для разных циклов.

И наоборот, вблизи минимума и в минимуме солнечной активности плато размыто и зависимость <1(п) характерна скорее для случайного процесса, что подтверждается результатами тестирования на нормальность распределения индекса мерцаний ГКЛ за 1984;1987 гг. Корреляционная размерность вида (1гкл (п)~п, характерная для эпохи минимума означает, что на фазе восстановления интенсивности ГКЛ восстанавливаются и мелкомасштабные неоднородности межпланетного магнитного поля. Этим объясняется ухудшение модуляционных свойств магнитного поля, что приводит к дефициту числа эфф. Форбуша и уменьшению показателя их энергетического спектра, а также к уменьшению глубины модуляции интенсивности ГКЛ рекуррентными возмущениями доминирующими в этот период.

В итоге, ожидаемое из теоретических представлений Г. Ф. Крымского, кластеризация фазового объема интенсивности ГКЛ проявилась в дробной (фрактальной) величине корреляционной размерности индекса мерцаний космических лучей во время понижений интенсивности ГКЛ различных масштабов. Скейлинг динамики мерцаний космических лучей отражает иерархически самоподобную или фрактальную структуру понижений интенсивности ГКЛ на геоэффективных фазах солнечного цикла. Этот эффект наиболее выражен на геоэффективной фазе распада крупномасштабного магнитного поля в период завершения переполюсовки общего поля Солнца, сопровождающейся ростом числа ударных волн и эфф. Форбуша характерным для ветви спада 11-летнего цикла.

Литература

к Введению.

1. Крымский Г. Ф. Основные проблемы современной космофизики. // Методологические проблемы развития науки в регионе. Наука. Новосибирск. 1987. С. 175−176.

2. Morishita I., Nagashima К., Sakakibara S. Et al. Long Term Changes of the Rigidity Spectrum of Forbush Decrease. // Proceed. 21 ICRC. Adelaide. 1990. Vol.6. P. 217−219.

3. Lindsay G.M., Russel C.T., Luhman J.G. et al. On the Sources of Interplanetary Shocks at 0.72 AU. // J. Geophys. Res. 1994. Vol.99. N Al. P. 11−17.

4. Крымский Г. Ф., Кузьмин A.M., Козлов В. И. и др. Явления в космических лучах в августе 1972 г. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1973. Т.37. N6. С.1205−1211.

5. Kozlov V.I., Kuzmin A.I., Krymsky et. al. Cosmic Ray Variations with Period Less than 12 Hours. // Proc. 13 ICRC. 1973. Vol.2. P.939−942. ю.

6. Козлов В. И., Крымский Г. Ф., Кузьмин А. И. и др. Динамические характеристики короткопериодных вариаций космических лучей. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1974. Т.38. N 9. С.1908;1911.

7. Kozlov V.l. On the Degree of Magnetic Field Inhomogeneity of Piston Shock Waves. // Phys.Solariterr. Potsdam. 1978. N 9. p.57−62.

8. Козлов В. И. Происхождение пульсаций космических лучей. // Геомагнетизм и аэрономия. 1980. Т.20. N 3. С.391−395.

9. Козлов В. И. О турбулентных пульсациях магнитного поля в ударных волнах. // Геомагнетизм и аэрономия. 1981. Т.21. N 6. С. 1115−1117.

10. Козлов В. И. О структуре турбулентности крупномасштабных возмущений солнечного ветра по исследованию флуктуаций космических лучей. // Автореферат канд. дисс. М.: НИИЯФ МГУ. 1984. 20с.

I. ФЛУКТУАЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И ПРОБЛЕМА ИХ ПРОИСХОЖДЕНИЯ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Как известно, в диффузионом приближении быстрым частицам приписываются индивидуальные случайные траектории не коррелируемые между собой. В то же время, на малых пространственно-временных масштабах должна быть существенной корреляция траекторий, вследствие которой группы частиц, близких в фазовом пространстве, сравнительно долго сохраняются как компактные образования с «единой» траекторией. Из-за исключительной сложности коррелированного движения частиц, в исследованиях этого явления чрезвычайно важно опираться на информацию полученную из анализа наблюдений. Соответствующие вариации целесообразно было искать в ситуациях, когда возникают «окрашенные» группы частиц, за эволюцией которых легко проследить. Наибольшие контрасты в космических лучах создают ударные волны, порождающие резкие понижения интенсивности, называемые эфф. Форбуша.

В соответствии с этими ожиданиями, были подвергнуты изучению короткопериодные вариации космических лучей регистрируемые нейтронными мониторами. Выбор этих приборов обусловлен их относительно узкими угловыми диаграммами, высокими энергиями частиц, на которые мелкомасштабная турбулентность оказывает незначительное влияние и хорошим временным разрешением вследствие большой эффективной площади. В результате проведенных исследований доказано существование мерцаний — коррелированных флуктуаций или анизотропных пучков частиц, распространяющихся в межпланетном магнитном поле.

Установлено, что мерцания космических лучей связаны с крупномасштабными возмущениями в межпланетном магнитном поле — магнитными пробками. Магнитные пробки разделяют траектории частиц.

на разрешенные и запрещенные, что проявляется как мерцания небесной сферы в космических лучах. Привлекательность механизма модуляции космических лучей на магнитных пробках заключается в его универсальности, позволяющей объяснить и макрои тонкую структуру понижений интенсивности ГКЛ одновременно. Динамика мерцаний интенсивности ГКЛ выявлена в окрестности как спорадических, так и рекуррентных возмущений. Она наиболее выражена во время распада крупномасштабного магнитного поля на стадии завершения переполюсовки общего поля Солнца, сопровождающейся ростом числа ударных волн и эффектов Форбуша, что и вызывет резкое понижение интенсивности ГКЛ на ветви спада 11-летнего цикла солнечной активности. Масштабно-инвариантный характер (скейлинг) динамики мерцаний космических лучей на понижениях интенсивности ГКЛ различных масштабов доказывается монофрактальной зависимостью корреляционной размерности процесса с явно выраженным плато: с! глл (п)=2.5±0.1. Скейлинг динамики мерцаний космических лучей отражает иерархически самоподобную или фрактальную структуру понижений интенсивности ГКЛ.

Корреляционная размерность для эпохи минимума солнечной активности имеет вид с1ГА77(п)п, что характерно для хаотического процесса. Восстановление мелкомасштабных неоднородностей солнечного ветра в эпоху минимума приводит к ухудшению модуляционных свойств магнитного поля: уменьшению числа эффектов Форбуша, показателя их энергетического спектра и глубины модуляции интенсивности ГКЛ рекуррентными возмущениями доминирующими в этот период.

Параметризация динамики мерцаний ГКЛ позволила выявить структурную перестройку гелиосферного токового слоя проявляющуюся в изменении рекуррентного (27сут) периода вариаций индекса мерцаний до 14±-1сут и, далее, до осцилляций с околонедельным периодом Т=4±1сут, часто сопровождающихся понижениями интенсивности ГКЛ. В итоге, предложен способ ранней диагностики крупномасштабных возмущений межпланетного магнитного поля по регистрации мерцаний интенсивности ГКЛ, методом корреляционного приема сигналов разнесенных нейтронных мониторов. С января 1999 г. способ ранней диагностики магнитных пробок межпланетного поля был реализован в режиме реального времени, с использованием глобальной сети Интернет. В этом случае 5-мин данные нейтронных мониторов б. Тикси и ст. Якутск передавались в локальную сеть ИКФИА. После коррекции на давление данные обрабатывались в соответствии с предложенным алгоритмом. Результаты расчета дискретного предиктора Р=±-1 вместе с исходными (усредненными за 1 час) данными выводятся с шагом 5 мин в глобальную компьютерную сеть Интернет по адресу: http://teor.ysn.ги/гяш/.

Оценка степени оправдываемости прогноза крупномасштабных возмущений межпланетного магнитного поля по дискретному предиктору ГКЛ составляет величину Р"80%, что согласуется с оценками полученными ранее по анализу выборки событий методом наложения эпох (см. таб. 4.1) и в целом за 11-летний цикл СА (см. рис. 5.8). Наиболее высокая оправдываемость достигается в случае использования нескольких пар станций космических лучей, преимущественно высокоширотных. Это было установлено при анализе выборки из нескольких десятков событий за 1999;2000 гг. для двух пар станций: Тикси-Якутск и Якутск-Ломнитский Штит.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Доказано существование быстропеременных вариаций — «мерцаний» интенсивности ГКЛ, свидетельствующих о возникновении в возмущенные периоды анизотропных пучков частиц, распространяющихся в межпланетном магнитном поле.

2. Установлено, что мерцания космических лучей связаны с крупномасштабными возмущениями величины и направления межпланетного магнитного поля — «магнитными пробками». Магнитные пробки разделяют траектории частиц на разрешенные и запрещенные. Такие пробки способны эффективно отражать заряженные частицы, с последующей коллимацией частиц в ММП, что и проявляется как мерцания небесной сферы в космических лучах.

3. Посредством обобщения знакопеременного (для шумоподобного процесса) показателя наклона спектра флуктуаций космических лучей введен индекс мерцаний ГКЛ. В результате понижения размерности, трехмерная сванограмма динамического спектра флуктуаций ГКЛ сведена к обычной (двумерной) числовой последовательности, что позволило количественно исследовать обнаруженную динамику.

4. Динамика мерцаний интенсивности ГКЛ выявлена в окрестности как спорадических, так и рекуррентных возмущений. Она наиболее выражена во время распада крупномасштабного магнитного поля на стадии завершения переполюсовки общего поля Солнца, сопровождающейся ростом числа ударных волн и эффектов Фор-буша, что и вызывает резкое понижение интенсивности ГКЛ на ветви спада 11- летнего цикла солнечной активности.

5. Разработан специальный алгоритм обработки данных нейтронных мониторов для заблаговременного обнаружения «мерцаний» интенсивности ГКЛ до прихода к Земле фронта возмущения и на этой основе реализован в режиме реального времени способ краткосрочного прогноза крупномасштабных геоэффективных возмущений солнечного ветра.

В заключение, необходимо отметить большой вклад сотрудников обсерватории Тикси: н.с. Николая Николаевича Туголукова — в программную реализацию предложенного способа на системе АСКОД ПГО Тикси, ведущего инженера обсерватории Владимира Алексеевича Старина в техническое обеспечение системы АСКОД, старшего инженера обсерватории Рустама Фазиевича Жданова, проведшего под прогноз радиационных возмущений сложные, в условиях Заполярья, стратосферные измерения космических лучей и Вячеслава Козлова (мл.), принявшего активное участие в проведение трудоемких расчетов индекса мерцаний по 5 мин данным измерений интенсивности ГКЛ б. Тикси за несколько лет.

Кроме того, выражаю глубокую благодарность своим коллегам из Лаборатории Теории Космической Плазмы ИКФИА и, прежде всего, с.н.с. Сергею Анатольевичу Стародубцеву за активное участие в программной реализации предложенного способа прогноза Космической Погоды в глобальной сети Интернет. Особую признательность выражаю академику РАН Гермогену Филипповичу Крымскому, благодаря постоянной поддержке которого и были получены основные результаты работы.