Довгоперіодичні та короткоперіодичні варіації інтенсивності та анізотропії космічних променів на основі експериментальних даних і теоретичного моделювання - Автореферат

У роботі розглядається широке коло питань, повязаних з 11-річними та 27-добовими варіаціями інтенсивності та анізотропії КП, а також з електромагнітними умовами на Сонці та у міжпланетному просторі. Вивчення довгоперіодичних і короткоперіодичних варіацій інтенсивності та анізотропії галактичних космічних променів (ГКП) дає унікальну можливість дослідження і прогнозування різноманітних фізичних процесів, що відбуваються у міжпланетному просторі. Світова мережа нейтронних моніторів та мезонних телескопів, яка реєструє заряджені частинки космічного випромінювання широкого енергетичного діапазону, має неоціненне значення при дослідженні процесів розповсюдження галактичних космічних променів у міжпланетному магнітному полі (ММП) та їх модуляції сонячним вітром (СВ), для вивчення великомасштабної структури ММП, для аналізу взаємодії ГКП з магнітогідродінамічною турбулентністю сонячного вітру. Важливий вплив на довгоперіодичні, а також і на короткоперіодичні варіації ГКП, мають ефекти дрейфа частинок, які обумовлюють зміни концентрації та анізотропії ГКП і дозволяють досліджувати процеси розповсюдження заряджених частинок у великомасштабних структурах сонячного вітру, проводити діагностику фізичних характеристик СВ, таких як величина гідродинамічної швидкості плазми СВ і напруженість турбулентного ММП, оцінювати величину коефіцієнта дифузії КП та градієнт ГКП у різні періоди сонячної активності. Проведене в роботі дослідження варіацій інтенсивності ГКП від року до року та зміни з часом їх енергетичних спектрів більш ніж за чотири цикли сонячної активності, разом з виконаними теоретичними дослідженнями даної проблеми, дає можливість вивчати динаміку електромагнітних процесів у міжпланетному просторі і має важливе значення для вирішення широкого кола проблем в області варіацій космічних променів, космофізики і геофізики.Структура геліосфери повязана з динамічним розширенням сонячної корони, тобто з сонячним вітром (СВ), який радіально витікає із Сонця і виносить магнітні поля сонячної корони у міжпланетний простір. Зміна параметрів магнітного поля Сонця, які відбуваються з характерним періодом 11 років, обумовлює циклічну зміну різних проявів сонячної активності. Показано, що для даного діапазона частот середня амплітуда СП турбулентного магнітного поля сонячного вітру суттєво змінюється з 11-річним циклом сонячної активності, при цьому дана амплітуда в періоди максимальної активності Сонця приблизно в два рази перевищує відповідну величину, характерну для мінімумів сонячної активності. Показник спектра потужності магнітного поля приймає максимальні значення в періоди мінімумів сонячної активності, а мінімальні значення - в періоди максимальної СА. Для детального дослідження даного ефекту період з 1976 р. до 2002 р. був розділений на два інтевали 1976-1989 рр. і 1990-2002 рр. На рис.2 наведено часові зміни середньорічних згладжених значень показника СП турбулентної складової міжпланетного магнітного поля n для By компоненти ММП і показника спектра варіації інтенсивності КП g для періодів 1976-1989 рр. (а), та 1990-2002 рр. (б) відповідно.Показано, що в періоди максимумів активності Сонця енергетичний спектр варіації інтенсивності КП є відносно мяким (показник спектра ), зі зменшенням сонячної активності спектр варіації стає більш жорстким і виявляється найбільш жорстким поблизу мінімумів СА (). Вперше показано, що для частинок з ефективною жорсткістю 15-30 ГВ спектр варіації КП є більш мяким порівняно зі спектром варіації частинок з жорсткістю 10-15 ГВ. На основі аналізу середньорічних даних інтенсивності ГКП та показника спектра варіації КП g встановлено відносну ефективність дифузійних та дрейфових ефектів у модуляції ГКП. На основі теоретичного розгляду проблеми, а також модельних розрахунків, встановлено пряму пропорційну залежність між показником спектру варіації інтенсивності ГКП g та параметром a, який визначає степеневу залежність коефіцієнта дифузії КП від жорсткості частинок. У роботі показано, що вектор дрейфової анізотропії КП для позитивного періоду магнітного циклу спрямований до Сонця, а для негативної полярності ММП вектор анізотропії КП орієнтований у напрямку від Сонця.

2. Основний зміст роботи

На основі аналізу спектра потужності турбулентного міжпланетного поля в області частот 10-6-10-5 Гц показано, що показник спектра потужності ММП n у мінімумі сонячної активності приблизно у 1.5 раз перевищує відповідну величину у період масимальної СА. Амплітуда СП турбулентного геліосферного магнітного поля у періоди максимальної активності Сонця в 1.5-2 рази більша, ніж у мінімумі СА, а характерний просторовий масштаб магнітних неоднорідностей виявляється більшим у мінімумі СА. Наведені оцінки демонструють зміну структури міжпланетних магнітних полів з циклом сонячної активності, що суттєво впливає на процес дифузії космічних променів.

На основі експериментальних даних нейтронної та мезонної компонент КП за тривалий період часу з 1960 р. по 2002 р. визначені жорсткістні спектри 11-річної варіації інтенсивності ГКП. Показано, що в періоди максимумів активності Сонця енергетичний спектр варіації інтенсивності КП є відносно мяким (показник спектра ), зі зменшенням сонячної активності спектр варіації стає більш жорстким і виявляється найбільш жорстким поблизу мінімумів СА ( ).

Досліджено характер довгоперіодичних змін спектра варіації інтенсивності ГКП в залежності від жорсткості частинок. Вперше показано, що для частинок з ефективною жорсткістю 15-30 ГВ спектр варіації КП є більш мяким порівняно зі спектром варіації частинок з жорсткістю 10-15 ГВ. Особливо чітко даний ефект виявляється у періоди максимальної сонячної активності.

На основі аналізу середньорічних даних інтенсивності ГКП та показника спектра варіації КП g встановлено відносну ефективність дифузійних та дрейфових ефектів у модуляції ГКП. Показано, що приблизно 70-80% амплітуди модуляції ГКП сонячним вітром обумовлено змінами структури міжпланетного магнітного поля з циклом сонячної активності.

Встановлено залежність між показником спектра варіацій інтенсивності КП g і показником спектра потужності флуктуацій ММП n. Показано, що величина g збільшується при зменшенні параметра n і навпаки.

На основі чисельного розвязку рівняння переносу КП визначено очікувані просторові розподіли концентрації частинок ГКП, градієнтів КП та спектрів варіації інтенсивності космічних променів. Розрахунки проведено для різних залежностей коефіцієнта дифузії КП від координат та жорсткості частинок і для різних моделей геліосферного магнітного поля. Показано, що для позитивного періоду магнітного циклу Сонця (A>0) амплітуда модуляції КП, а також амплітуди радіального і широтного градієнтів концентрації частинок КП, виявляються меньшими, ніж значення відповідних величин, характерних для негативних періодів (A<0). У випадку A=0 (коли не враховується залежність модуляції ГКП від полярності геліосферного магнітного поля) глибина модуляції КП, а також величина градієнта частинок, приймають проміжні значення між наведеними варіантами. Зроблено оцінку внеску дрейфових ефектів у 11-річну варіацію інтенсивності космічних променів.

На основі теоретичного розгляду проблеми, а також модельних розрахунків, встановлено пряму пропорційну залежність між показником спектру варіації інтенсивності ГКП g та параметром a, який визначає степеневу залежність коефіцієнта дифузії КП від жорсткості частинок. Оскільки згідно квазілінійної теорії величина a залежить від показника спектра потужності флуктуацій ММП n, існує лінійна залежність між параметрами g та n: . Показано, що дане співвідношення виконується як для періодів A>0, так і для періодів A<0.

Запропоновано новий фізичний механізм довгоперіодичних варіацій космічних променів, що полягає у зміні структури турбулентного геліосферного магнітного поля з циклом сонячної активності, яка викликає зміну характеру дифузії частинок КП. Показано, що показник спектра довгоперіодичних варіацій інтенсивності ГКП g може вважатись новим індексом, який характеризує варіації космічних променів.

На основі експериментальних даних нейтронної компоненти КП досліджена анізотропія галактичних космічних променів у секторах з різною полярністю магнітного поля на протязі чотирьох періодів, що відповідають мінімумам сонячної активності. Показано, що вектори анізотропії КП у періоди негативної полярності ММП (A0) навпаки зміщення анізотропії КП спостерігається у напрямку більш ранніх годин. У роботі показано, що вектор дрейфової анізотропії КП для позитивного періоду магнітного циклу спрямований до Сонця, а для негативної полярності ММП вектор анізотропії КП орієнтований у напрямку від Сонця. На основі дослідження анізотропії ГКП у магнітних секторах різної полярності визначені відношення перпендикулярного коефіцієнту дифузії КП до паралельного (a1=k^/k7), а також відношення дрейфового коефіцієнту дифузії КП до паралельного (a2=kd/k7).

На основі гармонійного аналізу годинних даних інтенсивності і анізотропії галактичних космічних променів та чисельного розвязку тривимірного рівняння переносу КП, досліджено 27-добову варіацію анізотропії частинок КП. Показано, що амплітуда 27-добової варіації анізотропії ГКП виявляється більшою для додатнього періоду магнітного циклу Сонця.

Основні результати опубліковані в роботах

Опубліковані в наукових журналах: 1. Алания М.В. Особенности ожидаемых 11- и 22-летних вариаций космических лучей и сравнение с экспериментом / М.В. Алания, Л.И. Дорман, К. Искра и др. // Известия АН СССР, сер.физ. -1987. - Т.51,№10. - C.1806-1808.

2. Алания М.В. Временные и пространственные изменения энергетического спектра 11-летних вариаций космических лучей / М.В. Алания, Л.И. Дорман, К. Искра и др. // Известия АН СССР, сер.физ.-1988. -Т.52,№12. - C.2338-2340.

3. Alania M.V. The long term cosmic ray variation relevant to solar wind structure in the outer heliosphere/ M.V. Alania, R.G. Aslamazashvili, K. Iskra, et al.// Physics of Outer Heliosphere, ed. Pergamon Press. PLC.-1990. -P.- 199-203.

4. Алания М.В. О механизме 11-летних вариаций космических лучей и крупномасштабная структура солнечного ветра / М.В. Алания, К. Искра, Г.К. Ванишвили и др. // Известия Академии Наук, сер.физ. -1995. - Т.59, № 4. -С.101-104.

5. Alania M.V. Features of the solar wind large-scale structure in different periods of solar activity based on the variations of cosmic rays / M.V. Alania, K. Iskra // Adv. Space Res. -1995. - 16 (9).- P.241-244.

6. Alania M.V., The mechanism of 11-year cosmic rays modulation and large-scale structure of solar wind / M.V. Alania, R.G. Aslamazashvili, K. Iskra et al. // Biulletin of the Georgian Academy of Sciences, Tbilisi-1996. - P.45-47.

7. Alania M. V. Features of galactic cosmic ray modulation in different epoch of solar activity / M.V. Alania, T. B. Bochorishvili, K. Iskra // Adv. Space Res. - 1997. - Vol. 19, No 6. - P. 925-928.

8. Алания М.В. О решении модельных задач анизотропной диффузии космических лучей / М.В. Алания, Т.Б. Бочоришвили, К. Искра, М. Силушик // Известия РАН, сер.физ. -2001. -Т.65,№3. - C.367-369.

9. Alania M.V. The role of drift on diurnal anisotropy and on temporal changes in the energy spectra of the 11-year variation for galactic cosmic rays / M.V. Alania, R.G. Aslamazashvili, T.B. Bochirishvili, K. Iskra, M. Siluszyk //Adv. Space Res. -2001. - 27, 3. -P. 613-618.

10. Алания М.В. О влиянии секторной структуры межпланетного магнитного поля на анизотропию космических лучей / М.В. Алания, Т.В. Бочоришвили, К. Искра //Астрономический вестник. -2003. - том 37, № 6. -C.569-573.

11. Алания М.В. Особенности распространения галактических космических лучей при учете широтного распределения корональной активности Солнца / М.В. Алания, А. Гиль, Р.Т. Гущина, К. Искра, М. Силушик // Известия РАН, сер.физ. -2003. -Т.67,№4. -C.505-507.

12. Alania M.V. Effects of the sector structure of the interplanetary magnetic field on galactic cosmic ray anisotropy/ M.V. Alania, T.B. Bochorishvili, K. Iskra // Solar System Research. -2003. -v.37, Issue 6. -P. 519-522.

13. Alania M.V. Experimental and theoretical investigation of the 11-year variation of galactic cosmic rays/M.V. Alania, K. Iskra, M. Siluszyk // Adv. Space Res. -2003. - Vol.32, Issue 4. -P.651-656.

14. Iskra K. On roles of the stochastic and regular heliospheric magnetic fields in different classes of galactic cosmic ray variations / K. Iskra, M.V. Alania, A. Gil, R. Modzelewska, M. Siluszyk // Acta Physica Polonica B. -2004. -Vol 35, No 4. -P.1565-1580.

15. Siluszyk M. Features of the 11-year variation of galactic cosmic rays in different periods of solar magnetic cycles/M. Siluszyk, K. Iskra, R. Modzelewska, M.V.Alania // Adv. Space Res. -2005. -Vol.35, Issue 4. -P.677- 681.

16. Gil A. On the 27-day variations of the galactic cosmic ray anisotropy and intensity for different periods of solar magnetic cycle / A. Gil, K. Iskra, R. Modzelewska, M.V. Alania // Adv. Space Res. -2005. - Vol.35, Issue 4. -P.687-690.

17. Alania M.V. Theoretical and experimental studies of the 11-year and 27-day variations of the galactic cosmic rays intensity and anisotropy / M. V. Alania, A. Gil, K. Iskra, R. Modzelewska, M. Siluszyk // International Journal of Modern Physics A -2005. - Vol.20.- No.29. -P.6533-7068.

18. Modzelewska R. 27-day variations of galactic cosmic ray intensity and anisotropy / R. Modzelewska, M.V. Alania, A. Gil, K. Iskra // Acta Physica Polonica B. -2006.-Vol.37.-No5.-P.1641-1650.

19. Iskra K. Features of longterm variations of galactic cosmic ray intensity and anisotropy /K. Iskra, R Modzelewska, M. Siluszyk, M.V. Alania //Kinematics and Physics of Celestial Bodies. -2006.-Vol.22, № 6. -P.402-412.

20. Iskra K. Quasi-periodic changes of galactic cosmic ray anisotropy and intensity / K. Iskra, A. Gil, R. Modzelewska, M.V Alania // Kinematics and Physics of Celestial Bodies. -2006.-Vol.22, №6. -P.413-421.

21. Alania M.V. New index for characterization of the long-period modulation of the galactic cosmic ray intensity / M.V. Alania, K. Iskra, M. Siluszyk// Bulletin of the Georgian National Academy of Sciences. -2006. -Vol. 174. -No2. -P.273-275.

22. Iskra K. On the relationship of the rigidity spectrum of galactic cosmic rays variations and the interplanetary magnetic field turbulence / K. Iskra // Computer Algebra System in Teaching and Research, Wydawnictwo Akademii Podlaskiej. - 2007. -P.182-191.

23. Alania M.V. On the new index of the long-period modulation of the galactic cosmic rays intensity / M.V. Alania, K. Iskra, M. Siluszyk //Acta Physica Polonica B- 2008. -Vol.38. -No11. -P.2961-2971.

24. Alania M.V. New index of longterm variations of galactic cosmic ray intensity/ M.V. Alania, K. Iskra, M. Siluszyk // Adv. Space Res. - 2008.- 41.-P.267-274.

25. Iskra K. Some features of the parallel diffusion coefficient in different periods of solar activity based on the measurements of the interplanetary magnetic field turbulence/ K. Iskra // Computer Algebra Systems in Teaching and Research. - 2009. -P.209-215.

Опубликовані в трудах конференцій: 26. Iskra K. The features of the temporal change of the energy spectrum of 11-year variations of cosmic ray intensity / K. Iskra, M. V. Alania, R.G. Aslamazashvili et al. // 20th ICRC Contributed papers. -1987. - vol. 3. - P. 315-318.

27. Alania M.V. On the nature of the temporal change of the energy spectrum of cosmic ray 11-year variations / M.V. Alania, R.G. Aslamazashvili, T.B. Bochorishvili, L.I. Dorman, R.T. Gushchina, K. Iskra //11th European Cosmic Ray Symposium, Budapest, Aug.1988, 268. Reports to be presented by Institute of Geophysics, Tbilisi. -1988. - P.3-7.

28. Iskra K. Features of the correlations between the variations of cosmic ray intensity and of solar activity from 1954-1984 / K. Iskra, M.V Alania, T.B. Bochorishvili, L.I. Dorman //21st ICRC, Adelaide, Australia, contributed papers. -1990. - vol. 6. -P. 41.

29. Alania M.V. On the nature of 11-year energy spectrum changes of cosmic ray variations/ M.V. Alania, R.G. Aslamazashvili, K. Iskra, et al. //21st ICRC Adelaide, Australia contributed papers. -1990. - vol. 6. - P. 48-51.

30. Alania M. V. On the mechanism of 11-year cosmic ray variations / M.V.Alania, R.G. Aslamazashvili, K. Iskra, et al //22nd ICRC, Dublin, Ireland, contributed papers. -1991. - vol. 3. - SH 6.6. - P.581-584.

31. Alania M. V. The features of 11-year modulation of cosmic rays and large-scale fluctuation of solar wind / M.V. Alania, R.G. Aslamazashvili, K. Iskra et al. // 23rd ICRC, Calgary, Canada, contributed papers. -1993. - vol. 3. - P.529-532.

32. Alania M.V. The features of the relationship of cosmic ray Forbush-decreases and the solar wind parameter fluctuation/ M.V. Alania, K. Iskra, N.A. Nachkebia et al. //24th ICRC Roma, Italy, contributed papers. -1995. - vol. 4. - P. 860-863.

33. Alania M.V. The modeling study of cosmic ray long-period modulation / M.V. Alania, K. Iskra, G.K.Vanishvili et al. //24th ICRC Roma, Italy, contributed papers. -1995. - vol. 4. - P.751-754.

34. Alania M. V. The features of the long-period modulation of galactic cosmic rays / M.V. Alania, K.Iskra //24th ICRC Roma, Italy, contributed papers.-1995. - vol. 4. -P.555-558.

35. Alania M. V. Temporal changes of GCR Forbush decreases energy spectrum/ M.V. Alania, T.B. Bochorishvili, K. Iskra, G.K. Vanishvili //25h ICRC Durban, South Africa, contributed papers. -1997. - vol. 1. - P.417-420.

36. Alania M.V. Features of GCR long-period modulation in heliosphere / M.V. Alania, T. B. Bochorishvili, K. Iskra // 25h ICRC Durban, South Africa, contributed papers. -1997. - vol. 2. - P. 57-60.

37. Leszczynski B. Effects of Sun activity on abundance of graingrain aphid, Sitobion avenae (F) / B.Leszczynski I. Krajewska, K.Iskra et al. // Aphids and other homopterous insects, 7 Polish Academy of Science, Vth Division-Agricultural and Forest Sciences. - 1999. - T.7.- P.231-237.

38. Alania M.V. Two dimensional modeling of galactic cosmic rays propagation in the heliospehere / M.V.Alania, T.B. Bochorishvili, K. Iskra // 26th ICRC Salt Lake City, USA, contributed papers. -1999. - SH3-4. - P.82.

39. Alania M.V. On features of the drift effect in anisotropy of galactic cosmic rays/ M.V. Alania, R.G. Aslamazashvili, T.B. Bochorishvili, K. Iskra // 26h ICRC. Salt Lake City, USA, contributed papers. -1999. - SH3-4. - P.258-261.

40. Iskra K. On correlation of galactic cosmic ray intensity changes and tilt angles of the heliospheric neutral sheet /K. Iskra, B.Wybraniec // Proceedings of 27th ICRC, Hamburg. -2001. -Vol.9, SH. - P.3807-3810.

41. Iskra K. Energy spectrum of the 11-year variation of galactic cosmic rays for different solar magnetic cycles / K. Iskra, M. Siluszyk, M.V. Alania // Proceedings of 27th ICRC, Hamburg. -2001. -Vol.9, SH. - P. 4277-4280.

42. Iskra K. Experimental and theoretical investigation of temporal changes of energy spectrum of long period variation of galactic cosmic rays / K. Iskra // Proceedings of the Third International Workshop on Mathematica System in Teaching and Research, Siedlce.-2001. - P.85-95.

43. Gushchina R.T. Real distribution of the coronal green line intensity and modelling study of galactic cosmic ray propagation / R.T. Gushchina, M.V. Alania, A. Gil., K. Iskra, M. Siluszyk // Proceedings of International Cosmic Rays Conference, Universal Academy Press, INC Tokyo. - 2003. - Vol. 7/7. - SH Session 3.1-3.6. - P. 3875-3879.

44. Alania M.V. On the relationship of the energy spectrum indexes of the 11-year variation of galactic cosmic rays and interplanetary magnetic field strength fluctuations / M.V. Alania, K. Iskra, R. Modzelewska, M. Siluszyk // Proceedings of International Cosmic Rays Conference, Universal Academy Press, INC Tokyo. -2003. - Vol. 7/7. - SH Session 3.1-3.6. -P.3881-3886.

45. Alania M.V. 27-day variations of the galactic cosmic ray intensity and anisotropy in different solar magnetic cycles / M.V. Alania, A. Gil, K. Iskra, R. Modzelewska // 29-th ICRC, Proceedings, Pune, India. -2005. -SH,3.4. -P.215-518.

46. Alania M.V. The galactic cosmic ray intensity variations for different ascending and descending epochs of solar activity / M.V. Alania, K. Iskra, R. Modzelewska, M. Siluszyk //29-th ICRC, Proceedings, Pune, India -2005. -SH,3.4. -P.219-222.

47. Alania M.V. New index of the galactic cosmic ray intensity variations / M.V. Alania, K. Iskra, M. Siluszyk// 20 European Cosmic Ray Symposium Lisbona -2006.

48. Iskra K. Dependence of the rigidity spectrum of galactic cosmic ray intensity variations on the range of the particles rigidity/ K. Iskra, M.V. Alania // 30th International Cosmic Ray Conference, Merida, Mexica. -2007. - V.1 -P.517-520.

49. Alania M.V, New index for the explanation of the 11-year variations of the galactic cosmic ray intensity/ M.V. Alania, K. Iskra, M. Siluszyk // Proc. 30th International Cosmic Ray Conference, Merida, Mexica. -2007. - V.1 -P.497-500.

50. Alania M.V. On the relationship of the temporal changes of the rigidity spectrum of galactic cosmic rays intensity variations and power spectrum density of the interplanetary magnetic field turbulence/ M.V. Alania, K. Iskra, M. Siluszyk // Proceedings of 21st European Cosmic Ray Symposium, Kosice. -2009.-P.306-310.

51. Iskra K. The estimation of the parallel diffusion coefficient based on the measurements of the interplanetary magnetic field turbulence/ K.Iskra //Proceedings of 21st European Cosmic Ray Symposium, Kosice. -2009. -P.303-305.

Размещено на .ru