. Характеристики релятивистских СКЛ в крупных событиях на уровне земли 1956-2005 гг. Э.В.Вашенюк, Ю.В.Балабин, Б.Б.Гвоздевский Полярный геофизический институт. - презентация

1 . Характеристики релятивистских СКЛ в крупных событиях на уровне земли гг. Э.В.Вашенюк, Ю.В.Балабин, Б.Б.Гвоздевский Полярный геофизический институт г. Апатиты Title

2 Содержание 1. Мировая сеть нейтронных мониторов как многонаправленный спектрометр космических лучей. 2. Методика получения характеристик релятивистских СКЛ из данных наземных измерений 3. Событие г. Анализ данных наземных наблюдений и динамики потока релятивистских СКЛ 4. Результаты модельного изучения других событий 5. Обсуждение возможных механизмов генерации релятивистских СКЛ и их распространения в ММП

3 INSTRUMENTATION

4 Neutron monitors of Polar geophysical Institute N67.33 E 33.5 N78.08 E

5 Нейтронный монитор 18-НМ-64 в Баренцбурге, Шпицберген, июнь, 2006

6 Асимптотический конус приема YHHYtreYHHYtre Асимптотические конусы нейтронных мониторов в Апатитах и Баренцбурге (Шпицберген) представленные в географических координатах

7 Мировая сеть станций нейтронных мониторов как многонаправленный спектрометр космических лучей: Мировая сеть станций нейтронных мониторов как многонаправленный спектрометр космических лучей: «Земля-космический корабль» Среди нейтрон-ных мониторов ст. Баренцбург-теперь самая северная на планете 78.06° N 14.22° E

8 GLE detecting instruments in Baksan neutrino observatory N43.28 E42.69 Neutron monitor 6NM-64 EAS array Carpet 200 m 2 area Mt. Andyrchi EAS Carpet and 6-NM-64 in BNO, 1700 m a.s.l.

9 Методика определения характеристик РСП Методика моделирования откликов наземных детекторов для определения характеристик релятивистских солнечных протонов (РСП) (Shea & Smart, 1982, Cramp et al., 1997, Vashenyuk et al., 2003, 2006) состоит из следующих шагов: 1.Определение асимптотических конусов приема станций нейтронных мониторов путем расчета траекторий частиц в Модели магнитосферы Цыганенко 2001(шаг по жесткости ГВ) для вертикальных и наклонно падающих на детектор частиц. 2.Вычисление откликов нейтронных мониторов при переменных параметрах потока первичных СКЛ. 3.С помощью решения обратной задачи (метод наименьших квадратов) определение параметров потока РСП за пределами магнитосферы Земли по сравнению модельных откликов нейтронных мониторов с наблюдаемыми.

10 Диаграмма направленности нейтронного монитора для СКЛ Атмосферное ослабление в зависимости от зенитного угла для СКЛ λ= 100 g/cm 2 Полная зависимость от зенитного угла включающая увеличение телесного угла приема частиц с возрастанием θ I(θ)

11 λ 1 =100 g/cm 2 λ 2 =140 g/cm 2 медиана ~18 о для СКЛ Диаграмма направленности нейтронного монитора для ГКЛ и СКЛ

12 3-х мерная диаграмма направленности нейтронного монитора для изотропного потока для анизотропного потока 9 направлений выпуска частиц с зенитным углом 18 градусов 18 градусов

13 Расчетные асимптотические конусы для частиц, падающих на НМ из вертикального направления и под углом 18 о с различными азимутами. Ст. Апатиты

14 Расчет вклада в счет НМ наклонно падающих частиц V W NWNW N NE E SE S SW Longitude GSE deg. * r0 = 20 0 r = 13 0 ось симметрии Асимптотическая диаграмма направленности для R = 15 GV сечение Particle launching diagram

15 Ось симметрии V Усредненная диаграмма направленности на магнитопаузе A A B B Эффективная ось диаграммы направленности θ eff = θ - Δ θ ССхехемаССхехема Питч-угловое распределение F(θ)~exp(-θ 2 /c) Схема расчета вклада наклонно падающих на НМ частиц

16 Диаграмма направленности НМ для ГКЛ из работы R.Rao, K.G. McCracken, D.Venkatesan, (1963) Учет вклада наклонно падающих частиц в работе Cramp et al., 1997

17 Функция отклика нейтронного монитора на анизотропный поток СКЛ (Shea & Smart, 1982 Cramp et al., 1997): (1) ( N/N) J возрастание на данной станции, связанное с СКЛ, по отношению к фону ГКЛ N J // (R) = JoR - * - дифференциальный жесткостной спектр РСП * = + ·(R-1), - увеличение наклона спектра на 1 ГВ; S(R) удельная функция сбора (Debrunner et al., 1984); θ eff (R) - питч-угол (угол между осью анизотропии, и и асимптотическим направлением прихода частицы с жесткостью R) A(R) = 1 для разрешенных и 0 для запрещенных траекторий F(θ(R)) ~ exp(-θ2/C) форма питч-углового распределения для РСП (Shea and Smart, 1982) Искомые параметры потока РСП: Jo,,, C,, определяются при решении задачи поиска min функции: SN = Σ (( N / N) j calc - (N / N) j observ ) 2 min (2) Методика определения параметров потока первичных СКЛ

18 СОБЫТИЕ 20 января 2005 г.

19 Событие 20 января, 2005 X7.1 N14 W61 GOES-12

20 Гигантское импульсообразное возрастание на южнополярных станциях Ю.Полюс и Мак Мердо свидетельствует о приходе кратковременного коллимированного пучка релятивистских солнечных протонов из южного эклиптического направления

21 Modeling RSP characteristics in the GLE cannot be described within the framework of a particle flux from one direction. So, the best fits to observations were obtained with a model of compound RSP source consisting of two independent particle fluxes with their own parameter sets. The physical basis for such a model can be a complicated form of PAD appropriate to an initial phase of solar particle events. Accordingly, the number of parameters in the compound model grows up to 12. A set of parameters for RSP flux derived by modeling calculations for consecutive time moments of the 20 January 2005 GLE are presented in the next Table 1.

22

23 Сравнение наблюдаемых и модельных откликов нейтронных мониторов для двух моментов времени NStation 1Apatity 2Alma-Ata 3Athens 4Baksan 5Barentsburg 6Calgary 7Cape Shmidt 8Erevan 9Fort Smith 10Hermanus 11Inuvik 12Irkutsk 13Kerguelen 14Kingstone 15Kiel 16Larc 17McMurdo 18Magadan 19Moscow 20Mawson 21Nain 22Norilsk 23Novosibirsk 24Newark 25Oulu 26Potchefsroom 27rome 28SANAE 29Soth Pole 30Thule 31Tsumeb 32Tixie 33Yakutsk Мак Мердо ЮП Мак Мердо ЮП

24 Модельные параметры анизотропии и питч-угловых распределений для двух потоков релятивистских солнечных протонов Параметры

25 Профили возрастания на ряде нейтронных мониторов: Апатиты (Ap), Баренцбург(BRBG), Якутск (YKTK), Мак Мердо (MCMD), Ю.Полюс (SOPO), и установке ШАЛ (БНО) «Ковер». 1 и 2 –моменты времени измерения спектров на рис. справа Спектры РСП : 1a-:7.00 UT: поток 1, UT, поток 2, UT. Точки- прямые измерения солнечных протонов на КА GOES-11 и шарах- зондах эксперимент (ФИАН-ПГИ) - GOES-11, 07:00 UT - GOES-11, 08:00 UT - Balloons, 08:00 UT

26

27 Derived spectra of Fluxes 1 and 2 of RSP falling on atmosphere above South Pole Spectrum of summary RSP flux Response of the South Pole NM-64 neutron monitor Modeled response of NM-64 at South Pole 7.00 UT, ~1500%7.30 UT, ~ 200%

28 Relativistic solar cosmic rays responsible for the GLE 20 January, 2005 were presented by two components: prompt and delayed ones. The prompt component (PC) was very shortlived and extremely anisotropic. It had exponential energetic spectrum and caused the giant impulselike increase effect at Antarctic NM stations South Pole, McMurdo (Terre Adelie). The arrival direction of PC was declined from the IMF direction. Possible cause of this effect could be scattering of narrow particle beam on the sharp kinks of IMF existing in front of the Earth during GLE onset. The delayed component had the power law energetic spectrum and wider pitch-angle distribution. It was responsible for increase effect at most NM stations of the worldwide network. The PC has disappeared about 7.30 UT. After that time in the RSP flux was dominated the delayed component.

29 GLE 23 February, 1956

30

31 GLE г. Рассчитанная ось анизотропии и линии равных питч-углов. Динамика питч-углового распределения

32 Динамика энергетических спектров. В начальный момент времени спектр имеет экспоненциальную форму, а затем становится степенным GLE

33 Параметры экспоненциального I = J O exp (-E/E O ) м -2 с -1 стер -1 ГэВ -1 и степенного I = J 1 E - м -2 с -1 стер -1 ГэВ -1 спектров в событиях GLE

34 CS X-rays Simulation of Prompt Component formation in a reconnection current sheet (Bulanov, Sasarov, 1975, Perez-Peraza, Vashenyuk et al, 1992, Balabin et al., 2005) Resulting proton spectrum has nearly exponential form

35 Экспоненциальная форма спектра быстрой компоненты является характерной для механизма ускорения частиц электрическим полем в импульсном процессе магнитного пересоединения. Спектр запаздывающей компоненты может формироваться механизмом стохастического ускорения в турбулентной вспышечной плазме. Такой механизм дает степенной спектр в пределе высоких энергий. Основываясь на результатах работы ( (Manoharan and Kundu, 2003, Ap.J.,592,597) по развитию CME в магнитных структурах солнечной короны можно предложить возможный сценарий генерации двух компонент релятивистских СКЛ. Быстрая компонента РСП генерируется во время начального энерговыделения в нулевой точке магнитного поля, связанного с магнитным пересоединением. Этот процесс сопровождается Н-альфа вспышкой, началом коронального выброса вещества (СМЕ) и радиоизлучения II типа. Частицы быстрой компоненты, ускоренные в процессе магнитного пересоединения, покидают солнечную корону, двигаясь вдоль открытых силовых линий, выходящих из окрестности нулевой точки. Поскольку структура открытых силовых линий имеет расходящуюся конфигурацию, происходит сильная фокусировка пучка частиц быстрой компоненты. Частицы запаздывающей компоненты, первоначально захваченные в низкокорональных магнитных арках, ускоряются стохастическим механизмом взаимодействуя с МГД турбулентностью вспышечной плазмы. Ускоренные частицы МК выносятся затем во внешнюю корону внутри расширяющегося КВВ. Они покидают ловушку при ее разрушении вследствие неустойчивостей, образуя протяженный по времени и гелиодолготе источник частиц.

36 Эффекты межпланетного распространения

37 The GLE of 28 October 2003 by the worldwide neutron monitors network data a b c (a-c) increase profiles at a number of NM stations: AP-Apatity, Ba-Barentsburg, McM- McMurdo, No-Norilsk, CS-Cape Schmidt, TA-Terre Adelie, Mo-Moscow. Vertical arrow marks a moment of main radio onset (11:02 UT). Note the prompt initial impulse-like increase seen by Norilsk, Cape Schmidt and Moscow stations. d (d) Asymptotic cones (AC) of acceptance in GSE coordinates for the NM stations at figures a-c. Solid parts of lines denote the portions of maximal response of AC. The equal pitch angle lines are depicted relative to the derived axis of symmetry direction at UT. By and symbols are marked the IMF directions (data of ACE spacecraft) from 11 to 12 UT of 28 October ( ) is derived direction of maximal intensity during the impulse-like increase at UT.

38

39 Распространение СКЛ в событии г.

40 ЗАКЛЮЧЕНИЕ С использованием методов математического моделирования по данным мировой сети станций нейтронных мониторов исследована динамика спектров релятивистских солнечных протонов в 12 крупных событиях гг. Для всех событий показано существование двух популяций (компонент) частиц: быстрой (БК) и запаздывающей (медленной), (МК). БК регистрируется в начальной фазе события. Она имеет короткую продолжительность, сильную анизотропию и экспоненциальный энергетический спектр, характерный для ускорения электрическим полем, возникающем в локальном импульсном процессе магнитного пересоединения. Медленная компонента регистрируется через мин после быстрой, имеет умеренную анизотропию и степенной энергетический спектр с показателем 5-6. Вероятными механизмами генерации для МК могут быть стохастическое ускорение в турбулентной вспышечной плазме и ускорение корональными ударными волнами.