Введение к работе
Актуальность темы. Исследование долгопериодических вариаций
галактических космических лучей (ГКЛ) в гелиосфере имеет важное
научное значение в системе знаний по космической физике, поскольку, с
одной стороны, они обусловлены фундаментальными
квазипериодическими электромагнитными процессами на Солнце, которые принципиально не доступны для прямых измерений, а с другой - являются источником наших знаний о самой гелиосфере, как области, в которой протекают модуляционные процессы.
Поскольку ГКЛ являются заряженными частицами, их распространение в гелиосфере определяется взаимодействием с электромагнитными полями Солнца, выносимыми далеко в гелиосферу радиально истекающей плазмой солнечного ветра (СВ). Вследствие многообразия и сложности физических процессов в плазме СВ, обусловленных как солнечной активностью (СА), характеризуемой ярко выраженной 11-летней периодичностью, так и взаимодействием плазмы СВ. с частицами локальной межзвёздной среды на значительных гелиоцентрических расстояниях, характеристики которой недоступны в настоящее время для прямых измерений, изучение модуляционных процессов возможно только в рамках определённых модельных
представлений о гелиосфере. Описание долгопериодических вариаций на основе ограниченных представлений о модулирующих процессах в гелиосфере, упрощающих описание реальной ситуации, не может претендовать на исчерпывающее и всестороннее количественное согласие с измерительными данными. Однако требование адекватности модельных подходов к описанию реальной гелиосферы в отношении основных характерных особенностей поведения ГКЛ в 11-летних циклах СА является необходимым. Такого рода адекватность модели может быть установлена только на основании сравнения её описательных возможностей с измерительными данными. С этой точки зрения измерительные данные ' по интенсивности с дальних космических аппаратов, охватывающих 22-летний солнечный магнитный цикл и гелиоцентрические расстояния до »65 астрономических единиц (АЕ). представляют уникальную возможность, и актуальность такого сравнительного анализа является очевидной.
Количественное описание интенсивности ГКЛ возможно на основе сформулированного в конце 60-х годов транспортного уравнения, которое включает все известные в настоящее время механизмы модуляции. Это уравнение, рассматриваемое в рамках модели «наклонного токового слоя» (НТС) гелиосферы, которая выбрана в работе, является существенно трёхмерным по пространственным координатам. С другой стороны,
-
Показано, что учёт наружной (по отношению к гелиосфере модуляции гелиосферным ЭП, приводящий к значительному изменении спектра ГКЛ на внешней границе гелиосферы, позволяе' удовлетворительно описать экспериментальные данные пі пространственному распределению протонов ГКЛ в последовательны: минимумах СА 1987 и 199G г.г., которые без учёта наружной модуляции не описываются при одних и ' тех же значениях независящих о-полярности 11-летнего цикла СА модулирующих параметров.
-
С помощью численного решения сформулированного уравненш для средней по долготе интенсивности описываются данные по временны* вариациям интенсивности протонов вблизи последовательных минимумої СА. Результат такого сопоставления приводит к выводу о(. удовлетворительном описании временного хода интенсивности вблиз^ минимумов СА на фазе спада СА. На фазе роста СА описание толькс качественно соответствует поведению интенсивности протонов ГКЛ пс измерительным данным КА ИМП-8.
Защищаемые положения:
1. Предложена методика расчёта электромагнитных характеристик гелиосферы на основе заданных на ПИ их распределений путём разложения в ряд по сферическим функциям. Для частных случаев однородного распределения магнитного поля и при наличии дипольнои егс
.8
сферическим функциям, в приближении высокой проводимости плазмы СВ, получено более общее выражение для гелиосферного ЭП, соответствующее трёхмерной гелиосфере в рамках модели НТС, которое в предельном случае плоского ТС сводится к известному ранее результату.
2. Проведён анализ условий для градиента интенсивности на ТС в общем случае трёхмерного по пространственным координатам уравнения для ГКЛ и для полностью анизотропного тензора диффузии (ТД). Результатом анализа является формулировка соотношения, связывающего градиент усреднённой по долготе интенсивности с градиентом трёхмерной по пространственным переменным добавки к интенсивности, выражающей баланс полного диффузионно-дрейфового потока на ТС и, с другой стороны, определяющей дрейфовый поток заряженных частиц ГКЛ вдоль трёхмерной поверхности ТС через скачок нормальной к поверхности ТС компоненты градиента. Полученное соотношение, с учётом наличия только нормальной к поверхности ТС компоненты градиента трёхмерной добавки к средней интенсивности и её антисимметричности относительно поверхности ТС, позволяет выразить градиент добавки через градиент средней интенсивности и получить замкнутое уравнение для средней по долготе интенсивности. Это уравнение в предельном случае малого модельного параметра - угла наклона ТС - переходит к ранее известной форме, соответствующей плоскому ТС.
рамках транспортного уравнения, а их воздействие за пределами границы области модуляции может быть существенным, естественным является учёт этого влияния и в наружных областях гелиосферы за пределами её внешней границы. Кроме того, без учёта наружной модуляции не удаётся описать измерительные данные по интенсивности в последовательных минимумах СА при одних и тех же значениях модулирующих параметров, которые не должны, по определению, зависеть от полярности 11- летнего солнечного цикла. Формально, учёт наружной модуляции сводится к пересчету спектра интенсивности, который устанавливается в качестве граничного условия для интенсивности ГКЛ на внешней границе гелиосферы, и, в первом приближении, может быть осуществлён в рамках теоремы Лиувилля.
Цель работы состоит в усовершенствовании описания пространственно-временного распределения ГКЛ в периоды вблизи минимумов СА путём учёта наружной модуляции ЭП, вывода на основе трёхмерного по пространственным переменным транспортного уравнения двумерного уравнения, описывающего долгопериодические вариации интенсивности ГКЛ, и сопоставления рассчитанной на основе этого уравнения интенсивности с измерительными данными.
Научная новизна. 1. Основываясь на предложенной нами методике разложения электромагнитного поля на ПИ в ряд по
оолгопериодические вариации интенсивности по определению являются двумерными, поскольку подразумевают вариации интенсивности с характерным временным масштабом, большим периода солнечного вращения. Вследствие.дрейфа заряженных частиц ГКЛ вдоль поверхности токового слоя (ТС), характерного для модели НТС гелиосферы, процедура усреднения полного транспортного уравнения по долготе при конечных значениях угла наклона ТС не сводится к азимутально симметричному и симметричному относительно гелиоэкватора уравнению. Поэтому формулировка двумерного по пространственным координатам уравнения с учётом дрейфов в ТС на основании полного трёхмерного уравнения для интенсивности в рамках модели НТС является актуальной при рассмотрении долгопериодических вариаций интенсивности ГКЛ.
Неотъемлемым следствием моделей гелиосферы, в которых регулярная компонента ММП описывается в приближении высокой проводимости плазмы СВ, является существование разности электрического потенциала (ЭП) между полюсом и приэкваториальными областями гелиосферы. Величина и знак ЭП определяются распределением и знаком магнитного поля на поверхности источника (ПИ) (т.е. связана с полярностью 11-летнего солнечного цикла активности). Поскольку в пределах внешней границы гелиосферы влияние электромагнитных полей на интенсивность ГКЛ полностью учитывается в
составляющей на ПИ получены явные выражения для ЭП гелиосферы -важной составляющей модели НТС гелиосферы.
-
Из сопоставления решения модифицированной граничной задачи для транспортного уравнения, описывающего долгопериодические вариации интенсивности ГКЛ с учётом наружной модуляции посредством ЭП гелиосферы, с экспериментальными данными по интенсивности в последовательных минимумах СА сделан вывод, что учёт влияния электрических полей вне области модуляции позволяет описать экспериментальные данные в последовательных минимумах СА с одним и тем же набором модулирующих параметров, не зависящих от полярности 11-летнего солнечного цикла активности. Без учёта наружной модуляции это невозможно.
-
Для описания долгопериодических вариаций ГКЛ, на основе полного трёхмерного транспортного уравнения для ГКЛ, путём усреднения по долготе в рамках модели НТС гелиосферы сформулировано двумерное по пространственным переменным уравнение для средней по долготе интенсивности с учётом дрейфов в ТС.
-
Из сопоставления решения для средней по долготе интенсивности ГКЛ с экспериментальными данными вблизи последовательных минимумов СА следует, что полученное уравнение демонстрирует
качественно правильную зависимость интенсивности от модельного параметра - угла наклона ТС.
Научная и практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при решении многих задач, связанных с описанием пространственного и временного распределения интенсивности ГКЛ вблизи минимумов СА. Сравнительный анализ основных параметров модели НТС с измерительными данными по их поведению в гелиосфере в последовательных циклах СА позволяет выделить основные направления усовершенствования модели с точки зрения более адекватного описания пространственного распределения ГКЛ не только в периоды низкой СА, но и на протяжении всего цикла.
Вывод о завышении вклада дрейфового механизма в модуляцию ГКЛ в рамках транспортного уравнения, вытекающий из сопоставления расчётного пространственного распределения интенсивности с измерительными данными дальних КА, подтверждает аналогичный вывод других авторов, основанный на анализе измерительных данных как в дальней гелиосфере, так и нейтронных мониторов, что значительно повышает его надёжность.
Личный вклад автора. Решение задачи, поставленной в диссертации, выполнено автором. Им получены все приводимые в работе методические результаты и проведена их реализация в рамках расчётных
программ. Кроме того, выполнен весь объём анализа измерительного
/ материала, послужившего основой для сделанных в диссертации выводов.
Аппробация работы. Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы докладывались на 21, 23 и 24 Международных конференциях но космическим лучам (Австралия, Аделаида, 1990 г., Канада, Калгари, 1993 г., Италия, Рим, 1995 г.), на II Всесоюзном совещании по математическим моделям ближнего космоса (Звенигород, 1991г.), научных семинарах в ИЗМИРАН, ФИАН, НИИЯФ МГУ.
Публикации. Наиболее важные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и двух приложений. Общий объём - 145 страниц, включая 40 рисунков и библиографию 114 наименований.
