Геомагнетизм и аэрономия, 2021, T. 61, № 1, стр. 8-15

1. ВВЕДЕНИЕ

Частицы высокой энергии, которые появляются в межпланетном пространстве в результате взрывных энерговыделений на Солнце, в русскоязычной литературе принято называть солнечными космическим лучами (СКЛ). В мировой литературе явление СКЛ часто называется событиями в солнечных энергичных частицах (Solar Energetic Particles, SEP). Данная статья не обсуждает элементный состав СКЛ, поэтому мы употребляем термин солнечные протонные события (СПС), так как СКЛ на более чем 90% состоят из протонов. Подробнее принятая терминология освещена в работе [Мирошниченко, 2018]. В 1940–1950-х годах события СКЛ могли регистрироваться только наземными установками, в основном с помощью ионизационных камер, т.е. их энергия превышала несколько ГэВ. Они являются достаточно редкими событиями и получили название наземных возрастаний (Ground Level Enhancements, GLE). Развитие сети нейтронных мониторов [Simpson, 1957] не сильно увеличило число наблюдаемых GLE: до настоящего времени их зарегистрировано всего 72. Измерения на аэростатах [Чарахчьян, 1964] удвоили количество наблюдавшихся событий СКЛ, а наблюдения в межпланетном пространстве в 1970-х годах увеличили его на порядок, что связано с уменьшением энергетического порога регистрации частиц. Энергии СКЛ охватывают более 4 порядков величины, а интенсивности – более 8 порядков, поэтому события СКЛ не могут быть зарегистрированы одним инструментом.

Свойства СКЛ настолько многообразны, а связанные с ними проблемы настолько многочисленны, что их изучение в течение более 70 лет после их открытия [Forbush, 1946] приносит не только новую информацию, но поднимает все новые вопросы, касающиеся их происхождения и связи с другими проявлениями солнечной активности. Число публикаций на эту тему не убывает. Ограничиваясь лишь недавними публикациями, можно упомянуть книгу [Malandraki and Crosby, eds., 2018], а также статьи, затрагивающие вопрос о вкладе вспышек (процессов во вспышечной области, характеризующихся классом рентгеновской вспышки) и корональных выбросов вещества (КВВ) в генерацию СКЛ (например, [Lario et al., 2017; Cliver et al., 2019; Kocharov et al., 2020; Черток, 2018; Струминский и др., 2020]). Не решенным остается вопрос о связи СКЛ с солнечными нейтронами и высокоэнергичным гамма-излучением, генерируемом на Солнце во время мощных энерговыделений [de Nolfo et al., 2019; Muraki et al., 2020]. Изучение СКЛ требует знания изменчивых условий на Солнце и в межпланетной среде, в которых происходит ускорение и распространение частиц. Многочисленность событий и многообразие характеристик СКЛ и условий, в которых происходит ускорение и распространение частиц, сделали неизбежным появление каталогов СКЛ, первый из которых обобщил информацию об СКЛ 1955–1969 гг. [Svestka and Simon, eds., 1975].

В настоящее время существует несколько каталогов СКЛ и статей, содержащих большие списки событий СКЛ с их характеристиками [Kurt et al., 2004; Vainio et al., 2013; Lario and Karelitz, 2014; Papaioannou et al., 2014, 2016; Miteva and Samwell, 2018; Paassilta et al., 2018], a также некоторые электронные базы данных [URL nasa sepe; URL gle.oulu].

С начала 1980-х годов неформальная группа экспертов по физике Солнца, физике частиц и геофизике собирает данные о наблюдениях солнечных частиц и сопутствующих явлений и пытается сформировать однородные ряды данных – Каталоги солнечных протонных событий (СПС), которые являются продолжением Каталога [Svestka and Simon, eds., 1975]. Группа работает под руководством проф. Ю.И. Логачёва из МГУ им. М.В. Ломоносова. Каталог компилирует данные о событиях СКЛ с потоком протонов с энергией E ≥ 10 МэВ в максимуме временнóго профиля события J10 ≥ ≥ 1 см^–2 с^–1 ср^–1 (1 pfu). Далее мы называем этот ряд серией J10. Аналогичный ряд для протонов с энергией Е ≥ 100 МэВ мы называем серией J100. Все доступные данные с различных космических аппаратов, аэростатов и нейтронных мониторов были включены в выпуски Каталога [Логачёв, ред., 1982, 1986, 1990а, б, 1998; Логачёв и др., 2016].

Каталоги, охватывающие данные с 1970 по 1996 гг., содержат табличные данные о потоках протонов разных энергий в максимуме временнóго профиля события, сведения о возможных источниках частиц с указанием вероятности их вклада, таблицы сопутствующих электромагнитных излучений, а также, схематически, временны́е профили события, график энергетического спектра частиц в максимуме временнóго профиля с оценкой показателя спектра в степенном представлении. Для событий СКЛ с 1970 по 1986 гг., помимо вышеуказанного, представлены синоптические карты Солнца: активной области и схемы соответствующей группы пятен, где произошли родительские вспышки. Кроме того, показана динамика долготы соединения вспышки и наблюдателя. В каталоге событий СКЛ солнечного цикла 23 и в готовящемся к публикации каталоге цикла 24 добавлена новая информация. Существенно расширен ряд инструментов, наблюдающих СКЛ, представлены графики их временны́х профилей и временны́х рядов сопутствующего мягкого рентгеновского излучения, скорости солнечного ветра, индукции межпланетного магнитного поля и Dst-индекса [URL omni]. Все каталоги снабжены подробными описаниями и объяснениями. В данной работе, основываясь на информации, представленной в этой серии каталогов, мы сравниваем ряды событий СКЛ малых энергий (серия J10) и наземных возрастаний (GLE) в течение солнечных циклов 21–24 и сопоставляем их с предполагаемыми источниками СКЛ.

2. СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СКЛ В ЦИКЛАХ 21–24

Единый подход к сбору данных позволяет нам сравнивать активность Солнца в генерации солнечных протонов в последних солнечных циклах. Каталоги под редакцией Ю.И. Логачёва начинаются с января 1970 г., т.е. с середины 20-го солнечного цикла. Поэтому мы взяли для сравнения три полных солнечных цикла 21–23 и последний цикл 24, в котором последние события СКЛ были зарегистрированы в 2017 г. В этой работе мы рассматриваем изменения в генерации солнечных протонов во время последних солнечных циклов, сопровождающихся ослаблением солнечной активности. В частности, мы сосредоточимся на общем количестве событий СКЛ с протонами E ≥ ≥ 10 МэВ (серия J10) и числе самых мощных событий, GLE, зарегистрированных наземными нейтронными мониторами. Рисунок 1 демонстрирует временнóй ход годовых значений числа событий СКЛ для протонов с энергией Е ≥ 10 МэВ, Е ≥ 100 МэВ и GLE, а также числа солнечных пятен в 1970–2018 гг. Ряд событий с E ≥ 100 МэВ (серия J100) до 1987 г. нельзя считать однородным, так как измерения не были постоянными.

Рис. 1.

Верхняя панель – годовые значения числа событий СКЛ: с энергией Е ≥ 10 МэВ – кружки, ≥100 МэВ – квадраты, GLE – ромбы. Нижняя панель – число солнечных пятен (URL Rz).

Подход, реализованный здесь, представляет собой анализ накопленного числа различных рассматриваемых параметров для каждого солнечного цикла: данные за каждый месяц солнечного цикла суммируются с начала цикла. Рисунок 2 демонстрирует накопленные значения числа солнечных пятен Rz и числа событий СКЛ как функцию порядкового номера месяца в солнечном цикле. Также показан временнóй ход Rz (серая кривая) для сравнения с накопительным методом. Накопленные величины удобны для изучения суммарных значений параметров солнечной активности, длительности циклов солнечных пятен и активных периодов, во время которых генерировались СКЛ. Число солнечных пятен постоянно уменьшалось от 21-го к 24-му циклу, а продолжительность солнечных циклов упала в цикле 22 (9.58 лет), по сравнению с циклом 21 (10.25 лет), резко выросла в переходном между эпохами солнечной активности цикле 23 (самый длинный по времени среди достоверных циклов – 12.7 лет). Текущий цикл 24, на момент написания статьи, еще продолжается, но его длительность на апрель 2020 г. (11.3 года), вряд ли превысит длительность цикла 23 (12.3 года).

Рис. 2.

Временнóй ход числа солнечных пятен, R_z (серая линия) и накопленные значения Rz (штриховая линия), числа событий СКЛ серии J10 (тонкая линия) и числа событий GLE (нижняя толстая линия).

Число событий СКЛ в цикле 24 было наименьшим среди циклов 21–24. Отметим, что этот параметр не повторяет поведение числа солнечных пятен. Максимальное число и наибольшая продолжительность J10 были в цикле 21, а GLE – в цикле 23, который для J10 был вторым по накопленному числу событий и продолжительности генерации СКЛ. Накопленное число событий J10 уменьшалось с 21-го до 24-го цикла слабее, чем число солнечных пятен Rz. В то же время число событий GLE практически не уменьшалось в течение циклов 21–23 и скачком уменьшилось в цикле 24. Этот вывод не изменится, если прибавить к числу GLE (всего два за цикл) три близких к ним события sub-GLE [Mishev et al., 2017]. Продолжительность временнóго интервала, в котором наблюдались GLE, в цикле 24 была 65 месяцев, что больше, чем в цикле 22 (41 месяцев) и меньше, чем в циклах 23 (110 месяцев) и 21 (95 месяцев).

Учитывая ослабление солнечной активности, интересно взглянуть на относительные значения параметров СКЛ, т.е. отношение накопленного числа событий СКЛ к накопленным значениям Rz. В противоположность абсолютным значениям, относительное число событий J10 увеличилось на 20% от циклов 21–22 до цикла 24. В то же время относительное число событий GLE снизилось с 5–7% в циклах 21–22 до менее чем 1.5% в цикле 24. В циклах 21–23 общее количество событий J10 было в ~9–12 раз больше, чем событий GLE. В цикле 24 это соотношение составляло ~55.

Средняя частота событий СКЛ в месяц может быть определена как отношение их накопленного числа к продолжительности цикла Rz или к продолжительности периода генерации СКЛ в цикле. В первом случае частота J10 медленно уменьшалась от цикла 21 до цикла 24, в то время как частота GLE была постоянной в циклах 21–23 и сильно уменьшилась в цикле 24. Во втором случае частота J10 оставалась постоянной в циклах 21–23 и слегка уменьшилась в цикле 24; частота GLE была максимальной в цикле 22 и резко упала в цикле 24.

3. ИСТОЧНИКИ СОБЫТИЙ СКЛ В 21-м–24-м ЦИКЛАХ

Самым впечатляющим явлением в 24-м цикле является резкое падение частоты событий GLE, что естественно влечет за собой необходимость исследования источников GLE, а именно, рентгеновских вспышек и корональных выбросов вещества (КВВ) (например, [Klein and Dalla, 2017]). Во внимание были приняты только достоверные источники согласно работам [Логачёв, ред., 1982, 1986, 1990а, б, 1998], Логачёв и др. [2016]. Связь между событиями GLE и рентгеновскими вспышками была рассмотрена для 1971–2017 гг. [URL вспышки]. Всего за этот период было 52 GLE, в 49 из них вспышка была надежным источником СКЛ. Два события (28 мая 1990 г. и 18 апреля 2001 г.) с залимбовыми источниками были исключены из рассмотрения. Около 81% GLE произошли от рентгеновских вспышек класса X, 15% – от вспышек класса М. Число вспышек класса X относительно класса М в циклах 21–24 было практически постоянным – 7.8%, 7.6%, 8.7% и 6.8% соответственно. Рисунок 3 демонстрирует аккумулированное число рентгеновских всплесков класса X и аккумулированное число GLE для циклов 21–24. В циклах 21 и 22 обе серии идентичны. Однако в 23-м цикле количество GLE увеличивалось быстрее, чем число вспышек класса X, в то время как в цикле 24 ситуация была противоположной. Количество вспышек X-класса, приходящихся на одно событие GLE в циклах 23 и 24, было ~8 и 24 соответственно.

Рис. 3.

Накопленное число вспышек класса Х (штриховая линия) и накопленные значения числа событий GLE (сплошная линия).

Дополнительным источником релятивистских СКЛ являются КВВ [см. каталог Логачёва и др., 2016], информация о которых доступна для циклов 23 и 24 [URL CME]. В этот период было 18 GLE, информация о КВВ для 17 из них доступна. Более 94% КВВ, связанных с GLE, имели скорость V > 1000 км/с, более 76% – V > 1500 км/с. Более 82% КВВ, связанных с GLE, были типа гало. Мы изучили накопленное количество КВВ типа гало со скоростью более 1000 км/с и сравнили их с числами GLE (см. рис. 4). Числа КВВ типа гало с V ≥ 1000 км/с на одно GLE в циклах 23 и 24 было 11 и 55 соответственно. По сравнению с аналогичными значениями для вспышек класса Х можно заключить, что при переходе от цикла 23 к циклу 24 средний вклад вспышек в генерацию GLE уменьшился в 3 раза, а средний вклад КВВ уменьшился в 5 раз.

Рис. 4.

Накопленное число КВВ (штриховая линия) и накопленные значения числа событий GLE (сплошная линия).

При рассмотрении источников событий СКЛ J10, события GLE были исключены из анализа. В циклах 23 и 24 более 95% вспышек, связанных с J10, относятся к классу >M, различия между циклами 23 и 24 довольно малы. Более 95% событий J10, ассоциированных с КВВ, имели скорость V выше 500 км/с, и более 70% КВВ были типа гало. Рисунок 5 показывает сравнение между накопленным числом событий СКЛ J10 и накопленной суммой вспышек классов M и X (верхние панели), а также между числами событий J10 и КВВ типа гало со скоростью V > 500 км/с (нижние панели). С 23-го по 24-й циклы количество мощных солнечных вспышек уменьшилось сильнее, чем количество событий СКЛ J10. Наоборот, количество КВВ уменьшились слабее, чем число событий СКЛ J10. Количество вспышек классов M + X на одно событие J10 было 10.9 в цикле 23 и 8.5 в цикле 24. Аналогичные значения для КВВ типа гало с V > 500 км/с были 2.3 и 3.0. Это означает, что при переходе от цикла 23 к циклу 24 средний вклад вспышек в генерацию СКЛ J10 уменьшился в 1.3 раза, а средний вклад КВВ – возрос в 1.4 раза.

Рис. 5.

Верхние панели: накопленное число вспышек классов М + Х (штриховая линия) и накопленные значения числа событий J10 (сплошная линия). Нижние панели: накопленное число КВВ типа гало и скоростью V > 500 км/с (точки) и накопленные значения числа событий J10 (сплошная линия).

Отсюда можно заключить, что роль КВВ существенно выше для частиц СКЛ малых энергий. Этот результат согласуется с выводом [Dierckxsens et al., 2015].

4. ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Согласно классификации, предложенной в работе [Ишков, 2018], солнечные циклы 21–22 относятся к эпохе повышенной солнечной активности, цикл 23 – к переходному периоду между эпохами повышенной и пониженной солнечной активности, а цикл 24 открывает эпоху пониженной солнечной активности. Мы пытались уловить общие тенденции в ослаблении солнечной активности в тех ее проявлениях, которые влияют на генерацию СКЛ. Наш анализ показывает, что наибольшие изменения произошли между циклами 23 и 24. В таблице показаны основные параметры и их отношения R для циклов 23 и 24, рассмотренные в этой работе.

Статистические ошибки приведенных отношений довольно велики, особенно для событий GLE, но это не отменяет того факта, что падение числа GLE в цикле 24 было экстраординарным. Из таблицы следует, что более энергичные явления (GLE, вспышки класса Х, КВВ с V > 1000 км/c) сильнее деградируют с уменьшением солнечной активности. Кроме того, R для серии J10 ближе к значениям для КВВ, что подтверждает бóльшую роль КВВ в генерации СКЛ малых энергий. Драматическое уменьшение числа GLE лучше всего коррелирует с изменением числа наиболее мощных вспышек класса Х, и это свидетельствует о бóльшей роли вспышек в генерации GLE. Таким образом, наш анализ показывает, что при увеличении энергии частиц роль вспышек в генерации СКЛ возрастает, тогда как, в подтверждение результатов [Dierckxsens et al., 2015], для СКЛ малых энергий существенным является вклад КВВ.

Следует отметить, что результаты работы носят статистический характер и не касаются сложных физических процессов и условий ускорения и распространения СКЛ.