Геомагнетизм и аэрономия, 2021, T. 61, № 5, стр. 672-679

1. ВВЕДЕНИЕ

Солнечные космические лучи (СКЛ) – одно из следствий взрывного энерговыделения на Солнце наряду с электромагнитными излучениями и выбросом корональной массы (КВМ). До сих пор продолжается дискуссия о вкладах различных механизмов в генерацию СКЛ, среди которых главными кандидатами являются ускорение во вспышечной области и ускорение на ударной волне, связанной с КВМ [Anastasiadis et al., 2019; Reames, 2021). Радиоизлучение, сопровождающее взрывное энерговыделение, генерируется ускоренными электронами и дает ценную информацию о происходящих физических процессах, в том числе об ускорении протонов. Радиоизлучение II типа (РИ2) интерпретируется как распространение ударной волны в короне [Cairns et al., 2003). В работе [Цап и Исаева, 2013) показана высокая корреляция между потоками СКЛ и структурой ударной волны, вызывающей РИ2, которая возрастает с энергией солнечных протонов, что прямо указывает на роль ударной волны в ускорении СКЛ. Подтверждение ускорения СКЛ на ударных волнах в короне получило подтверждение в работе [Kouloumvakos et al., 2019], в которой показано тесное соотношение между интенсивностью солнечных протонов с энергией 40–60 МэВ с числом Маха корональных волн (коэффициент корреляции СС = 0.75). В работе [Gopalswamy et al., 2019а] показано, что длительное вспышечное гамма-излучение в событиях с релятивистскими СКЛ коррелирует с конечной частотой и длительностью РИ2.

С другой стороны, параметры частотного спектра вспышечных микроволновых всплесков коррелируют с показателем степенного энергетического спектра солнечных протонов, и это является аргументом в пользу ускорения СКЛ в процессах импульсного и постэруптивного энерговыделения во вспышке [Черток и др., 2009]. Постэруптивное ускорение электронов подтверждено работой [Yu et al., 2020], основанной на наблюдениях обновленного радиотелескопа EOVSA. Исследование [Fleishman et al., 2020] установило, что изменение магнитного поля в короне в области вспышки 10 сентября 2017 г. привело к выделению энергии, достаточной для ускорения частиц, генерирующих микроволновое радиоизлучение. Можно с уверенностью предполагать, что в большинстве случаев на Солнце реализуются условия для ускорения частиц несколькими способами, которые могут действовать одновременно или последовательно на разных фазах энерговыделения на Солнце [например, Bouratzis et al., 2010].

Взаимосвязь между КВМ и РИ2 является достаточно сложной [Ramesh et al., 2010], она может быть разной для РИ2 метрового и декаметрового диапазона [Lara et al., 2003; Gopalswamy et al., 2005], а также зависит от характеристик общего магнитного поля Солнца [Bilenko, 2015, 2018]. Работы [Gopalswamy et al., 2005, 2019а; Kumari et al., 2017] утверждают, что СКЛ генерируются ударными волнами, которые инициируются КВМ, проявляющимися в короне как радиоизлучение II типа и затем распространяющимися в межпланетном пространстве.

Результаты сопоставлений РИ2, КВМ и СКЛ, выполненные до сих пор, относились к наиболее ярким событиям СКЛ. Многообразие условий, в которых ускоряются и распространяются СКЛ, отражаются в большой вариабельности их характеристик, и это делает необходимым накапливать статистику для выявления взаимосвязей процессов, дающих вклад в СКЛ. Такую возможность обеспечивают Каталоги СКЛ, представляющие однородные ряды данных.

В этой работе, основанной на данных об СКЛ из Каталогов [Логачёв и др., 2016, 2019], мы рассмотрим 2 вопроса: (1) чем отличаются солнечные протонные события, сопровождаемые и не сопровождаемые радиоизлучением II типа и (2) отличаются ли события с радиоизлучением II типа, сопровождающие и не сопровождающие солнечные протонные события.

2. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Данные о потоках и спектрах частиц, а также о предполагаемых источниках СКЛ и надежности их отождествления взяты из работ [Логачёв и др., 2016, 2019], в которых собраны события СКЛ с максимальной интенсивностью солнечных протонов с Е ≥ 10 МэВ J10 ≥ 1.0 pfu (см^–2 с^–1 ср^–1). В Каталогах дана информация о потоках солнечных протонов, об интегральном энергетическом спектре в максимуме временнóго профиля события и о возможных источниках СКЛ с оценкой степени достоверности. Процедура отождествления источника СКЛ и степени достоверности описана в Каталоге [Акиньян и др., 1982] и в работе [Логачёв и др., 2015]. Данные о РИ2 описаны в работе [Gopalswamy et al., 2019б] и содержатся в таблицах [URL Type II], причем эти события РИ2 привязаны к КВМ (CME-loud TypeII) и соответствующим источникам на Солнце согласно [URL CME]. Этот список включает события РИ2, в основном декаметрового и гектометрового диапазонов, зарегистрированные на спутниках WIND и STEREO. Мы нашли 11 событий СКЛ, не совпадающих с РИ2 по данным [URL Type II], в которых РИ2 было зарегистрировано наземными радиотелескопами [URL Type II m]. Эти события не включены в настоящий анализ, поскольку они, в основном, относятся к метровому диапазону и могут иметь другой характер связи с СКЛ [Lara et al., 2003]. При сравнении СКЛ с базой РИ2 было важно, чтобы их источники совпадали. Мы считали совпадающими источники, происходившие из одной активной области на Солнце, при условии, что РИ2 имело место раньше, чем приход СКЛ к Земле в пределах нескольких часов. При таком подходе обнаружилось, что большинство несовпадений было связано с событиями, источники которых находились на лимбе или за лимбом Солнца. Эти события обладают особенностями, которые связаны с геометрией ускоряющих ударных волн и межпланетного магнитного поля, в котором распространяются СКЛ. Они требуют дальнейшего изучения и не рассматриваются в этой статье. Статистика событий, включенных в нашу работу, представлена в таблице 1.

3. ОСОБЕННОСТИ СОБЫТИЙ СКЛ, СВЯЗАННЫХ И НЕ СВЯЗАННЫХ С РАДИОИЗЛУЧЕНИЕМ II ТИПА

Из таблицы 1 следует, что событий СКЛ с РИ2, больше, чем без РИ2. События СКЛ анализировались по величине потока протонов J10 и энергетическому спектру в максимуме временнóго профиля события, по гелиодолготному распределению и мощности родительских вспышек, а также по характеристикам сопровождающих их КВМ.

Из рисунка 1а следует, что при малых потоках J10 число событий СКЛ без РИ2 даже превышает число событий с РИ2, но по мере увеличения потока доля событий с РИ2 становится все больше. Все события с J10 > 1000 pfu сопровождаются РИ2. Распределения числа событий, отнесенные к величине интервала, представленные на рис. 1б, подчиняются степенному закону с показателем η = –1.1 для событий с РИ2 и η = –1.4 для событий без РИ2.

Рис. 1.

(а) – Распределение событий СКЛ по величине J10 потока протонов с Е ≥ 10 МэВ в максимуме события для событий с РИ2 (черная гистограмма) и без РИ2 (серая гистограмма). (б) – Распределение событий СКЛ на единицу интервала потока для событий с РИ2 (черная кривая с кружками) и без РИ2 (серая кривая с треугольниками).

Показатель интегрального энергетического спектра протонов в максимуме события определяется в Каталогах [Логачёв и др., 2016, 2019] в интервале энергий десятков–сотен МэВ по участку, где спектр хорошо аппроксимируется степенным законом. Интервал энергий может меняться от события к событию, но показатель хорошо отражает общую зависимость от энергии. На рисунке 2 видно, что в событиях СКЛ с РИ2 явно преобладают жесткие спектры с показателем ~–2, тогда как события СКЛ без РИ2 имеют более мягкие спектры, показатели имеют распределение, близкое к симметричному, с показателем в максимуме распределения ~–3.

Рис. 2.

Распределение показателя энергетического спектра СКЛ в степенном представлении. Черная гистограмма – события СКЛ с РИ2, серая гистограмма – без РИ2.

Рис. 3.

Распределение по мощности рентгеновских вспышек – источников СКЛ. Обозначения – как на pис. 2.

Рис. 4.

Распределения вспышек-источников событий СКЛ по гелиодолготе. Обозначения – как на pис. 2.

Как видно на рис. 3, максимальный вклад в СКЛ с Е ≥ 10 МэВ дают события с вспышками балла М независимо от их связи с РИ2. Однако распределение источников по мощности заметно сдвинуто в сторону более сильных вспышек для событий, связанных с РИ2. В то же время 11 событий СКЛ без РИ2 были связаны с вспышками балла Х.

Распределения вспышек-источников по гелиодолготе показаны на рис. 4. Источники СКЛ с РИ2 в большинстве располагаются в западном полушарии Солнца, в то время как события без РИ2 распределены более равномерно. В восточном полушарии событий без РИ2 даже больше, чем с РИ2. В западном полушарии Солнца событий с РИ2 примерно в 2 раза больше, чем событий без РИ2. Однако события СКЛ без РИ2 имеют плоское распределение в интервале долгот E30– W90, в котором содержится 75% всех событий.

Рисунок 5 показывает соотношение событий СКЛ, КВМ и РИ2. Рисунок 5а говорит, что СКЛ без РИ2 связаны с менее скоростными КВМ, чем СКЛ с РИ2. Более того, 18 событий СКЛ не связаны ни с РИ2, ни с КВМ. По углу раствора КВМ события СКЛ, связанные и не связанные с РИ2, практически не отличаются: к типу гало, т.е. 360°, относятся 71% и 63% соответственно (на рис. 5б показано абсолютное число событий). При этом наблюдается существенное различие в позиционных углах КВМ (рис. 5в). Следует отметить, что для событий РИ2 в использованных нами таблицах [URL Type II] даны так называемые центральные позиционные углы (CPA), которые для событий по углу раствора типа “гало” относятся к 360°. Этим объясняется преобладание событий в интервале углов 330°–360° и некоторое подобие распределений событий РИ2 по углу раствора и позиционному углу на рис. 5б и 5в. В большинстве работ используются значения позиционных углов MA [URL CME], которые для всех событий определяются как направление наиболее быстрого распространения КВМ. В событиях с углом раствора <360° значения позиционных углов CPA и MA мало отличаются [URL CME]. В сторону Земли распространяются КВМ с позиционным углом больше 180 град. Этот интервал углов превалирует для событий СКЛ, связанных с РИ2, тогда как для событий СКЛ без РИ2 распределение по позиционному углу практически равномерное. В целом, события СКЛ без РИ2 слабо связаны с КВМ.

Рис. 5.

Распределения событий СКЛ по параметрам КВМ. (а) – распределение по скорости КВМ, (б) – распределение по углу раствора КВМ, (в) – распределение по позиционному углу КВМ. Обозначения – как на рис. 2.

Таким образом, события СКЛ, сопровождаемые РИ2, – более мощные, с более жестким спектром, связаны с более сильными вспышками, расположенными на оптимальных гелиодолготах. Они сопровождаются более быстрыми КВМ, направленными в сторону Земли. Можно добавить, что эти события отождествляются с наибольшей достоверностью, так как они принадлежат к числу наиболее ярких событий. В то же время события без РИ2, составляющие ~40% от всех событий СКЛ, включенных в обработку, тоже нередко имеют мощные источники, расположенные в оптимальном для земного наблюдателя интервале.

4. ОСОБЕННОСТИ СОБЫТИЙ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ II ТИПА, СОПРОВОЖДАЮЩИХ И НЕ СОПРОВОЖДАЮЩИХ СКЛ

Обращает на себя внимание тот факт, что событий СКЛ, связанных с РИ2, большинство, тогда как среди РИ2 преобладают события, не связанные с СКЛ. Отчасти это объясняется тем фактом, что до земного наблюдателя доходят только те СКЛ, для которых были благоприятные условия распространения (западная долгота соединения с источником), и это ограничение не действует на РИ2. Действительно, гелиодолготное распределение источников РИ2, представленное на рис. 6, обнаруживает дефицит источников РИ2 с СКЛ в восточном полушарии Солнца, тогда как источники РИ2 без СКЛ имеют практически симметричное гелиодолготное распределение с максимумом в районе центрального меридиана. При этом событий РИ2 без СКЛ в западном полушарии почти в полтора раза больше, чем событий РИ2 с СКЛ, т.е. большое число событий с РИ2, происходящее на благоприятной долготе, не генерирует СКЛ.

Рис. 6.

Гелиодолготное распределение вспышек-источников РИ2. Черная гистограмма относится к событиям РИ2, сопровождающим СКЛ. Серая гистограмма – события РИ2 без СКЛ.

Рисунок 7 показывает, что максимальный вклад в события РИ2 дают вспышки балла М независимо от связи с СКЛ. В процентном отношении доля этих событий – 50% для тех и других РИ2. Однако для РИ2, сопровождающих СКЛ, доля источников класса Х – ~33%, а доля источников класса С – ~10%, тогда как для событий РИ2 без СКЛ соотношение противоположное – ~16% и ~33%. Кроме того, среди событий РИ2 с СКЛ имеются вспышки балла > X10, которых нет среди событий РИ2 без СКЛ.

Рис. 7.

Распределение источников РИ2 по мощности рентгеновских вспышек. Обозначения – как на рис. 6.

События РИ2, в которых были генерированы СКЛ, сопровождаются более быстрыми КВМ, чем события РИ2 без СКЛ (рис. 8а). В распределениях РИ2 по углу раствора КВМ видно, что относительная доля событий типа гало больше для РИ2 с СКЛ (рис. 8б). Из распределений по позиционному углу видно, что для РИ2 с СКЛ относительно больше событий связано с КВМ, идущих в сторону Земли (рис. 8в).

Рис. 8.

Распределение событий РИ2 по характеристикам сопровождающих их КВМ: (а) – по скорости КВМ, (б) – по углу раствора КВМ, (в) – по позиционному углу КВМ. Обозначения – как на рис. 6.

Таким образом, события РИ2, которые сопровождают СКЛ, связаны с более сильными источниками на Солнце, чем РИ2 без СКЛ. Это следует как из мощности рентгеновских источников, так и из характеристик КВМ.

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В отличие от предыдущих работ [Цап и Исаева, 2013; Gopalswamy et al., 2005, 2019а], анализировавших связь радиоизлучения II типа с СКЛ для избранных или наиболее мощных событий, мы рассмотрели однородный ряд событий СКЛ с максимальной интенсивностью J10 ≥ 1.0 см^–2 с^–1 ср^–1 протонов с Е ≥ 10 МэВ за 1997–2017 гг. [Логачёв и др., 2016, 2019]. Сравнение проводилось с событиями РИ2 декаметрового-гектометрового диапазона [URL Type II], которые сопровождались КВМ и имели отождествление с источником на Солнце. В статистический анализ были включены 173 события СКЛ и 372 события с РИ2. События СКЛ, связанные с РИ2, имеют более жесткий энергетический спектр, связаны с более мощными вспышками, находящимися в основном в западном полушарии Солнца. Они сопровождаются более быстрыми КВМ, большей частью типа гало, с направлением в сторону Земли. Эти характеристики согласуются с концепцией “синдрома большой вспышки” [Kahler, 1982], из которого следует, что при большом энерговыделении на Солнце все проявления достигают большой мощности независимо от физических процессов, лежащих в их основе. В этих случаях требуется отдельный анализ каждого индивидуального события, что является предметом нашей дальнейшей работы.

Мы нашли 70 событий СКЛ, которые не сопровождались РИ2, и некоторые их них не сопровождались КВМ. Среди них есть события, связанные с достаточно мощными источниками, расположенными в интервале гелиодолгот преимущественного соединения с земным наблюдателем. По нашему мнению, именно эти события заслуживают дальнейшего изучения.

С другой стороны, более половины событий РИ2, сопровождаемых КВМ, не наблюдались в СКЛ. Среди них были мощные события с источниками на западном полушарии Солнца, но какие-то условия не позволили ускориться или выйти частицам в межпланетную среду.

Возможно, что исследование именно событий СКЛ, не связанных с РИ2, и событий РИ2, не связанных с СКЛ, поможет продвинуть наше понимание явления СКЛ и его связей с условиями на Солнце и в межпланетной среде.