Шаньдунский институт перспективных технологий
Москва, Россия
Москва, Россия
Явления в наружном слое солнечной атмосферы, гелиосфере, включающие сверхзвуковой солнечный ветер, переносимое им гелиосферное магнитное поле (ГМП) и распространяющиеся в гелиосфере космические лучи, важны для многих процессов, происходящих в этом слое. Для некоторых, например геомагнитной активности или распространения космических лучей, важны не только напряженность, но и направление поля. Но если в этом отношении ситуация в периоды низкой пятенной солнечной активности вполне ясна — гелиосфера разделена на два полушария с противоположной полярностью (к Солнцу/от Солнца) — в периоды высокой активности Солнца, когда происходит инверсия ГМП, простой модели этого явления нет. В статье продолжается исследование явления инверсии ГМП и связанных с ним эффектов в интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ). Ранее были сформулированы общие представления о 22-летней цикличности в характеристиках Солнца, гелиосферы и космических лучей и подробно обсуждались наблюдаемые эффекты в интенсивности ГКЛ, связываемые нами с инверсией ГМП. В данной работе рассмотрена модель инверсии ГМП, связанной лишь с эволюцией магнитного поля в слое между фотосферой и основанием гелиосферы из-за изменения распределения фотосферных полей от оборота к обороту Солнца, и показано, что этого недостаточно для объяснения основных эффектов в интенсивности ГКЛ. В указанном слое магнитное поле является основным энергетическим фактором. Более полная модель инверсии ГМП, включающая преобразование его характеристик из-за взаимодействия разноскоростных потоков солнечного ветра в самой гелиосфере, где солнечный ветер является основным энергетическим фактором, будет обсуждаться в следующей статье.
гелиосфера, гелиосферные магнитные поля (ГМП), инверсия ГМП, галактические космические лучи (ГКЛ), модуляция ГКЛ, долговременные вариации интенсивности ГКЛ, ГКЛ в периоды инверсии ГМП
1. Калинин М.С., Крайнев М.Б. Двумерное транспортное уравнение для галактических космических лучей как следствие редукции трехмерного уравнения. Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 4. С. 463–469. DOI: 10.7868/ S0016794014040051.
2. Крайнев М.Б. Проявления в гелиосфере и в интенсивности ГКЛ двух ветвей солнечной активности. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 4. С. 12–25. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-54201902.
3. Крайнев М.Б., Калинин М.С., Базилевская Г.A. и др. О проявлении коротирующих областей взаимодействия солнечного ветра в вариациях интенсивности ГКЛ. Солнечно-земная физика. 2023а. Т. 9, № 1. С. 10–21. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-91202302.
4. Крайнев М.Б., Базилевская Г.A., Калинин М.С. и др. Пятьдесят лет исследования поведения интенсивности ГКЛ в периоды инверсии гелиосферного магнитного поля. I. Наблюдаемые эффекты. Солнечно-земная физика. 2023б. Т. 9, № 4. С. 5–20. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-94202301.
5. Крымский Г.Ф. Диффузионный механизм суточной вариации космических лучей. Геомагнетизм и аэрономия. 1964. Т. 4. С. 763–769.
6. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A., et al. (PAMELA collaboration). Time dependence of the proton flux measured by PAMELA during the 2006 July–2009 December solar minimum. Astrophys. J. 2013. Vol. 765. P. 91. DOI: 10.1088/ 0004-637X/765/2/91.
7. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A., et al. (PAMELA collaboration). Unexpected cyclic behavior in cosmic-ray protons observed by PAMELA at 1 au. Astrophys. J. Lett. 2018. Vol. 852. P. L28. DOI:https://doi.org/10.3847/2041-8213/aaa403.
8. Aguilar M., et al. (AMS collaboration). Observation of complex time structures in the cosmic-ray electron and positron fluxes with the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station. Phys. Rev. Lett. 2018. Vol. 121. 051102. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.051102.
9. Aguilar M., et al. (AMS collaboration). Periodicities in the daily proton fluxes from 2011 to 2019 measured by the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station from 1 to 100 GV. Phys. Rev. Lett. 2021. Vol. 127. 271102. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.271102.
10. Altschuler M.D., Newkirk G. Jr. Magnetic fields and the structure of the solar corona. I. Methods of calculating coronal fields. Solar Phys. 1969. Vol. 9. P. 131–149. DOI: 10.1007/ BF00145734.
11. Aslam O.P.M., Luo Xi, Potgieter M.S., Ngobeni M.D. Song Xiaojian. Unfolding drift effects for cosmic rays over the period of the Sun’s magnetic field reversal. Astrophys. J. 2023. Vol. 947, iss. 2. Id. 72. 17 p. DOI:https://doi.org/10.3847/1538-4357/ acc24a.
12. Boschini M.J., Della Torre S., Gervasi M., et al. Propagation of cosmic rays in heliosphere: The HELMOD model. Adv. Space Res. 2018. Vol. 62, iss. 10. P. 2859–2879. DOI: 10.1016/ j.asr.2017.04.017.
13. Burger R.A., Moraal H., Webb G.M. Drift theory of charged particles in electric and magnetic fields. Astrophys. Space Sci. 1985. Vol. 116, iss. 107.
14. Charbonneau P. Dynamo models of the solar cycle. Living Rev. Solar Phys. 2010. Vol. 7. Article number 3. P. 3.
15. Gnevyshev M.N. On the 11-year cycle of solar activity. Solar Phys. 1967. Vol. 1. P. 107–120. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00150306.
16. Guo X., Florinski V. Corotating interaction regions and the 27 day variation of galactic cosmic rays intensity at 1 AU during the cycle 23/24 solar minimum. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. Vol. 119, iss. 14. P. 2411–2429. DOI: 10.1002/ 2013JA019546.
17. Guo X., Florinski V. Galactic cosmic-ray intensity modula-tion by corotating interaction region stream interfaces at 1 AU. Astrophys. J. 2016. Vol. 826:65, no. 1. DOI:https://doi.org/10.3847/0004-637X/826/1/65.
18. Jokipii J.R., Levy E.H., Hubbard W.B. Effects of particle drift on cosmic-ray transport. I. General properties, application to solar modulation. Astrophys. J. 1977. Vol. 213. P. 861–868. DOI:https://doi.org/10.1086/155218.
19. Jokipii J.R., Thomas B. Effect of drift on the transport of cosmic rays. IV. Modulation by a wavy interplanetary current sheet. Astrophys. J. 1981. Vol. 243. P. 1115–1122. DOI: 10.1086/ 158675.
20. Kalinin M.S., Krainev M.B., Gvozdevsky B.B., et al. On the transition from 3D to 2D transport equations for a study of long-term cosmic-ray intensity variations in the heliosphere PoS ICRC2021. 2021. 1323. DOI:https://doi.org/10.22323/1.395.1323.
21. Kopp A., Raath J.L., Fichtner H., et al. Cosmic-ray transport in heliospheric magnetic structures. III. Implications of solar magnetograms for the drifts of cosmic rays. Astrophys. J. 2021. Vol. 922:124. DOI:https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac23e0.
22. Krainev M.B., Kalinin M.S. The models of the infinitely thin global heliospheric current sheet. Proc. 12th International Solar Wind Conference, Saint-Malo, AIP Conference Proc. 2010. Vol. 1216. P. 371–374.
23. Krainev M.B., Kalinin M.S. On the GCR intensity and the inversion of the heliospheric magnetic field during the periods of the high solar activity. Proc. 33rd International Cosmic Ray Conference. 2014. icrc2013-0317/1-4, ArXiv:1411.7532 [astro-ph.SR].
24. Krainev M.B., Bazilevskaya G.A., Kalinin M.S., et al. GCR intensity during the sunspot maximum phase and the inversion of the heliospheric magnetic field. PoS(ICRC2015)081 [arXiv: astro-ph.SR 1509.00613]. 2015.
25. Krainev M., Kalinin M., Aslam O.P.M., et al. On the dependence of maximum GCR intensity on heliospheric factors for the last five sunspot minima. Adv. Space Res. 2021. Vol. 68, iss. 7. P. 2953–2962. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.05.021.
26. Luo X., Zhang M., Feng X., et al. A numerical study of the effects of corotating interaction regions on cosmic-ray transport. Astrophys. J. 2020. Vol. 899:90, no. 2. DOI:https://doi.org/10.3847/1538-4357/aba7b5.
27. Odstrcil D. Modeling 3-D solar wind structure. Adv. Space Res. 2003. Vol. 32, iss. 4. P. 497–506. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(03)00332-6.
28. Parker E.N. Cosmic ray modulation by solar wind. Phys. Rev. 1958. Vol. 110. P. 1445. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRev.110.1445.
29. Parker E.N. The passage of energetic charged particles through interplanetary space. Planetary and Space Sciences. 1965. Vol. 13. P. 9–49. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(65)90131-5.
30. Potgieter M.S. Solar modulation of cosmic rays. Living Revs. Solar Phys. 2013. Vol. 10. P. 3. DOI:https://doi.org/10.12942/lrsp-2013-3.
31. Rosenberg R.L., Coleman P. Heliographic latitude dependence of the dominant polarity of the interplanetary magnetic field. J. Geophys. Res. 1969. Vol. 74, iss. 24. P. 5611. DOI:https://doi.org/10.1029/JA074i024p05611.
32. Schatten K.H. Current sheet magnetic model for the solar corona. Cosmic Electrodymanics. 1971. Vol. 2. P. 232.
33. Schatten K.H., Wilcox J.M., Ness F.N. A model of interplanetary and coronal magnetic fields. Solar Phys. 1969. Vol. 6. P. 442–455.
34. Schove D.J. Sunspot cycles, Hutchinson Ross. Publ., Stroudburg, PA, USA. 1983.
35. Sheeley N.R., Jr. Polar faculae during the interval 1906–1975. J. Geophys. Res. 1976. Vol. 81. P. 3462. DOI: 10.1029/ JA081i019p03462.
36. Sheeley N.R., Jr. A century of polar faculae variations. Astrophys. J. 2008. Vol. 680. P. 1553–1559. DOI:https://doi.org/10.1086/588251.
37. Shulz M. Interplanetary sector structure and the heliomagnetic equator. Astrophys. Space Sci. 1973. Vol. 24. P. 371. DOI:https://doi.org/10.1007/BF02637162.
38. Smith E.J. Solar cycle evolution of the heliospheric magnetic field: The Ulysses legacy. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. Vol. 73, iss. 2-3. P. 277–289. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.03.019.
39. Storini M., Bazilevskaya G.A., Fluckiger E.O., et al. The Gnevyshev gap: A review for space weather. Adv. Space Res. 2003. Vol. 31, no. 4. P. 895–900. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00789-5.
40. Stozhkov Yu.I., Okhlopkov V., Makhmutov V., Logachev V. Solar activity, cosmic rays, and global climate changes. Proc. 33rd International Cosmic Ray Conference. 2013. P. 1607.
41. Tóth G., van der Holst B., Sokolov I.V., et al. Adaptive numerical algorithms in space weather modeling. J. Computational Physics. 2012. Vol. 231, iss. 3. P. 870903. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jcp.2011.02.006.
42. Vos E.E., Potgieter M.S. New modeling of galactic proton modulation during the minimum of solar cycle 23/24. Astrophys. J. 2015. 815:119. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/815/2/119.
43. Wiengarten T., Kleimann J., Fichtner H., et al. Cosmic ray transport in heliospheric magnetic structures. I. Modeling back-ground solar wind using the CRONOS magnetohydrodynamic code. Astrophys. J. 2014. Vol. 788:80. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/788/1/80.
44. Zhao X., Hoeksema J.T. A coronal magnetic field model with horizontal volume and sheet currents. Solar Phys. 1994. Vol. 151, iss. 1. P. 91–105. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00654084.
45. URL: http://wso.stanford.edu (дата обращения 7 июля 2024 г.).
46. URL: http://gong.nso.edu/ (дата обращения 7 июля 2024 г.).
47. URL: http://solarstation.ru/sun-service (дата обращения 7 июля 2024 г.).
48. URL: https://www.gaoran.ru/database/esai (дата обращения 7 июля 2024 г.).
49. URL: https://solarscience.msfc.nasa.gov (дата обращения 26 марта 2024 г.).
50. URL: ftp://ftp.swpc.noaa.gov/pub/forecasts/SRS/ (дата обращения 7 июля 2024 г.).
