Введение к работе
Аісгуальность проблемы. На долю энергичных солнечных частиц в периоды вспышечной активности Солнца приходятся огромные энерговыделения, сопоставимые со всей энергией солнечного ветра и оказывающие спорадическое, но весьма заметное влияние на всю земную жизнь. Исследования этого влияния должны опираться на хорошо поставленную диагностику Солнца и знание физики солнечно-земных связей.
Потоки энергичных солнечных частиц могут существенно изменить условия радиосвязи на Земле, а также радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве, представляя собой опасность как для систем навигации, телеметрии, научного оборудования, так и для экипажей космических кораблей и станций.
Исследование процессов взаимодействия энергичных солнечных частиц с межпланетными магнитными полями необходимо как для решения многих прикладных задач, так и для понимания фундаментальных свойств космической плазмы.
Вместе с тем известные программы изучения солнечно- земных связей пока не являются достаточно полными именно в корпускулярном аспекте. Систематические, одновременные наблюдения потоков энергичных частиц на различных космических аппаратах (КА) с применением разнообразных приборов всегда важны и дополняют друг друга, а отечественные исследования в этой области отстают от зарубежных и крайне эпизодичны. В этой ситуации любые практически проведенные исследования являются актуальными и значимыми для понимания природы данного явления.
Предметом настоящей работы является динамика энергичных солнечных частиц, регистрируемых в околоземном и межпланетном пространстве с помощью аппаратуры, установленной на КА.
Целью диссертационного исследования является изучение с помощью космической аппаратуры спектрально-временных изменений в околоземном и межпланетном пространстве потоков энергичных заряженных частиц, генерированных во время солнечных вспышек.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-построение программы исследований и физического проекта эксперимента на высокоапогейных КА;
-разработка и изготовление научной аппаратуры (спектрометра протонов) для регистрации потоков энергичных заряженных частиц в интервале энергий от 7 до 300 МэВ;
-создание методики, на основе которой была проведена калибровка полетных приборов, спектрометров 1ОК-80 на пучке протонов, ускоряемых на 240-сантиметровом изохронном циклотроне;
-первичная обработка телеметрической информации и пространственно-временная привязка полученных данных;
-исследование на основе полученного экспериментального материала влияния крупномасштабных возмущений солнечного ветра на перенос энергичных заряженных частиц в межпланетной среде;
-изучение характерных особенностей динамики потоков энергичных заряженных частиц, связанных с выбросами корональной массы.
Научная новизна. Новизна работы состоит в разработке и изготовлении научной аппаратуры для регистрации потоков энергичных заряженных частиц в интервале энергий от 7 до 300 МэВ, а также в разработке методики и калибровке полетных приборов 1 ОК-80 на пучке протонов, ускоряемых на 240-сантиметровом изохронном циклотроне, что, в конечном счете, позволило провести абсолютные измерения потоков частиц в натурном эксперименте. Согласно современным представлениям, события возрастания энергичных солнечных частиц подразделяются на дбэ класса, медленные и импульсные, имеющие различные механизмы генерации. Полученный новый экспериментальный материал позволил определить, к какому из классов отнести события, зарегистрированные на фазе роста 23-го цикла солнечной активности. Впервые на основе данных прямых наблюдений показано, что в присутствии бегущей межпланетной ударной волны первоначально очень жесткий энергетический спектр монотонно смягчается. Указанное явление хорошо согласуется с ранее сделанными в ИКФИА теоретическими предсказаниями. Впервые экспериментально установлено, что инвариантный спектр энергичных солнечных частиц в области магнитного облака наблюдается вплоть до 300 МэВ.
Научная и практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при построении теоретических моделей распространения заряженных частиц в верхней короне Солнца и межпланетной среде. Они способствуют более глубокому пониманию некоторых фундаментальных проблем солнечно- земной физики, а также развитию более надежных методов диагностики и
прогнозирования параметров возрастания энергичных солнечных частиц. Отдельные технические решения созданного спектрометра протонов могут быть использованы при разработке новой аппаратуры для изучения радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве. Диссертация написана по результатам работ автора, выполненных в рамках научных тем отдела физики космической плазмы ИКФИА СО РАН. Работа выполнена по заданию и при финансовой поддержке Российского космического агентства и частично интеграционной программы СО РАН №33.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в составлении программы исследований, разработке аппаратуры, калибровках полетных приборов в Институте ядерных исследований Украины, их испытаниях в ИКФИА СО РАН и ИКИ РАН и предполетной подготовке эксперимента в НПО им. С.А. Лавочкина. Обработка и анализ экспериментального материала, полученного с КА Интербол-2, проводился самостоятельно, а с АМС Венера -13 и -14 — совместно с научным руководителем Е.И. Морозовой.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Разработка спектрометрического аппарата 10К-80 для изучения быстроизменяющихся потоков энергичных заряженных частиц на высокоапогейном КА Интербол-2.
-
Методика и результаты калибровки прибора 10К-80 на пучке протонов, ускоряемых на 240-сантиметровом изохронном циклотроне.
-
Результаты экспериментальных исследований динамики энергичных заряженных частиц, генерированных во время вспышек на Солнце на фазе роста 23-го цикла солнечной активности, по измерениям на КА Интербол-2:
- экспериментально установлено, что в присутствии бегущей
ударной волны, сформированной выбросом корональной массы,
первоначально очень жесткий дифференциальный энергетиче
ский спектр вспышечных частиц монотонно смягчается;
- показано, что в области магнитного облака инвариантный
спектр энергичных солнечных частиц простирается до энергий
300 МэВ.
4) На основе прямых наблюдений с АМС Венера-13 и -14 показано,
что динамика интенсивности энергичных солнечных частиц,
главным образом, определяется соотношением между коэффи
циентами диффузии в невозмущенной и возмущенной областях.
При этом быстрый спад интенсивности энергичных солнечных частиц в возмущенной области может быть обусловлен малой величиной радиального коэффициента диффузии за фронтом межпланетной ударной волны.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались на международных и отечественных конференциях, симпозиумах и семинарах:
Международный семинар "Космофизические аспекты исследования космических лучей" (Алма-Ата, 1980); Всесоюзные совещания секции СПС проблемного Совета Солнце-Земля (Апатиты, 1984), (Дубна, 1986), (Архыз, 1989), Международная конференция по космическим лучам: 19-я (Ла Джола, США, 1985), 20 -я (Москва, 1987), 22-я (Дублин, Ирландия, 1991), 26 ICRC (Солт Лэйк Сити, США, 1999), XI Европейский симпозиум по космическим лучам (Баллатон, Венгрия, 1988), Всесоюзная конференция по космическим лучам (Алма-Ата, 1988), Всесоюзная конференция "Состояния и перспективы разработки и применения сцинтилляционных детекторов" (Харьков, 1986), Международная конференция "Новый цикл активности Солнца" (Пулково, 1998),' Международная конференция "Крупномасштабная структура солнечной активности" (Пулково, 1999), Рабочее совещание "Космические лучи и Земля" (Берн, Швейцария, 1999), Коллоквиум 179 IAU (Кодайканал, Индия, 1999), Международные симпозиумы по проекту "Интербол" (Звенигород, 1999), (Киев, 2000). VII симпозиум по солнечно-земной физике России и стран СНГ (Москва, 1998), научные семинары ИКФИА СО РАН, ИКИ РАН, ФИ РАН.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 16 работах и стали предметом одного изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 112 названий. Общий объем - 131 страница, включая 27 рисунков, 11 таблиц.
