Как Солнце защищает Землю от галактических космических лучей

Ученые Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) в содружестве с российскими и итальянским учеными показали, как меняется интенсивность галактических космических лучей при корональных выбросах на Солнце и почему это происходит.
Как Солнце защищает Землю от галактических космических лучей
Корональный выброс массы. Википедия

Солнце не только источник энергии для Земли, но и ее защитник

Самый опасный для космонавтов и космической техники тип космической радиации — это галактические космические лучи, то есть ионы высоких энергий, которые попадают в Солнечную систему из межзвездного пространства.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Солнечный ветер – потоки плазмы, которые постоянно испускает Солнце, – препятствуют проникновению космических частиц в гелиосферу, и интенсивность галактических космических лучей, достигающих Земли, меняется в зависимости от фазы 11-летнего цикла солнечной активности — в минимуме цикла галактических частиц больше, а в максимуме — меньше. Помимо этого, Солнце иногда способно значительно снижать радиационную угрозу на короткие промежутки времени.

В 1937 году американский физик Скотт Форбуш обнаружил, что интенсивность галактических космических лучей, достигающих Земли, может падать на 3-20% в течение минут или часов, а затем восстанавливаться в течение часов или дней. Это явление, которое назвали Форбуш-эффектом или Форбуш-понижением интенсивности космических лучей, привлекает интерес ученых в течение многих десятилетий.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Результаты исследования, опубликованные в журнале Solar Physics, получены с помощью данных космического спектрометра PAMELA, работавшего с 2006 по 2016 года на российском спутнике «Ресурс-ДК1».

Космические лучи и их воздействие на Землю

Форбуш-понижения, впервые зарегистрированные в космическом пространстве, изучали российские ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН в содружестве с итальянским учеными.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Дело в том, что наземные установки не видят космические частицы высоких энергий непосредственно, а фиксируют только потоки вторичных частиц, которые образуются при их «вторжении» в атмосферу Земли. Такие установки не различают типы космических частиц и способны только косвенно измерять их энергию. Улучшить ситуацию могли только наблюдения в космосе, и именно для этого был создан прибор PAMELA, который был способен регистрировать потоки протонов, электронов, позитронов и ионов в диапазоне энергий от 100 МэВ до нескольких сотен ГэВ.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«В этой работе удалось выделить два типа Форбуш-понижений. Оказалось, что для первой группы амплитуда понижения и время восстановления интенсивности галактических частиц существенно больше, чем у второй группы. Далее выяснилось, что Форбуш-понижения первой группы связаны с корональным выбросами, начальная скорость которых вблизи Солнца выше 1000 км/c. То есть более быстрые выбросы формируют более сильные Форбуш-понижения», — говорит один из авторов исследования, профессор Галина Базилевская, главный научный сотрудник Лаборатории физики Солнца и космических лучей им. академика С.Н. Вернова ФИАН.

Вспышки и другие проявления активности на Солнце могут приводить к выбросам вещества (ученые называют их корональными выбросами массы), то есть облаков заряженных частиц с «вмороженным» в них магнитным полем. Когда эти выбросы достигают околоземного пространства, они могут временно блокировать поток галактических частиц, вызывая тем самым Форбуш-понижения. По параметрам Форбуш-понижений можно таким образом получить информацию о процессах, происходящих при выбросе корональной массы на Солнце.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Авторы исследования выбрали для анализа наиболее мощные солнечные взрывы: выбросы типа гало, когда плазма выбрасывается почти во все стороны. При этом они исследовали период с 2011 по 2013 годы во время максимума солнечной активности, а для анализа использовали данные с PAMELA за период с 15 июня 2006 года по январь 2016 года.

Всплеск атмосферного давления во время извержения вулкана
ФИАН
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Ученые рассчитали время восстановления потока протонов после Форбуш-понижения для семи интервалов энергии частиц. Оказалось, что явления можно разделить на две группы: тип I и тип II. Форбуш-понижения типа I имели значительную зависимость времени восстановления интенсивности галактических лучей от энергии частиц. Их амплитуда составляла более 20% от среднего потока протонов космических лучей в диапазоне от 1,1 до 2,9 ГэВ. Форбуш-понижения II типа не имели четкой зависимости времени восстановления от энергии частиц и имели меньшие амплитуды, менее 20%.

Ученые рассмотрели два возможных объяснения наличия зависимости времени восстановления от энергии частиц в первом случае и ее отсутствия во втором. По их мнению, частицы высоких энергий меньше подвержены воздействию ударной волны от коронального выброса, чем частицы низких энергий, что сокращает продолжительность фазы восстановления.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Авторы исследования полагают, что выбрасываемое вещество корональных выбросов должно по-разному взаимодействовать с космическими лучами, сильнее воздействуя на частицы с более низкой энергией.

В дальнейшем это открытие может найти практическое применение для предсказания эффективности геомагнитных возмущений, хотя для окончательных выводов необходимо набирать статистику событий, чтобы яснее понять физические процессы.

Источник: пресс-релиз ФИАН