Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное и модельное изучение особенностей форбуш-эффектов космических лучей

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное и модельное изучение особенностей форбуш-эффектов космических лучей"

Академия наук Грузии .• . Институт Геофизики им. М. Нодзяа

С. ПРАВОМ РУКОПИСИ

Занишвили Георгий Караманович.

Экспериментальное и модельное изучение особенностей форбуш-эффектов космических лучей

специальность 04.00.23

физика атмосферы и гидросферы

диссертации за соискание ученой степени кандидата физико-математических "йаух

Тбилиси - 1997

Работа выполнена в отделе космических лучей Института Геофизики им. М. Нодия АН Грузии.

Научный руководитель Эксперт

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор М. Аланиа

доктор физико-математических наук, профессор 3. Хведелидзе

доктор физико- математических наук, профессор А. Хантадзе

Ведущая организация

кандидат физико-математических наук, доцент Н. Хазарадзе Ионосферная Обсерватория, ТГУ

Защита диссертации состоится

ЪО '0 к . </(/

На заседании диссертационного совета при институте

доктор физико- математических

наук,

Геофизики АН Грузии

380093, Тбилиси, ул М. Алексидзе 3.

Ъ о

Автореферат разослан "-" "-—"1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико- математических наук Э. Джибладзе

Общая характеристика работы

г>

Актуальность темы. Всестороннее изучение форбуш-эффектов галактических космических лучей длится вот уже более полвека. Такой повышенный интерес обусловлен прежде всего тем, что форбуш-эффекты космических лучей связаны с грандиозными явлениями, происходящими на Солнце, в частности, с хромосферными вспышками, которые вызывают сильные электромагнитные возмущения солнечного ветра, в межпланетном пространстве. Подобные возмущения солнечного ветра, распространяясь с колосальной скоростью (1000км/сек и более), проходят . 'через Магнитосферу и Атмосферу Земли, вызывая геофизические, биофизические, а также технологические эффекты. Магнитные облака и ударные волны, которые возникают в межпланетном пространстве в результате хромосферных вспышек, на Солнце, отличаются друг от друга как своей геометрией так и внутренней* структурой. Естественно, вызванные ими форбуш-эффекты, имеют различный характер. При изучении форбуш-эффекты, космических лучей, основной задачей является установление изменения изотропной интенсивности и энергетического спектра во времени .

Форбуш-эффекты космических лучей, в основном, обусловлены фазами уменьшения и восстановления интенсивности. В момент падения интенсивности космических лучей основную роль играет конвекция, вызванная высокоскоростным корпускулярным потоком солнечного ветра, а также отражением ., относительно низкоэнергичных космических лучей у стенок полости магнитных облаков и ударных волн. Поэтому, в фазе уменьшения изотропной интенсивности энергетический спектр вариаций космических лучей в основном должен, быть мягким. Начиная от минимума интенсивности космических лучей, в течении всего периода восстановления интенсивности, когда в определенном приближении справедлива диффузионно-конвекционная модель распросранения космических лучей, изменение энергетического спектра вариаций космических лучей во времени, до/окна совпадать с характером изменения диффузии космических лучей в той области ме жпланетного пространства, где наблюдается форбуш-зффект. Таким образом, оно должно показать изменение структурной неоднородности межпланетного

магнитного поля которое с одной стороны связано с распространением магнитного облака и ударной волны в Солнечной® Ветре, а другой - их: взаимодействием с фоновым потоком Солнечного Ветра. Поэтому ясно, что при изучении форбуш-эффектов основную' роль играют две задачи 1) установле-

ние особенностей вариаций интенсивности космических лучей во время форбуш-эффектов и 2) изучение электро-мапштнных свойств той области межпланетного пространства, где наблюдается форбуш-эффехт с помощью самих данных космических лучей.

Несмотря на то, что исследование форбуш-зффектов насчитывает полвековую историю, до сегодняшнего дня не установлено, который из параметров, характеризующие вариации космических лучей (скорость падения интенсивности, анизотропия, энергетический спектр и т.д.) наиболее полно описывают процессы, которые имеют место в высокоскоростных корпускулярных потоках солнечного ветра, в частности в ударной волне и магнитном облаке, вызванных этим потоком в мажпланепюм пространстве.

Недавние исследования показали, что существует тесная взаимосвязь между изменеиим во времени показателея энергетического спектра вариаций космических лучей и диффузионным процессом, протекающем -в межпланетном пространстве. Эта взаимосвязь дает возможность опираясь на изменение во времени показателя энергетического спектра форбуш-эффектов космических лучей, реконструировать структуру флюктуации крупномасштабного магнитного поля, которое испытывает динамическое изменение в период протекания, форбуш-эффекта.

Научная мель.,..Целью данной работы является: 3. Установление изменения во времени энергетического спектра форбуш-эффектов на основе данных Тбилисского космофизического комплекса и сети станции мировых мониторов.

2. Изучение характера изменения во времени энергетического спектра вариаций космических лучей во время протекания форбуш-эффектов.

3. Математического моделирования форбуш-эффектов в случае трехмерного пространства, а также изучение диффузионно-конвекционного распространения космических лучей на основе дифференциального уравнения.

Научная .иовтт. 1. На основе анализа экспериментальных •данных Тбилисского космофизического комплекса и сети станции мировых мониторов установлено, что энергетический спектр форбуш-эффектов космических лучей 24-28 марта 1991 года -жесткий, преимущественно для частиц с энергией более 20-25 Гэв.

2. Изменение во времени энергетического спектра форбуш-эффектов космических лучен зависит от его первичной энергии.

3. Стационарное;, диффузионно-конвекционное приближение для форбуш-эффектов космических лучей, особенно в востанигельнон стадии его ■ развития, удовлетворительно описывает, изменение во времени энергетического спектра космических лучей.

Практическая.....цсшшсть ..работы-Информация о магнитных

облаках и ударных волнах, полученная в результате исследования» форбуш-эффектов космических лучей, дает возможность диагностирования изменений параметров Солнечного Ветра и характера взаимодействия самого Солнечного Ветра и Магнитосферы Земли.

Данная диссертационная работа выполнена в отделе космических лучей Института Геофизики им. академика М.Нодия на основе анализа экспериментальных данных Тбилисского космофизического комплекса и мировой сети станций нейтронных мониторов« Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, выводов и литературы.

Во введении поставлена задача, сформулирована его актуальность, цель работы, научная новизна и практическая ценность.

Впервой главе дается краткий обзор электромагнитных параметров Гелиосферы распространения во времени и в пространстве. Приведен анализ полученной информащд! от межпланетных станций в околоземном и дальнем космическом пространстве. Рассмотрена Паркеровская модель распределения изменений скорости Солнечного Ветра и межпланетного магнитного поля, который, как показывают наблюдения, достаточно хорошо описывается выше указанной моделью. Особое место отводится миссии "Ulysses", • которая дала 'возможность представления трехмерной структуры ' Гелиосферы непосредственными измерениями. В частности, если до запуска " : Ulysses" считалось, что мощность спектральной плотности флюктуации напряженности межпланетного магнитного поля играло существенную роль в пространстве вблизи экватора, данные "Ulysses" доказали противоположное: в областях вблизи экватора мощность спектральной плотности флюктуации напряженности межпланентного магнитного поля оказалось "очень сильным. Последнее очень важно с точки зрения модуляции космических лучей.

Приведено уравмспис, описывающее диффузию космических лучей, и рассмотрено пространственное рспределение тензора диффузии космических лучей и его роль в анизотропном распространении космических лучей, связанный с эволюцей магнитных облаков удорных волн.

Во второй главе излагаются реультаты изучения форбуш-эффектов галактических космических лучей, на основе на основе анализа эзфгериментальных данных Тбилисского космофизического комплекса и мировой сети нейтронных мониторов. Освещен

спектрографический метод изучения вариаций галактических космических лучей.

Выявление статистических связей космических лучей с различными геофизическими и асрофизическими явлениями само собой не является, достаточным для установления природы , вариаций и их происхождения. Раскрытие природы вариаций становится возможным прежде всего благодаря применению специальных методов, которые дают возможность осуществления перехода от вариаций различных вторичных компонент к вариациям первичного потока. Среди специальных методов изучения природы вариаций космических лучей определенным . преимуществом обладает спектрографический. метод. Особенно в случеу таких станций, которые расположены на средних и низких широтах. К числу таких станций относится Тбилисская Станция Космических лучей. Тут же следует отметить отрицательные стороны спектрографического метода, среди которых самым главным является критерий подбора данных космических лучей. Необходимо, чтобы амплитуда ииследуемой вариации значительно превышала среднеквадратичное отклонение ■ наблюдения. Практически это означает, что пользование этим методом возможно лишь б случае форбуш-эффектов, т.е. когда амплитуда исследуемой вариации превышает 2-3 процента.

К сожалению, из-за того что не функционировали все планируемые уровни . подземной лаборатории Тбилисского космофизического комплекса, не были полностью реализованы потенциальные возможности применения спектрографического. метода в условиях данного комплекса. Из-за этого применение данного-, .метода для форбуш-эффектов стало возможным только для случая регистрации только трех компонент вторичных компонент космических лучей.

24 марта 1991г. 0342 по Всемирному Времени мировая сеть магнитометров зафиксировал Геомагнитную бурю с внезапным началом.

Геомагнитное поле, которое имело незначительное возмущение

24 марта 1991 г. до 0342 по Всемирному Времени, после появления межпланетной ударной волны, стало возмущаться. Низкоширотный магнитометр магнитной обсерватории Какиока, в Японии зафиксировал рекордное высокое показание магнитного импульса. Во время форбуш-эффекта космических лучей 24-28 марта 1991 года в Тбилисском космо-физическом комплексе функционировал нейтронный супермонитор НМ-64 и мю-мезонный скрещенный наземный монитор-телескоп МТ-12. Это дало нам возможность приступить к исследованию форбуш-эффекта космических лучей, после

предварительного исключения температурньрс вариаций мю-

о

2У

мезонной компоне1ггы космических лучей теоретическими методами, опираясь на данные аэрологического „

зондирования атмосферы. Система алгебрических уравнений для трех компонент втричного космического излучения, после введения температурных поправок, содержит в качестве неизвестных величин геомагнитную вариацию или изменение порога геомагнитного обрезания мощность а и показатель степени у энергетического спектра первичных космических лучей. Она имеет вид:

/ лг(А)} = ащя)<т - да,. (1)

где ¡=1,2,3. -вариация интенсиности ¡-той компоненты

космических лучей в окрестности с порогом геомагнитного обрезания К„ W-кoэффициeнт связи.. Эта система нелинейных уравнений. Она решается она методом подбора показателя степени •у энергетического спектра космических лучей, с шагом подбора Ь=0.001. В результате подбора методом минимизации, было получено изменение во времени показателя степени у энергетического спектра первичных космических лучей. Оно оказалась Очень жестким (7=0.162) в момент минимума форбуш-эффекта, что происходит очень редко. Очень жесткий энергетический спектр во время форбуш-эффекта должен быть связан с особенностями распределения магнитных неоднородностей солнечного ветра во внутренней полости межпланетной ударной волны, вызывающей форбуш-эффект. В частности, наблюдается' избыток неоднородностей магнитного поля сравнительно боьших масштабов в потоке высокоскоростного солнечного ветра, по сравнению с фоновыми условиями, существующими до вспышки. Исследование •того-же форбуш-эффекта 24-28 марта 1991г. было выполнено на основе анализа данных нейтронных супермониторов мировой сети. При этом решались три следующие задачи. Первое, - установление характектера изменения во времени энергетического спектра " форбуш-эффекта 24-28 марта 1991г. на основе анализа данных всех станций нейтронных супермониторов мировой сети. Второе, -установление характектера изменения во времени энергетического спектра форбуш-эффекта 24-28 марта 1991г. на основе аналиа данных станций нейтронных супермониторов мировой сети в диапазоне энергий 0-7 Гв. Третее, установление характектера изменения во времени энергетического спесктра форбуш-эффекта 24-28 марта 1991г. на основе аналиа данных станций нейтронных супермониторов мировой сети только п диапазоне энергий свыше 7 Гв. Вычисление энергетического спектра форбуш-эффекта космических лучей было выполнено по следующей формуле:

ад [ о ,л>лтв1

где 11-магнитная жесткость частиц космических лучей, верхний предел значений магнитной жесткости частиц космических лучей, выше которого не имеем модуляцию космических лучей. А- мощность энёргетического спектра вариаций изотропной интенсивности космических лучей. Параметр А для всех станций, в принципе, должен быть одинаковым, поэтому, для вычисления показателя степени у, был применен метод минимизации значений А. Как в перв(?м так и во втором случае энергетический спектр форбуш-эффектов космических лучей в фазе пониженияи минимума интенсивности является вначале жестким, а затем смягчается.

В третьем случае энергетический спектр форбуш-эффектов космических лучей является очень жестким 7=0.2 и находится в хорошей корреляции с данными Тбилисского космо-физического комплекса.

Интерпретация полученных выше результатов изменения по времвни энергетического спектр^, вариаций изотропной интенсивности космических лучей возможна на основании модели предложенной в последние годы (Алания), согласно которой находатся в строгой взаимосвязи показатель у дифференциального энергетического спектра первичной вариации изотропной интенсивности космических лучей

бОСКуОСЯ^А'К"'. (2)

и индекс V мощности Р спектральной плотности широко-масштабных флюктуации Напряженности магнитного поля потоков солнечного ветра в межпланетном пространств Р сс/~у, а именно у « 2-у.

Естественно, что для того периода форбуш-эффекта, во время течения которого применимо диффузионно-конвекционное приближение, выше указазанная связь должна быть справедливой. В частности, она составляет следующие значения для раличных частот, а именно: У1=1.5, при /1 Гц, у2=0.5, при. /г^Ю"6 Гц ,и у3=0, при /з<10"7Гц.

Очевидно, что в таком случае у зависит зависит от энергии и его значение может достигнуть до значения 2-х, для высоких энергий. Для 11-летних вариации это хорошо показано. Согласно выше указанной модели у сс 2-у.

В результате солнечной вспышки, которое имело место 23 марта, к энергии а фонового потока солнечного ветра в межпланетном пространстве добавилась энергия высокоскоростного потока солнечного ветра, распространенеие которого

произошло в виде межпланетной ударной волны^в межпланетном пространстве.

Непосредственные (ш зИп), непрерывные измерения вблизи орбиты Земли к тому времени отсутствуют. Поэтому мы можем произвести реконструкцию существующего распределения широко-масштабных флюктуаций напряженности магнитного поля потоков солнечного ветра в межпланетном пространстве вблизи орбиты Земли во время форбуш-эффекта, опираясь на изменение энергетического спектра форбуш-эффекта во времени. В это время, в пределах частот /=10_6-10"5 Гц, соответствующий ей индекс V должен быть постоянным и составлять у= 1.5-1.8 и такая ситуация должна продолжаться в течении 4-5 дней протекания форбуш-эффекта, о чем и свидетельствуют данные космических лучей.

Переход от мягкого спектра к жесткому должен быть связан с возникновением новых крупномасштабных неоднородностей в результате взаимодействия в межпланетном пространстве ударной волны и фонового солнечного ветра. Эти крупномасштабные неоднородности вызывают усиление флюктуаций напряженности межпланетного магнитного поля в диапазоне частот /=10"7-10"5 Гц, за которым следует увеличение индекса V, что в свою очередь вызывет уменьшение показателя у.

Естественно, ставится задача, о выяснении

существования и при форбуш-эффекте космических лучей

зависимости показателя степени у дифференциального

энергетического спектра вариаций изотропной интенсивности

первичных космических лучей от изменения энергии, как это уже

было показано при 11-летних вариациях интенсивности

космических лучей. С Целью решения поставленной задачи, было

изучено' несколько форбуш-эффектов. И в диссертации нами

рассматривается детально форбуш-эффект 11-25 марта 1989г. На

основании анализа рассмотренного форбуш-эффекта можно

убедительно сказать, .что такая зависимость существует и согласно

рис 36 и рис. Зг эта зависимость является крайне очевидным,

_ _ о

осовенно после 25 марта, когда в диапазоне высоких энергий у=Ю.1-

0.15 , а в диапазоне сравнительно низких энергий ^»0.6-0.7.

13 марта 1989 г. в 0930 по Всемирному Времени наземная сеть станций космических лучей зафиксировал форбуш-эффект грандиозного масштаба. По величине амплитуды (27.25%) занимает второе место, после форбуш-эффекта августа 1972 г. Его начало совпало, по времени, с прибытием до Земли межпланетной ударной волны.

Минимум интенсивности космических лучей наблюдался на различных станциях в разное время, что было связано с множеством вспышек на Солнце, имеющем место 9-10 марта.

По даным хорошо и стабильно работабщих нейтронных мониторов из числа мировой сети станций космических лучей, и согласно веше приведенным рассчетным формулам, был найден дифференциальный энергетический спектр вариаций изотропной интенсивности первичных космических лучей во время указанного форбуш-эффекта космических лучей. Всесторонний анализ полученных резултатов свидетельствует о том, что в течение периода времени, соответствующей фазы понижения рассматриваемого форбуш-эффекта космических лучей, 13-14 марта 1989 г. энергетический спектр является сравнительно мягким, чем в последующем периоде времени, фазы восстановления интенсивности космческих лучей, 15-24 марта 1989 г. Рассмотренный случай является блестящим образцом форбуш-эффектов такого рода, во время которых под преобладающим влиянием процессов конвекции над диффузией частиц космчесхих лучей в межпланетном пространстве, во внутренней Гелкосфере, интенсивно происходит процесс выметания частиц низких энергий и одновременно, из-за отражательных свойств поверхности ударной волны или магнитного облака, затруднено, проникновение главным образом - для частиц низких энергий, во внутреннюю полость ударной волны или магнитного облака. В обоих случаях, • энергетический спектр интенсивности космческих лучей должен быть сравнительно мягким, что и подтверждается полученными нами результатами. °

15-24 марта 1989 г дифференциальный энергетический спектр вариаций изотропной интенсивности первичных космических лучей является сравнительно жестким, что указывает на то, что под совместным влианием ударной. волны и фонового потока солнечного ветра возникла такая структура флюктуаций напряженности межпланетного магнитного поля, при которой величина индекса v, который характеризует мощность спектральной плотности флюктуаций напреженности межпланетного магнитного поля, должна быть равна величине v=l.5, в диапазоне частот, до/=10"6Гц.

° Изменение энергетического спектра форбуш-эффекта с течением времени, найденное для случаев низких и высоких энергий показывает, что показатель степени у дифференциального энергетического спектра вариаций изотропной интенсивности первичных космических лучей зависит от энергии, что особенно очевидно для периода 13-15 марта 1989г.

В третьей главе диссертации изложены результаты математического моделирования форбуш-эффектов космических лучей.

Как свидетельствуют наблюдения, проводимые с борта космического корабля ULYSSES, злектро-магнитные Процессы

происходящие в межпланетном пространстве, носят трехмерный характер, и поэтому теоретическая модель распространения частиц, космических лучей в Гелиосфере, должна бьггь представлена для трехмерного пространства.

Форбуш-эффекты космических лучей, как это показано во второй главе диссертации, характеризуются особыми свойствами. Прежде всего, надо учесть профиль отражающий изменение интенсивности' космических лучей с течением времени. В частности, процесс понижения интенсивности надо считать нестационарным, а процесс восстановления в основном можно считать стационарным. Хотя, для для форбуш-эффектов с профилем невнезапного или постепенного понижения интенсивности, процессы, как понижения интенсивности, так и восстановление, можно рассматривать, как стационарные. Временной профиль изменения интенсивности космических лучей можно совместить с азимутальным профилем изменения интенсивности, в Гелиоцентрической системе координат, что в явном виде соответствует изменению гелиодоготы расположения Земли относительно Солнца, вызванный вращением Солнца вокруг своей-же оси.

Естественно, что высокоскоростньш поток солнечного ветра, в основном ударная . волна, является основной причиной возникновения форбуш-эффекта и носит трехмерный характер.

Для того чтобы совершить моделирование процессор, которые происходят вблизи орбиты Земли, в пределах расстоянии в 5-6 А.Е., необходимо сперва оценить величину двух интервалов' времени 11 и 12, где 1г=1АбК есть время диффузии, которое необходимо для частиц космических лучей для того, чтобы пролететь расстояние Ь , от границы формирования форбуш-эффекта до места регистрации "на Земле,"в том случае, когда коэффициент диффузии равен К, а 12=Ь/и есть время, в течение которого физическе условия в данной среде испытывают изменения (и скорость распространения Солнечного Ветра).' На основании теоретических и экспериментальных исследовании принято, что для оптимальных значений параметров Ь=5А.Е.=7.5-1013см; К=6-1023см2/сек; и=1000км/с'ек=10*см/сек; ^Л2=0.01. полученное соотношение Оно будет еще меньшим в первой фазе форбуш-эффекта космических лучей, хотя надо учесь то, что изменение интенсивности во времени является значительным.

Моделирование форбуш-эффектов космических лучей, в тационарном приближении было проведено двумя путями: Первый путь. Решается уравнение диффузии У,(к п) - УД!, п)+(1/ЗХд/ЖХКд)У,и, - 0 (1)

¿где К V к тензор диффузии, п плотность и К магнитная жесткость частсц космических лучей) для определенных, фоновых (средних) значений параметров Солнечного Ветра. Полученное таким образом распределение плотности космических лучей можно считать начальным ° распределением существующим в межпланетном пространстве до начала форбуш-эффекта. А затем учитываются все те возмущения Солнечного Ветра и Межпланетного Магнитного Поля, которые вызвают форбуш-эффект, и решая уравнения с учетом уже найденных значений плотности космических лучей.

Второй путь. Дифференциальное уравнение (1) решается с учетом возмущений Солнечного Ветра и Межпланетного Магнитного Поля, которое, дает нам возможность найти азимутальный профиль изменения интенсивности "космческих лучей, которая совпадает с изменением интенсивности космческих лучей во время форбуш-эффекта.

Проведено моделирование форбуш-эффектов космических лучей вторым путем, в трех разных случаях зависимости скорости солнечного ветра от пространственных координат и тензора диффузии от пространственных координат и энергии.

В любых случаях решения уравнения (1) было учтено, что • напряженность межпланетного магнитного поля изменяется следующим образом:

Н = Н± • (Рр) -2 • [1 + (Рр)2 Бт2в)]0 5

где Н± напряженность межпанетного магнитного поля на орбите Земли, Р-расстояниё от Солнца в А.Е., р=г/го, г-удаление от Солнца, г0 . радиус объема модуляции, 0 -полярный угол.

Первый, второй и третий случагР отличаются дру от друга тем, что в первом случае зависимость коэффициента диффузии космических лучей от энергии имеет вид: КосЯ, во втором случае зависимость коэффициента диффузии космических лучей. от энергии Кос И °'5, а в третьем случае — Кос Я 0-3

Пространственное распределение плотности' и энергетического спектра космических лучей, полученное в результате решения уравнения (1), достаточно хорошо описывает экпериментальные результаты. 6 частности, показатель степени у дифференциального энергетического спектра вариаций изотропной • интенсивности первичных космических лучей находится в прамо пропорциональной зависимости от характера у энергетической зависимости коэффициента диффузии космических лучей. В том " случае, когда энергетическая зависимость коэффициента диффузии космических >луче% растет, амплитуда форбуш-эффектов космических лучей уменьшается.

Величина показателя энергетического спектра в основном определяется зависимостью коэффициента диффузии космических лучей от энергии. В частности показатель степени у дифференциального энергетического спектра теоретечески ожидаемой вариации изотропной интенсивности первичных космических лучей для всех трех расмотренных случаев форбуш-эффектов космических лучей составил соответственно y=1.1; 7=0.6; Y=0.4. -

Результаты'

1. Исследован форбуш-эффект 24-23 марта 1991г на основании анализа экспериментальных данныхТбплисского космо-физического комплекса и .мировой сети нейтронных супермониторов. Найдено изменение во времени энергетического спектра космических лучей в диапазонах эффективных энер-ий 015 Гэв н 15-50 Гэв. Показано, что энергетический спектр в дпапзоне высоких энергий является весьма жестким.

2. Впервые выявлена зависимость показателя энергетического спектра, форбуш-эффекта от.энергий частиц космических лучей. В частности, показано, что в диапазоне высоких энергий энергетический спектр форбуш-эффекта является более жестким, • чем в низком диапазоне энергий. Полученные результаты интерпретированы на основании изменений структуры широкомасштабных флюктуаций напряженности межпланетного магнитного поля во время форбуш-эффектов. ' .

3. Выявлен "постепенный переход от мягкого к жестком)' энергетическому спектру форбуш-эффектов в различных диапазонах энергий. Показано, что последнее связано не только с широко-масштабными флюктуациями структуры напряженности межпланетного магнитного поля в полости ударных волн, подвергающихся эволюции в течение времени протекания форбуш-эффекта, но так-же • и с тем, что в результате взаимодейтвия высокоскоростных потоков солночного ватра с фоновым потоком солнечного ватра могут возникать новые широкомасштабные неоднороности

Эта широкомасштабные неоднороности солнечного ватра вызывают модуяцию частиц сравнительно высоких энергий, что является основной причиной перехода от мягкого к жесткому энергетическому спектру космических лучей.

4. Проведено моделирование форбуш-эффектов космических лучей на базе уравнения анизотропной диффузии, описывающей распространение космических лучей в межпланетном пространстве, с учетом диффузии, конвекции, дрейфа и изменения энергии частиц космических лучей при взаимодействиис

солнечным ветром. Показано, что величину показателя энергетического спектра космческих лучей однозначно определяет характер зависимости коэффициента диффузии космических лучей от энергии.

ПУбЛИКАЦИИ

Содержание диссертации "изложено в следующих работах:

1) Ванишвили Г. К. "Особенности форбуш-эффекта космических лучей ( 24-28 марта 1991) Ъгфйотздр^тЪ BgyGogrtgbitno» ¿jijogSoob ЗголЗЬд, ¿оЭо 147, №1, oiGgorto 1993, m&oRjobo, 5д. 72.

2) Alania M.V., Aslamazashvili R.G., Bochorishvili Т.В., Vanishvili G.K,., Lomtadze Z. G., Iskra K. "The Large Features of the Large-Scale Structure of the Solar Wind." EGS 18-th General Assambly, Wiesbaden^RG, 1993. "Annales Geophysicae" - Supplement Ш, Volume 11, Part Ш, Space and Planetary Sciences." ST-7, pg. c376, 1993.

3) Alania M.V., Aslamazashvili R.G., Bochorishvili T.B., Vanishvili G.K., Lomtadze Z., .

Iskra K. "The Features of 11-year Modulation of Cosmic Rays and Large-Scale Fluctuations of Solar Wind." ХХШ ICRC,Calgary,1993.23rd International Cosmic Ray Conference July 1,9-30,1993,Calgary, Canada, volume 3, Contributed Papsrs, SH session, pg 529-532.

4) Alania M.V., Aslamazashvili R.G., Bochorishvili T.B., Vanishvili G.K., Lomtadze Z., Iskra K. "The Mechanism of 11-year Cosmic Rays Modulation AND Large Scale Structure of the Solar Wind." bijirioiggRjob ЗдзбодАдЬйОТй ¿ji(og3oob 8m^0bg, ¿гоЗо 153, №6,

аз- 45>1996 •

5) Alania M.V., Aslamazashvili R.G., Vanishvili G.K., Iskra.K "The Large-Scale Structure changes of the Interplanetary Magnetic Field Fluctuations and^he Mechanism of 11-year Cosmic Ray Modulation" 14-th European Cosmic Ray Simposium, Hungary, 1994.

6) M.B. Алания, Р.Г. Асламазашвили Г.К. Ванишвили К. Искра,

3. Кобилински. "О механизме 11 летних вариации космических лучей и крупномасштабная структура солнечного ветра.. "Известия Академии Наук" Серия Физическая, 1995 г., Т.59, W4.

7) Alania M.V., Aslamazashvili R.G., Bochorishvili Т.В., Gushchina R.T., Dorman L.I., Iskra. К Vanishvili G.K. The Modelling Study of Cosmic Ray Long-Period Modulation.

An experimental and model study of cosmic ray Forbush-decreases

The overal investigation of the Galactic cosmic rays Forbush effects (GcrFe) has more than semi-centennial history. Such a great interest is caused by the association of GcrFe with the grandious events on the Sun, especially with the Cromospheric flare events, which cause the strong electromagnetic perturbations of the Solar Wind. These perturbations of the Solar Wind spread by colossal speed 1000 km/s and above) and then affect on the Terrestrial Magnetosphere and and Atmosphere and cause a lot of strong Geophysical and biophysical events and processes and a great variety of technological effects. Magnetic clouds and shock waves generated by the cromospheric flare events in the interplanetary space differ from one another by their external geometry and internal

structure. Therefore, the character GcrFe caused by them differs from one another too. The main task of the investigations of GcrFe is the identification of the temporal changes of the cosmic rays' isotropic intensity and energy spectrum.

Forbush-effect of cosmic rays consits of intensity decrease and increase phases. During the time period of intensity decrease phase, the convection induced by high speed solar wind streams and the reflection of comparatively low energy cosmic ray particles from the cavity of magnetic cloud and shock wave play the major role. Hence, the energy spectrum of cosmic rays must be relatively soft in the decline phase of Forbush-effect.

Neutron monitors and meson telescopes data have been used to study the temporal changes of GCR Forbr.sh decreases energy spectrum. The detail investigation of two giant Forbush decreases of March 1989 and March 1991 ha« been carried out based on the date of Tbilisi meson telescopes and neutron monitors of the world network stations. The energy dependence of the energy spectrum index y of GCR Forbush decreases isotropic intensity variations dD(R)/D(R)=ARTr, where A is a power of GCR Forbush decreases isotropic intensity variations and R is GCR particles' regidity) onprimaryenergyofGCRhasbeenrevealed.lt is shown that the energy spectrum of GCR Forbush decrease in March 1.991 is significantly hard, especially for Relatively high energy range. The energy spectrum index y - 0.2 based on the data of Tbilisi meson telescopes'and neutron monitors with the cut of rigidities more than 7 GV, while y ~ 0.6 based on the data of neutron monitors with the cut of rigidities less than 7 GV.The hardeniing of GCR Forbush effect energy spectrum versus time during the decreasing phase of intensity in March 1989 has been found with the simultaneously conservation of the dependence of the spectrum index y on the primary energy of GCR. The relation between the temporal changes of the energy spectrum index g of GCR Forbush decreases isotropic intensity intensity variations and the power spectrum index n of the interplanetary magnetic field stength fluctuations, (P(f)=Kf , is the frequency of the fluctuations of the interplanetary magnetic field stength) has been revealed.

¿a

The Summary

1. Cosmic ray Forbush-decrease of March 24-28 1991 have been investigated on the base the analysis of experimental data of Tbilisi Cosmo physical Complex and World-Wide Grid of neutron-monitor stations, and the time-dependence of cosmic ray energy spectrum changes during cosmic ray Forbush-decrease have been found in the energy ranges of 0-15 GV and 15-50 GV. It has been shown that energy spectrum is very hard in the high energy range.

2. For the first time have been revealed the dependence of the index y of energy spectrum of cosmic ray partricles on the energy of cosmic ray partricles. In particular, it has been shown that in the high energy range of cosmic ray partricles the energy spectrum of cosmic ray partricles during cosmic ray Forbush-decrease is relatively hard than in the low energy range of cosmic ray partricles. Obtained results have been interpreted on the base of structural changes of the fluctuations of interplanetary Magnetic Field Tension, during cosmic ray Forbush-decreases.

3. Gradual hardening of cosmic ray Forbush-decrease energy spectrum in the various energy ranges of cosmic ray partricles have been revealed. It has been svvown that this last is connected not only with the large-scale fluctuations of the Interplanetary Magnetic Field Tension Structure, which exists in the cavity of the Interplanetary Shock Waves, which undergo the evolution during the passage of the cosmic ray Forbush-decrease event, but also with the assumption of existense of possibility of appearance of the new large-scale inhomojgeneties of Interplanetary Magnetic Field Tension Structure as the result of interaction of the high speed Solar Wind streems with the ambient (low speed) Solar Wind streems.

These large-scale fluctuations of Solar Wind cause the modulation of cosmic ray particles of relatively higher energies, which cause of the-hardening of energy spectrum of cosmic ray Forbush-decrease.

4. The mathematical simulation of cosmic ray Forbush-decrease has been provided on the base of the numerical solution of the parabolic differential equation of anisotropic diffusion describing the spread of • cosmic ray in interplanetary medium, with account of diffusion,

• convection, drift and energy changes of cosmic ray particles during the interaction with Solar Wind. It has been shown that the value of the spectral index y of the energy spectrum of cosmic rays is determined unumbigiously from the character of the energy dependence of the cosmic ray diffusion coefficient.