Космические лучи, проникающие в гелиосферу из межзвёздной среды, подвергаются существенному воздействию солнечного ветра и связанных с ним магнитных полей. Этот процесс, называемый модуляцией, приводит к изменению спектра и интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ) на орбите Земли и в других областях Солнечной системы. Главная причина модуляции — взаимодействие заряженных частиц с турбулентным межпланетным магнитным полем (ММП), «замороженным» в поток солнечного ветра, а также с его крупномасштабными структурами.
Солнечный ветер — это поток плазмы, истекающий от Солнца со скоростью порядка 400–800 км/с. Заряженные частицы космических лучей, двигаясь сквозь этот поток, испытывают:
Эти процессы особенно заметны для низкоэнергетических частиц (менее 1–2 ГэВ), которые сильнее подвержены модуляции.
Межпланетное магнитное поле не является однородным: на нём наложены флуктуации, возникающие вследствие турбулентности плазмы. Заряженные частицы рассеиваются на этих неоднородностях, что приводит к их диффузии.
Коэффициент диффузии зависит от энергии частицы: чем выше энергия, тем меньше влияние турбулентности и тем слабее модуляция.
Заряженные частицы совершают дрейфовые движения в крупномасштабном магнитном поле, имеющем спиральную форму (спираль Паркера). Дрейфы возникают за счёт кривизны и градиента магнитного поля, а также при переходе через гелиоэкваториальную токовую поверхность.
Таким образом, модуляция носит асимметричный характер, зависящий от знака заряда частицы и текущего состояния 22-летнего магнитного цикла Солнца.
Модуляция космических лучей тесно связана с уровнем солнечной активности:
Кроме этого, наблюдаются кратковременные вариации:
Космические лучи начинают испытывать модуляцию уже при входе в гелиосферу, на расстояниях порядка 80–120 а.е., где располагается терминальный ударный фронт и гелиопауза. Там происходит резкое замедление солнечного ветра, усиление турбулентности и изменение структуры магнитного поля. Именно здесь формируется внешний барьер для проникновения ГКЛ внутрь Солнечной системы.
Математическое описание модуляции основано на транспортном уравнении Паркера (1965), учитывающем конвекцию, диффузию, дрейф и адиабатическое охлаждение:
$$ \frac{\partial f}{\partial t} = -(\vec{V}_w + \vec{v}_d)\cdot\nabla f + \nabla\cdot(\mathbf{K}\nabla f) + \frac{1}{3}(\nabla\cdot \vec{V}_w)\frac{\partial f}{\partial \ln p}, $$
где f — функция распределения космических лучей, V⃗w — скорость солнечного ветра, v⃗d — дрейфовая скорость, K — тензор диффузии, p — импульс частицы.
Это уравнение лежит в основе современных численных моделей, позволяющих описывать как глобальные, так и временные особенности модуляции.