Общие
закономерности временной изменчивости
Интенсивность и состав космических лучей (КЛ) не являются постоянными
во времени. Их вариации охватывают широкий диапазон временных масштабов:
от миллисекунд до десятков и сотен лет. Изменчивость определяется как
внешними факторами — активностью Солнца, динамикой межпланетной среды,
переменными процессами в астрофизических источниках, — так и внутренними
характеристиками самой галактической среды, через которую
распространяются частицы.
Основные типы временных вариаций включают:
- короткопериодные изменения (минуты–часы), связанные
с прохождением ударных волн, магнитных возмущений и вспышечных выбросов
плазмы;
- среднепериодные вариации (дни–годы), вызванные
солнечной активностью и её цикличностью;
- долгопериодные изменения (десятилетия–столетия),
связанные с галактическими процессами и изменением условий в межзвёздной
среде.
Солнечная модуляция
космических лучей
Одним из главных факторов, определяющих временную изменчивость
космических лучей в окрестностях Земли, является солнечная
модуляция.
- В течение 11-летнего цикла солнечной активности
наблюдается антикорреляция: при возрастании солнечной активности
интенсивность галактических космических лучей (ГКЛ) падает, а в годы
минимума активности достигает максимума. Это связано с усилением
солнечного ветра и турбулентности межпланетного магнитного поля, что
затрудняет проникновение заряженных частиц в гелиосферу.
- Важным фактором также является 22-летний цикл
Хейла, связанный с перестройкой полярности солнечного
магнитного поля. В разные поляризационные фазы заряженные частицы
различного знака испытывают разные эффекты дрейфа, что приводит к
асимметриям в спектрах и временны́х профилях космических лучей.
Короткопериодные вариации
- Форбуш-эффекты — резкие кратковременные уменьшения
интенсивности космических лучей, связанные с прохождением межпланетных
ударных волн и магнитных облаков, порождаемых корональными выбросами
массы. Обычно длятся от нескольких часов до нескольких суток и достигают
амплитуды до 20% для частиц низкой энергии.
- Рекуррентные вариации — изменения, связанные с
вращением Солнца (период около 27 суток). При прохождении
высокоскоростных потоков солнечного ветра из активных областей
наблюдаются регулярные изменения интенсивности космических лучей.
- События солнечных энергичных частиц (SEP) —
кратковременные резкие всплески протонов и ядер высокой энергии,
возникающие вследствие мощных солнечных вспышек и ударных волн. В этом
случае наблюдается как локальное увеличение числа частиц солнечного
происхождения, так и временное подавление галактической компоненты.
Долгопериодные
изменения и вековые вариации
Анализ данных по концентрации изотопов космогенного происхождения
(например, ^14C в древесных кольцах или ^10Be в ледяных кернах)
показывает, что уровень космических лучей на Земле менялся на протяжении
столетий. Эти вариации коррелируют с долговременной солнечной
активностью, включая такие эпохи, как минимум Маундера
(1645–1715 гг.), когда солнечная активность была крайне низкой, а поток
ГКЛ — повышенным.
Кроме солнечных факторов, вековые вариации могут быть связаны с
изменениями плотности межзвёздной среды и движением Солнечной системы
через различные области Галактики.
Состав и
энергетический спектр при временных вариациях
Изменения в интенсивности КЛ сопровождаются также изменениями их
состава и спектральных характеристик.
- Во время солнечных максимумов и при форбуш-эффектах сильнее
подавляются частицы низкой энергии, тогда как высокоэнергетические ядра
испытывают меньшую модуляцию.
- Состав солнечных космических лучей во время событий SEP сильно
отличается от галактического: наблюдается избыток протонов и ядер лёгких
элементов (He, C, O), а также характерные аномалии в изотопном составе
(например, повышение доли ^3He).
- В рамках долгопериодных изменений спектр космических лучей также
демонстрирует сдвиги в наклоне и интенсивности, что особенно заметно в
низкоэнергетической области.
Влияние геомагнитных условий
Помимо солнечной модуляции, на наблюдаемые вариации влияет
геомагнитное поле Земли. Изменения в магнитосфере,
вызванные магнитными бурями, изменяют пороговую жесткость для
проникновения частиц. В периоды сильных возмущений космические лучи
более эффективно проникают в средние и низкие широты.
Взаимосвязь с
астрофизическими источниками
Хотя в окрестностях Земли основным фактором временной изменчивости
остаётся солнечная активность, на больших масштабах возможны вариации,
связанные с активностью ближайших астрофизических источников: вспышками
сверхновых, активными нейтронными звёздами и пульсарами. Такие события
способны на тысячи лет изменять локальный поток космических лучей, что
оставляет следы в космогенных изотопах и аномалиях состава.