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.
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 процентов 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.
Результаты исследования, опубликованные теперь в журнале Solar Physics, получены с помощью данных космического спектрометра PAMELA, работавшего с 2006 по 2016 года на российском спутнике «Ресурс-ДК1».
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.
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.
«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.
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 “Памелы” за период с 15 июня 2006 года по январь 2016 года.
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%.
Всплеск атмосферного давления во время извержения вулканаУченые 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.
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.
«За десятилетия исследований мы много узнали о природе Форбуш-понижений, но проблема заключается в том, что они тесно связаны с многообразием других физических явлений в области солнечно-земной физики. Накапливаются все новые экспериментальные данные, выясняются связи между разными явлениями, как это показано в данной работе. Это требует дальнейших наблюдений и осмысления результатов. С течением времени мы осознаем важность этих знаний не только для фундаментальной науки, но и для нашей повседневной жизни», — заключает Галина Базилевская.