2017年9月宇宙線福布希型下降影響因素研究?

金述平 張思培 馮育川 賈煥玉

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院成都611756)

1 引言

太陽活動(dòng)會(huì)影響日地空間磁場(chǎng), 從而改變地球表面觀測(cè)到的宇宙線粒子.如大的太陽活動(dòng)之后, 在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)銀河宇宙線強(qiáng)度的突然下降(12–24 h), 然后慢慢地恢復(fù)(幾天到十幾天).人們把這種強(qiáng)度隨時(shí)間的變化事件叫做福布希型下降(Forbush Decrease, FD), 由Forbush在1938年發(fā)現(xiàn)[1].福布希型下降可以由地面中子監(jiān)測(cè)器和衛(wèi)星上的探測(cè)器觀測(cè)到.對(duì)福布希型下降這種非周期性的銀河宇宙線流量變化的觀測(cè)在宇宙線和日地空間環(huán)境研究中有重要作用, 也可以為理解行星際磁場(chǎng)如何受一些太陽活動(dòng)事件的影響以及解釋由于行星際磁場(chǎng)擾動(dòng)而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象提供線索[2].

時(shí)間結(jié)構(gòu)(下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間)和下降幅度是FD事件的主要特征.Lockwood等[3]分析了中子監(jiān)測(cè)器觀測(cè)到的1958—1984年一系列FD事件, 認(rèn)為FD的下降幅度與監(jiān)測(cè)器所在位置的截止剛度有很強(qiáng)的依賴性, 對(duì)同一個(gè)FD事件, 恢復(fù)時(shí)間一般大致相同.但是, 由于行星際擾動(dòng), 恢復(fù)時(shí)間與粒子的能量有一定的關(guān)系.Mulder等人用迭加周期分析得到恢復(fù)時(shí)間與日地磁場(chǎng)的極性有關(guān)[4].Rana等[5]與Singh等[6]證實(shí)了這一結(jié)果.Jmsn等[7]研究了2004—2005年的FD, 通過對(duì)恢復(fù)階段用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行時(shí)間擬合, 得到恢復(fù)時(shí)間與粒子中位能有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性.Lee等[8]對(duì)FD的起始時(shí)間的非同時(shí)性進(jìn)行了探討, 取得了與Fenton等人相似的結(jié)論, 認(rèn)為對(duì)于廣泛分布的中子監(jiān)測(cè)站, FD的起始時(shí)間更多地取決于經(jīng)度, 而不是緯度[9].

2017年9月6日, 太陽爆發(fā)X9.3級(jí)大耀斑, 引發(fā)太陽質(zhì)子事件和日冕物質(zhì)拋射, 地面中子監(jiān)測(cè)器觀測(cè)到了FD, 中子監(jiān)測(cè)站Apatity (APTY)觀測(cè)到的此次FD如圖1所示.這是自2005年以來, 太陽最強(qiáng)的一次爆發(fā)活動(dòng).此次太陽耀斑爆發(fā), 是由一個(gè)代號(hào)為AR2673的太陽黑子群引發(fā)的.該黑子群從9月3日以來, 在5 d的時(shí)間內(nèi)爆發(fā)10余次太陽大耀斑, 其中9月4日爆發(fā)的太陽大耀斑還伴隨有日冕物質(zhì)拋射, 并直接引發(fā)了中等太陽質(zhì)子事件.Hubert等[10]采用中子監(jiān)測(cè)器和中子光譜儀的數(shù)據(jù)對(duì)2017年9月發(fā)生的福布希型下降和地面粒子增強(qiáng)事件進(jìn)行了研究.Tomova等[11]比較了2017年9月和2015年3月的太陽活動(dòng)情況.Chertok等[12]分析了2017年9月發(fā)生的一系列太陽活動(dòng)的特征.

2017年9月的FD時(shí)間結(jié)構(gòu)和下降幅度受哪些因素影響需要進(jìn)一步仔細(xì)研究.本文研究此次FD的下降幅度、恢復(fù)時(shí)間和下降時(shí)間與中子監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所在位置的截止剛度、地理緯度、地理經(jīng)度、海拔等因素的關(guān)系.

2 數(shù)據(jù)來源及處理

中子監(jiān)測(cè)器是一種地面探測(cè)器, 用來測(cè)量進(jìn)入地球大氣層的高能帶電粒子的數(shù)目.盡管已經(jīng)使用了數(shù)十年, 地基中子監(jiān)測(cè)器仍然是測(cè)量宇宙射線最穩(wěn)定的儀器設(shè)備之一,在空間物理、日地關(guān)系領(lǐng)域的研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用.目前有大約50個(gè)分布于世界各地的中子監(jiān)測(cè)站進(jìn)行宇宙線測(cè)量.

選取中子監(jiān)測(cè)器全球網(wǎng)絡(luò)中21個(gè)站點(diǎn)從2017年9月2日10:30到2017年10月10日23:50、經(jīng)過氣壓修正的時(shí)間間隔為10 min的數(shù)據(jù), 表1列出了站點(diǎn)的垂直截止剛度RI、地理經(jīng)度E、地理緯度N、海拔高度AL等.我們利用這21個(gè)站點(diǎn)對(duì)2017年9月FD的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行FD影響因素的研究.

2.1 福布希型下降過程的擬合

福布希型下降通常是一個(gè)快下降慢恢復(fù)的過程, 我們構(gòu)造如下函數(shù):

對(duì)FD時(shí)間結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合.其中, C(t)為中子監(jiān)測(cè)站t時(shí)刻觀測(cè)到某一時(shí)間(比如10 min)內(nèi)的粒子數(shù)目, a5為福布希型下降的起始時(shí)間, a4為中子監(jiān)測(cè)站觀測(cè)到的粒子數(shù)目的背景值.FD最低點(diǎn)的時(shí)刻、FD的持續(xù)時(shí)間、下降幅度與a1、a2、a3這幾個(gè)參數(shù)有關(guān).

2017年9月的FD有兩次下降過程, 兩次下降疊加擬合的方程為:

其中a6、a7、a8、a9與第2次下降有關(guān), 對(duì)于第2次下降本文不進(jìn)行討論.

2.2 下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和下降幅度

我們通過定義3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)把福布希型下降分為兩個(gè)階段: 下降階段(Decline Phase)和恢復(fù)階段(Recovery Phase).3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)為:

T1: 下降階段的開始時(shí)間, 就是擬合函數(shù)中的a5;

T2: 下降階段的結(jié)束時(shí)間和恢復(fù)階段的開始時(shí)間, 可由C(t)的最小值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻給出;

T3: 恢復(fù)階段的結(jié)束時(shí)間, 即C恢復(fù)到其最大下降幅度的95%時(shí)所在的時(shí)刻, 也就是C =a4? 0.05[a4? C(T2)]時(shí)t的取值.

表1 中子監(jiān)測(cè)站的地理位置參數(shù)和觀測(cè)擬合結(jié)果Table 1 The geographical location parameters and observed fitting results of the neutron monitoring stations

通過T1、T2、T3和擬合函數(shù)的參數(shù), 我們可以得到福布希型下降的下降幅度A、下降時(shí)間D、恢復(fù)時(shí)間R分別為:

我們對(duì)各監(jiān)測(cè)站2017年9月FD的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合, 給出了各個(gè)站觀測(cè)FD的A、D、R、T1、T2, 見表1, 圖1所示為APTY監(jiān)測(cè)站的擬合結(jié)果, 圖中標(biāo)出了T1、T2、T3、A、D和R.可以看到,D的分布范圍從HRMS的10.61 h到SOPO的28.51 h; R的分布范圍從JUNG的49.25 h到IRK2的69.72 h;A的分布范圍從NANM的2.53%到DOMB的11.74%.

3 FD影響因素分析與討論

下面分析FD時(shí)間結(jié)構(gòu)和下降幅度的影響因素.

3.1 觀測(cè)地點(diǎn)影響的簡(jiǎn)單相關(guān)分析

各監(jiān)測(cè)站分布于世界多個(gè)地點(diǎn), 其地理位置和海拔各不相同.我們首先討論監(jiān)測(cè)站點(diǎn)處的海拔、地理緯度絕對(duì)值、地理經(jīng)度和垂直截止剛度與監(jiān)測(cè)站觀測(cè)到的FD的A、D、R、T1和T2的簡(jiǎn)單相關(guān)性.圖2畫出了FD的A、D、R和T1與地理緯度絕對(duì)值之間,A與垂直截止剛度之間, T2與地理經(jīng)度之間的關(guān)聯(lián)圖, 其中的直線為線性擬合結(jié)果.我們還分別計(jì)算了FD的A、D、R、T1、T2與海拔、地理緯度絕對(duì)值、地理經(jīng)度和截止剛度之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù), 結(jié)果列于表2中.

我們可以看到, 福布希型下降的下降時(shí)間與監(jiān)測(cè)站所在位置的地理緯度絕對(duì)值有比較強(qiáng)的正相關(guān)性, 與垂直截止剛度有一定的負(fù)相關(guān)性; 恢復(fù)時(shí)間與地理緯度絕對(duì)值有一定的負(fù)相關(guān)性; 下降幅度與地理緯度絕對(duì)值有比較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性, 與截止剛度有比較強(qiáng)的正相關(guān)性; T1與地理緯度絕對(duì)值有比較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性, 與截止剛度有一定的正相關(guān)性.也就是說, 中子監(jiān)測(cè)器越靠近地理南北極, 垂直截止剛度越小, 下降階段的持續(xù)時(shí)間越長, 恢復(fù)階段的持續(xù)時(shí)間越短, 下降幅度的絕對(duì)值越大, 觀測(cè)到福布希型下降的開始時(shí)間越早.同時(shí), 我們還可以看到下降到最大的時(shí)間T2與地理經(jīng)度有一定的正相關(guān)性.

圖2 (a): 地理緯度絕對(duì)值與下降幅度(皮爾遜相關(guān)系數(shù)?0.804), (b): 地理緯度絕對(duì)值與恢復(fù)時(shí)間(皮爾遜相關(guān)系數(shù)?0.519), (c): 地理緯度絕對(duì)值與下降時(shí)間(皮爾遜相關(guān)系數(shù)0.701), (d): 垂直截止剛度與下降幅度(皮爾遜相關(guān)系數(shù)0.720), (e): 地理緯度絕對(duì)值與T1 (皮爾遜相關(guān)系數(shù)?0.710), (f): 地理經(jīng)度與T2 (皮爾遜相關(guān)系數(shù)0.588).Fig.2 (a): absolute of geographic latitude and decreasing amplitude (Pearson correlation ?0.804), (b):absolute of geographic latitude and recovery time (Pearson correlation ?0.519), (c): absolute of geographic latitude and descending time (Pearson correlation 0.701), (d): cut-off rigidity and decreasing amplitude (Pearson correlation 0.720), (e): absolute of geographic latitude and T1 (Pearson correlation?0.710), (f): geographic longitude and T2 (Pearson correlation 0.588).

3.2 偏相關(guān)分析

為了更好分析FD時(shí)間結(jié)構(gòu)和下降幅度的主要影響因素, 我們計(jì)算偏相關(guān)關(guān)系, 即在取定其他影響因素的情況下, 計(jì)算某一個(gè)因素與FD下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、下降幅度、T1和T2的相關(guān)性.由于地理緯度絕對(duì)值對(duì)FD下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、下降幅度、T1有比較大的影響, 而地理緯度和截止剛度是兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的變量, 所以我們?nèi)《ǖ乩砭暥?、海拔、地理?jīng)度3個(gè)因素中的兩個(gè), 考察剩余一個(gè)因素的影響.偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果由表3給出.可以看到下降時(shí)間與地理緯度絕對(duì)值呈正相關(guān), 恢復(fù)時(shí)間、下降幅度和T1與地理緯度絕對(duì)值呈負(fù)相關(guān).在海拔、地理緯度絕對(duì)值、地理經(jīng)度這3個(gè)因素中, 地理緯度絕對(duì)值對(duì)下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、下降幅度和T1有更大的影響.下降時(shí)間與地理經(jīng)度有正相關(guān)性, 且地理經(jīng)度影響略大于海拔.

表3 下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和下降幅度與海拔、地理緯度絕對(duì)值、地理經(jīng)度之間的偏相關(guān)系數(shù)Table 3 Partial correlation coefficient of descending time, recovery time, and decreasing amplitude with altitude, geographical longitude, and absolute value of geographical latitude

我們進(jìn)一步討論海拔、截止剛度這兩個(gè)因素的影響, 偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果由表4給出.可以看到海拔對(duì)下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、下降幅度和T1的影響比較明顯, 下降時(shí)間與海拔呈正相關(guān), 恢復(fù)時(shí)間、下降幅度和T1與海拔呈負(fù)相關(guān); 下降時(shí)間與截止剛度呈負(fù)相關(guān), 恢復(fù)時(shí)間、下降幅度和T1與截止剛度呈正相關(guān).截止剛度對(duì)下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和下降幅度的影響要大于海拔.

表4 下降時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和下降幅度與海拔、截止剛度之間的偏相關(guān)系數(shù)Table 4 Partial correlation coefficient of descending time, recovery time, and decreasing amplitude with altitude and cut-off rigidity

處在高海拔、高緯度(低截止剛度)的中子監(jiān)測(cè)器所觀測(cè)記錄的宇宙線能量相對(duì)較低, 太陽活動(dòng)引起的日地空間磁場(chǎng)和地磁場(chǎng)的變化對(duì)能量更低的宇宙線更早產(chǎn)生影響,而且影響更顯著.這是上述關(guān)聯(lián)分析呈現(xiàn)出來的結(jié)果.中子監(jiān)測(cè)器地理經(jīng)度對(duì)FD時(shí)間結(jié)構(gòu)的影響可能與地球運(yùn)動(dòng)以及磁極和地理極點(diǎn)不重合有一些關(guān)系.

4 總結(jié)

對(duì)2017年9月FD中子監(jiān)測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合, 給出了FD下降的開始下降時(shí)間T1、下降時(shí)間D、下降到最大時(shí)的時(shí)間T2、恢復(fù)時(shí)間R以及下降幅度A, 并對(duì)這些FD參量與中子監(jiān)測(cè)器所在位置的截止剛度、海拔、經(jīng)度和緯度等之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析, 得到如下結(jié)果: (1) FD開始下降的時(shí)間與中子監(jiān)測(cè)器所在位置的海拔、截止剛度、地理緯度絕對(duì)值有一定的關(guān)系.其中, 與海拔、地理緯度絕對(duì)值呈負(fù)相關(guān), 與截止剛度呈正相關(guān).FD下降到最大時(shí)的時(shí)間與地理經(jīng)度呈一定正相關(guān)關(guān)系; (2) FD下降階段持續(xù)時(shí)間與海拔、地理緯度絕對(duì)值、地理經(jīng)度呈一定正相關(guān)關(guān)系, 與截止剛度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 在這些影響因素中, 截止剛度影響最大; (3) FD恢復(fù)階段持續(xù)時(shí)間與海拔、地理緯度絕對(duì)值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與截止剛度呈正相關(guān)關(guān)系; (4) FD下降幅度的絕對(duì)值與海拔、地理緯度絕對(duì)值呈正相關(guān)關(guān)系, 與截止剛度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 在這些影響因素中, 地理緯度影響最大.這些結(jié)果對(duì)FD相關(guān)物理研究具有參考意義.更深入的物理討論將在后續(xù)工作中進(jìn)行.

致謝感謝NMDB數(shù)據(jù)庫提供的數(shù)據(jù).