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

太陽活動會影響日地空間磁場, 從而改變地球表面觀測到的宇宙線粒子.如大的太陽活動之后, 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)測器和衛(wèi)星上的探測器觀測到.對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如何受一些太陽活動事件的影響以及解釋由于行星際磁場擾動而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象提供線索[2].

時間結(jié)構(gòu)(下降時間、恢復(fù)時間)和下降幅度是FD事件的主要特征.Lockwood等[3]分析了中子監(jiān)測器觀測到的1958—1984年一系列FD事件, 認(rèn)為FD的下降幅度與監(jiān)測器所在位置的截止剛度有很強(qiáng)的依賴性, 對同一個FD事件, 恢復(fù)時間一般大致相同.但是, 由于行星際擾動, 恢復(fù)時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)時間與日地磁場的極性有關(guān)[4].Rana等[5]與Singh等[6]證實了這一結(jié)果.Jmsn等[7]研究了2004—2005年的FD, 通過對恢復(fù)階段用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行時間擬合, 得到恢復(fù)時間與粒子中位能有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性.Lee等[8]對FD的起始時間的非同時性進(jìn)行了探討, 取得了與Fenton等人相似的結(jié)論, 認(rèn)為對于廣泛分布的中子監(jiān)測站, FD的起始時間更多地取決于經(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)測器觀測到了FD, 中子監(jiān)測站Apatity (APTY)觀測到的此次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.此次太陽耀斑爆發(fā), 是由一個代號為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)測器和中子光譜儀的數(shù)據(jù)對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月的太陽活動情況.Chertok等[12]分析了2017年9月發(fā)生的一系列太陽活動的特征.

2017年9月的FD時間結(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)時間和下降時間與中子監(jiān)測站點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)測器是一種地面探測器, 用來測量進(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)測器仍然是測量宇宙射線最穩(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個分布于世界各地的中子監(jiān)測站進(jìn)行宇宙線測量.

選取中子監(jiān)測器全球網(wǎng)絡(luò)中21個站點從2017年9月2日10:30到2017年10月10日23:50、經(jīng)過氣壓修正的時間間隔為10 min的數(shù)據(jù), 表1列出了站點的垂直截止剛度RI、地理經(jīng)度E、地理緯度N、海拔高度AL等.我們利用這21個站點對2017年9月FD的觀測數(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快下降慢恢復(fù)的過程, 我們構(gòu)造如下函數(shù):

對FD時間結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合.其中, C(t)為中子監(jiān)測站t時刻觀測到某一時間(比如10 min)內(nèi)的粒子數(shù)目, a5為福布希型下降的起始時間, a4為中子監(jiān)測站觀測到的粒子數(shù)目的背景值.FD最低點的時刻、FD的持續(xù)時間、下降幅度與a1、a2、a3這幾個參數(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), 對于第2次下降本文不進(jìn)行討論.

2.2 下降時間、恢復(fù)時間和下降幅度

我們通過定義3個時間節(jié)點把福布希型下降分為兩個階段: 下降階段(Decline Phase)和恢復(fù)階段(Recovery Phase).3個時間節(jié)點為:

T1: 下降階段的開始時間, 就是擬合函數(shù)中的a5;

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

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

表1 中子監(jiān)測站的地理位置參數(shù)和觀測擬合結(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、下降時間D、恢復(fù)時間R分別為:

我們對各監(jiān)測站2017年9月FD的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合, 給出了各個站觀測FD的A、D、R、T1、T2, 見表1, 圖1所示為APTY監(jiān)測站的擬合結(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時間結(jié)構(gòu)和下降幅度的影響因素.

3.1 觀測地點影響的簡單相關(guān)分析

各監(jiān)測站分布于世界多個地點, 其地理位置和海拔各不相同.我們首先討論監(jiān)測站點處的海拔、地理緯度絕對值、地理經(jīng)度和垂直截止剛度與監(jiān)測站觀測到的FD的A、D、R、T1和T2的簡單相關(guān)性.圖2畫出了FD的A、D、R和T1與地理緯度絕對值之間,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.我們還分別計算了FD的A、D、R、T1、T2與海拔、地理緯度絕對值、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間與監(jiān)測站所在位置的地理緯度絕對值有比較強(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)時間與地理緯度絕對值有一定的負(fù)相關(guān)性; 下降幅度與地理緯度絕對值有比較強(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)時間越長, 恢復(fù)階段的持續(xù)時間越短, 下降幅度的絕對值越大, 觀測到福布希型下降的開始時間越早.同時, 我們還可以看到下降到最大的時間T2與地理經(jīng)度有一定的正相關(guān)性.

圖2 (a): 地理緯度絕對值與下降幅度(皮爾遜相關(guān)系數(shù)?0.804), (b): 地理緯度絕對值與恢復(fù)時間(皮爾遜相關(guān)系數(shù)?0.519), (c): 地理緯度絕對值與下降時間(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時間結(jié)構(gòu)和下降幅度的主要影響因素, 我們計算偏相關(guān)關(guān)系, 即在取定其他影響因素的情況下, 計算某一個因素與FD下降時間、恢復(fù)時間、下降幅度、T1和T2的相關(guān)性.由于地理緯度絕對值對FD下降時間、恢復(fù)時間、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個因素中的兩個, 考察剩余一個因素的影響.偏相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果由表3給出.可以看到下降時間與地理緯度絕對值呈正相關(guān), 恢復(fù)時間、下降幅度和T1與地理緯度絕對值呈負(fù)相關(guān).在海拔、地理緯度絕對值、地理經(jīng)度這3個因素中, 地理緯度絕對值對下降時間、恢復(fù)時間、下降幅度和T1有更大的影響.下降時間與地理經(jīng)度有正相關(guān)性, 且地理經(jīng)度影響略大于海拔.

表3 下降時間、恢復(fù)時間和下降幅度與海拔、地理緯度絕對值、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、截止剛度這兩個因素的影響, 偏相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果由表4給出.可以看到海拔對下降時間、恢復(fù)時間、下降幅度和T1的影響比較明顯, 下降時間與海拔呈正相關(guān), 恢復(fù)時間、下降幅度和T1與海拔呈負(fù)相關(guān); 下降時間與截止剛度呈負(fù)相關(guān), 恢復(fù)時間、下降幅度和T1與截止剛度呈正相關(guān).截止剛度對下降時間、恢復(fù)時間和下降幅度的影響要大于海拔.

表4 下降時間、恢復(fù)時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)測器所觀測記錄的宇宙線能量相對較低, 太陽活動引起的日地空間磁場和地磁場的變化對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)測器地理經(jīng)度對FD時間結(jié)構(gòu)的影響可能與地球運動以及磁極和地理極點不重合有一些關(guān)系.

4 總結(jié)

對2017年9月FD中子監(jiān)測器的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合, 給出了FD下降的開始下降時間T1、下降時間D、下降到最大時的時間T2、恢復(fù)時間R以及下降幅度A, 并對這些FD參量與中子監(jiān)測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開始下降的時間與中子監(jiān)測器所在位置的海拔、截止剛度、地理緯度絕對值有一定的關(guān)系.其中, 與海拔、地理緯度絕對值呈負(fù)相關(guān), 與截止剛度呈正相關(guān).FD下降到最大時的時間與地理經(jīng)度呈一定正相關(guān)關(guān)系; (2) FD下降階段持續(xù)時間與海拔、地理緯度絕對值、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)時間與海拔、地理緯度絕對值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與截止剛度呈正相關(guān)關(guān)系; (4) FD下降幅度的絕對值與海拔、地理緯度絕對值呈正相關(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).