مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان 3131 زهرا باقری پانتهآ داوودیفر حسین عبادی

Transcript

1 ون 13 مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان 3131 شبیهسازی شار پروتونها در چرخهها و شرارههای خورشیدی مختلف زهرا باقری پانتهآ داوودیفر حسین عبادی گروه نجوم ذرهای مرکز تحقیقات نجوم و اختر فیزیک مراغه مراغه ایران دریافت: 3133/13/31 ویرایش نهائی: 3133/10/33 پذیرش: 3133/13/11 چکیده طوفانهای ژئومغناطیسی سیستمهای ناوبری فضایی مانند ماهوارهها را با ایجاد تغییرات سریع و بزرگ در شار ذرات مختل میکنند. برای بررسی اثرات پرتوهای کیهانی و محاسبه نرخ آسیبها و خطاها و تهیة پوشش مناسب در مقابل آنها نیاز به دانستن شار ذرات پرانرژی داریم. در کار حاضر ما شار و محدوده انرژی پروتونها را بهوسیلة شبیهسازی در چرخههای مختلف خورشیدی و همچنین در زمان رویداد 4 شراره بزرگ و مهم خورشیدی بهدست آورده و با یکدیگر مقایسه کردهایم. در اولین گام شبیهسازی شار پروتونها از نرم افزار امره استفاده کرده سپس دادههای بهدست آمده از شبیهسازی را با دادههای تجربی حاصل از AMS مقایسه کردهایم که در نهایت نتایج بهخوبی در تطابق با یکدیگر قرار داشتند. در ادامه کار ابتدا با استفاده از نرم افزار امره مختصات ماهواره و ویژگیهای آن را تعیین کرده سپس شار پروتونهای پرانرژی را که به یک ماهوارة معمولی در مدار لئو برخورد میکنند در زمان رخداد شرارههای مختلف محاسبه کردهایم. تعداد رویدادهای خورشیدی در بیشینة چرخة خورشیدی افزایش مییابند در نتیجه باید چنین تحلیلهایی با دقت انجام گرفته و چنین طراحیهایی برای مأموریتهای فضایی بلندمدت اهمیت بیشتری بیابند. کلیدواژگان: شار شبیهسازی پروتونها چرخة خورشیدی شرارة خورشیدی مقدمه در این پژوهش تأثیر رخدادهای خورشیدی از زوایای متفاوت و در عین حال مرتبط با یکدیگر مورد بررسی قرار میگیرد. بهطور کلی صرف نظر از تأثیر سایر منابع کیهانی در مقیاسی که برهمکنش بین محیط و ماهوارهها مورد نظر است فعالیت خورشید میتواند منجر به تغییر در شار ذرات و یا تغییر در شدت )و جهت( میدانهای اطراف زمین )بهخصوص میدان مغناطیسی( گردد. باد خورشیدی ( هب طور عام( ضمن خروج از خورشید و حرکت بهسمت زمین عالوه بر حمل میدانهای مغناطیسی و تداخل با میدان مغناطیسی زمین طی فرآیندهای مختلفی ( زا جمله مکانیسم فرمی( به ذرات شتاب میدهد و در عین حال با جاروب کردن ذرات مانع رسیدن دستهای از ذرات کم انرژی میشود که از خارج از منظومة شمسی نشأت گرفتهاند. در مقیاس چرخههای حد در بزرگ زمانی باد خورشیدی خورشیدی منجر به اثری بهنام مدوالسیون خورشیدی میگردد که بر ذرات کیهانی تا حدود انرژی 1GeV مؤثر است. چنانکه با افزایش فعالیت خورشید شار ذرات کیهانی کم انرژی کاهش و بالعکس با کاهش فعالیت خورشید شار ذرات کیهانی کم انرژی تا حدود 1GeV افزایش مییابد. عالوهبراین اثر طوالنی مدت رخدادهای سطح خورشید عمدتا شرارهها و پرتاب جرم از تاج خورشیدی باعث تغییرات کوتاه مدتی در طیف ذرات کیهانی میگردند که آثار متفاوتی بر طیف یسندة مسئول: Bagheri.zahra87@gmail.com

2 شبیهسازی شار پروتونها در چرخهها و... زهرا باقری و همکاران 11 ذرات کیهانی کم انرژی (تا حدود 10GeV و ندرتا (100GeV دارند.این آثار شامل یک افزایش اولیه (در اثر رسیدن ذرات شتاب گرفته در جبهة موج) در شار ذرات کیهانی و افت پس از آن در شدت ذرات کیهانی میگردد که از این افت در شدت ذرات با نام اثر فوربوش یاد میگردد. عالوهبراین تغییرات برهمکنش میدان مغناطیسی زمین با میدان مغناطیسی حمل شده توسط باد خورشیدی و تودههای پالسمای ناشی از رخدادهای خورشیدی باعث تغییراتی در ساختار میدان های مغناطیسی در اطراف زمین و تغییر چگالی ذرات موجود در آن میگردد و بهخصوص با تأثیر بر الیة یونسفر موجب ایجاد اختالل در امر ارتباطات ماهوارهای میگردد. لذا بررسی تغییر چگالی ذرات در مکان ماهواره اهمیت ویژهای داشته ضمن آن که باید با توجه بهشدت عوامل خارجی و پیشبینی رخدادهای خورشیدی بهزمانبندی مأموریتهای فضایی پرداخته شود. پرتوهایی کیهانی در هنگام برخورد با قطعات الکترونیکی باعث ایجاد آسیبهایی بر روی این قطعات میشوند. برای جلوگیری از این آسیبها و تهیة یک پوشش مناسب نیازمند دانستن تأثیر این پرتوها بر روی قطعات میباشیم. بهدلیل اینکه حمل قطعات به باالی جو و ارزیابی آسیبهای ناشی از پرتوهای کیهانی روی قطعات مورد استفاده در ماهوارهها و تجهیزات مورد استفاده در باالی جو کاری بس دشوار و پرهزینه است روند پرتوگیری قطعات بر روی زمین بازسازی شده و آسیبها اندازهگیری میشوند. بهاین منظور ما به شبیهسازی شار پرتوهای کیهانی پرداختهایم. مدلسازی و شبیهسازی در سطح مهندسی ابزارهایی برای مصالحه طراحی در سطح سیستم و زیر سیستم را فراهم میکند و توسعة مشخصههای طرح را در کنار آزمایش و ارزیابی عملکرد پشتیبانی مینماید. قوانین فیزیکی مدلها را شکل میدهند. برای مثال قوانین نیوتن و اویلر معادالت حرکت را بهوجود میآورند. مدلسازی و شبیهسازی در سطح مهندسی معیارهایی برای ارزیابی عملکرد سیستمها و زیر سیستمها را تعیین میکند [3]. فراوانی پروتونها در ذرات کیهانی (حدود 33 درصد) مطالعة در میگردد باعث محصوالت از ناشی برهمکنشهای این ذرات پروتونها مورد توجه قرار گیرند [2]. سه ناحیة مجزا در فضا وجود دارد که در آن نواحی پروتونها به شیوههای مختلف مورد مطالعه قرار میگیرند:.3 ارتفاع 11 تا 41 کیلومتر باالی سطح زمین. این ناحیه توسط آشکارسازهای قرار گرفته بر روی بالونها در چندین دهه مورد بررسی قرار گرفته است. این آزمایشات سهم بهسزایی در درک طیف پرتو اولیه پروتون و رفتار ذرات ثانویه جوی در الیه باالیی جو داشتهاند..2 ارتفاع حدود کمربندهای تابشی درونی و بیرونی که از 3111 کیلومتر تا مگنتوسفر را در بر میگیرند. آشکارسازهایی با ابعاد کوچک که بر روی ماهوارهها قرار گرفتهاند تابشی بهکار رفتهاند..1 برای مطالعه کمربندهای ناحیه مابین باالی جو و کمربند تابشی درونی. سطوح تابش عموما خیلی باال نیستند بنابراین پیش از استفاده از آشکارساز [1] AMS طیف پروتون در یک محدودة مورد مطالعه قرار نگرفته بود. انرژی گسترده بهطور سیستماتیک برای بررسی اثرات پرتوهای کیهانی و بنابراین محاسبه نرخ آسیبها و خطاها و تهیة پوشش مناسب در مقابل آنها نیاز به دانستن شار ذرات پر انرژی خورشیدی داریم. بنابراین در اولین گام از شبیهسازی شار پروتونها توسط نرم افزار امره استفاده کردهایم و سپس

3 17 مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان دادههای بهدست آمده از شبیهسازی را با دادههای تجربی حاصل از AMS مقایسه کردهایم که در نهایت نتایج بهخوبی در تطابق با یکدیگر قرار داشتند. در ادامه کار ما ابتدا با استفاده از نرم افزار امره مختصات ماهواره و ویژگیهای آن را تعیین کردهایم. سپس شار پروتونهای پر انرژی خورشیدی را که به یک ماهوارة معمولی در مدار لئو برخورد میکنند در زمان رخداد شرارههای مختلف محاسبهکردهایم. تعداد رویدادهای خورشیدی در بیشینة چرخة خورشیدی افزایش مییابند در نتیجه باید چنین تحلیلهایی با دقت انجام گرفته و چنین طراحیهایی برای مأموریتهای فضایی بلند مدت اهمیت بیشتری بیابند. شار محاسبة خورشیدی مختلف چرخههای در پروتونها یکی از اولین و مهمترین موضوعاتی که در هر شبیهسازی برای ماهوارهها باید مشخص شود دستگاههای مختصات و تبدیل این دستگاهها به یک دیگر است. در این بخش دستگاههای مختصات الزم برای ورود به شبیهسازی که در مدلسازی باید رعایت گردد ذکر میگردد. این دستگاهها عبارتند از: دستگاه مختصات بدنی دستگاه مختصات مدار )محلی( دستگاه مختصات اینرسی زوایای اویلر سینماتیک وسیله را بیان میکند در حالی که قوانین نیوتن دینامیک وسیله را بیان میکند که در مدلسازی و شبیهسازی از اهمیت ویژهای برخوردار است. معادالت دینامیک وسیله پرنده به دو دسته معادالت نیوتنی و معادالت اویلری تقسیمبندی میشوند. معادالت نیوتن دینامیک انتقالی وسیله هوافضایی را با استفاده از اندازهحرکت خطی بیان میکند اما معادلة اویلر دینامیک دورانی را بیان میکند یا بهعبارت بهتر قانون اویلر حاکم بر درجات وضعی است. شکل 1. دستگاه مختصات بدنی دستگاه مختصات مدار )محلی( دستگاه مختصات اینرسی.

4 شبیهسازی شار پروتونها در چرخهها و... زهرا باقری و همکاران 10 برای اندازهگیری شار پروتونه یا خورشیدی ما از نرمافزار شبیهسازی امره استفاده کردهایم [4]. مدل GCR ISO از مدل SOLPRO از زیر مجموعه مدلهای آماری انتخاب و استفاده شده است. از آنجا که هر نقطهای در روی زمین طول و عرض جغرافیایی مخصوص بهخود را دارد در هر مختصاتی ذره به یک حداقل انرژی نیاز دارد تا به زمین برسد. برای هر نقطه در مگنتوکره و برای هر جهت برای آن نقطه یک مقدار آستانه برای بار/تکانه وجود دارد که به آن قطع مغناطیسی گویند. بهطور مثال برای رسیدن ذرات به قطبها انرژی خیلی کمتری الزم است تا رسیدن ذرات به استوا. دلیل اصلی این که ذرات با انرژی پایینتر از مگنتو کره عبور نمیکنند نیروی لورنتس است که آنها را باز میگرداند. F = qvb که q بار ذرة کیهانی v سرعت آن ذره و B میدان مغناطیسی زمین است. بر طبق تئوری اشترومر قطع سختی مغناطیسی مورد نیاز برای یک ذره برای رسیدن به یک مکان در باالی زمین که طول مغناطیسیاش λ و شعاع ژئومرکزی آن R است توسط معادلة زیر بهدست میآید [3]: P c = M(cos λ)4 R 2 [ (1 + cos α (cos λ) 3 ) + 1] 2 GV قطع سختی مغناطیسی برحسب P= c M= مومنتوم دو قطبی مغناطیسی نرمالیزه شده زمین α= زاویة یون مثبت رسیده )1 درجه = غرب درجه = عمودی 301 درجه = شرق و...( R= شعاع ژئومرکزی برحسب کیلومتر λ= طول مغناطیسی 31 معادلة اشترومر نامتقارنی در قطع سختی مغناطیسی را نشان میدهد. برای مثال برای یک یون مثبت راحتتر است که از سمت غرب )یعنی α= 1 درجه( نفوذ کند تا قطع سختی مغناطیسی مقدار کمتری داشته باشد. شکل 2. مسیر چرخش ماهواره شبیهسازی شده پرتابی بهدور زمین. مکانی که بیشترین حفاظ را در برابر پرتوهای کیهانی دارد روی ناحیة استوای مغناطیسی سطح زمین واقع شده است. زمانی که یک یون مثبت )با صرف نظر از جو( از جهتی که کمترین مساعدت به آن وارد میشود

5 13 مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان 3131 یعنی 301 =α به مکان استوای مغناطیسی میرسد قطع سختی مغناطیسی بیشینه مقدار خود را دارد: P c = M 2 1 = 59.6 GV R 0 که R 0 شعاع متوسط کره زمین )1170 کیلومتر( است. بنابراین میدان ژئومغناطیسی بهطور کامل مانع رسیدن ذرات با سختی مغناطیسی های کوچکتر از 60GV میشود. این محاسبه توسط اشترومر با روش تخمین دوقطبی برای میدان مغناطیسی زمین انجام شده است. از آنجا که کرة زمین یک دوقطبی در نظر گرفته شده و نه یک جسم جامد این تئوری در بعضی جاها خطا دارد و میزان قطع سختی مغناطیسیای که حساب میکند از میزان واقعی کمتر است. در کل میدان مغناطیسی زمین باعث ایجاد یک انرژی برای که میگردد کیهانی باردار ذرات برای قطع پروتون بسته به طول و عرض جغرافیایی در محدودة انرژی 31 MeV تا 311 GeV قرار میگیرد. مطالعات مختلف نشان میدهد که در انرژیهای باالتر از این محدوده طیف پروتون بهصورت نمایی افت میکند. در شبیهسازیهای انجام شده در کار حاضر قطع مگنتو کره بهصورت عمودی شرایط آب و هوایی بهصورت آرام فرض شده و اثر سایة زمین در نظر گرفته شده است. شار پروتونهای خورشیدی برای یک ماهواره معمولی در مداری محاسبه گردیده که اوج و حضیض مدار هر کدام برابر Km هستند و انحراف 30 مداری برابر شده در مدار خود گردش میکند. درجه میباشد. ماهواره شبیهسازی بهصورت شکل 2 بهدور زمین شارهای پروتونهای خورشیدی بهعنوان تابعی از انرژی برای چرخههای خورشیدی 24 ام 21 ام تا محاسبه گردیدهاند. نکتة دیگری که در این رابطه توجه کردیم اختالف شار پرتوهای کیهانی در بیشینه و کمینه فعالیت خورشیدی )شکل 1 ( است. بهاین دلیل بازههای شبیهسازی و طول مأموریت ماهواره بهجای 32 سال 33 سال انتخاب شدهاند. شکل 1. طیف متوسط ذرات کیهانی در حاالت بیشینه و کمینة فعالیت خورشید [1]. ابتدا برای چرخة 21 ام از تاریخ 3311/3 تا 3370/3 شار خورشیدی انتگرالی و تفاضلی پروتونها محاسبه گردیده و در شکل 4 با رنگهای قرمز و سبز نشان داده شدهاست. سپس در شکل 3 شار پروتونهای خورشیدی بهازای طول وعرضهای مختلف به نمایش درآمده است. سپس تمام محاسبات باال برای چرخههای 23 ام تا 24 ام تکرار شدهاند و هر نوبت نتایج بر روی یک شکل رسم گردیدهاند تا قابل مقایسه با یکدیگر باشند. محاسبات برای چرخه 23 ام برای تاریخ 3303/3 تا 3374/3 انجام گرفتهاند و منحنیهای شار تفاضلی و انتگرالی پروتونهای خورشیدی در شکلها آبی و سیاه هستند. برای چرخة محاسبات از تاریخ 22 ام 3304/3 3333/3 انجام گرفته و منحنیها میباشند. برای چرخه 2131/2 تا 3333/2 تا صورتی و زرد 21 ام محاسبات از تاریخ انجام گرفته و منحنیها آبی

6 شبیهسازی شار پروتونها در چرخهها و... زهرا باقری و همکاران 41 کمرنگ و نارنجی میباشند. و در نهایت برای چرخه 24 ام محاسبات از تاریخ 2117/3 تا 2122/3 انجام گرفته و منحنیها سبز تیره و بنفش میباشند. تمام نتایج در شکلهای 4 تا 31 نشان داده شدهاند. شکل 4. شار انتگرالی و تفاضلی پروتونهای خورشیدی در چرخه 21 ام از تاریخ 3311/3 تا 3370/3. شکل 3. شار پروتونهای خورشیدی در طول وعرضهای مختلف در چرخة 21 ام از تاریخ 3311/3 تا 3370/3.

7 43 مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان 3131 شکل 1. شار انتگرالی و تفاضلی پروتونهای خورشیدی در چرخه 21 ام از تاریخ 3311/3 تا 3370/3 )قرمز و سبز( و چرخة 23 ام از تاریخ 3374/3 تا 3303/3 )آبی و سیاه(. شکل 7. شار پروتونهای خورشیدی در طول وعرضهای مختلف در چرخة 23 ام از تاریخ 3374/3 تا 3303/3.

8 شبیهسازی شار پروتونها در چرخهها و... زهرا باقری و همکاران 42 شکل 0. شار انتگرالی و تفاضلی پروتونهای خورشیدی در چرخة 21 ام از تاریخ 3311/3 تا 3370/3 )قرمز و سبز( چرخة 23 ام از تاریخ 3374/3 تا 3303/3 )آبی و سیاه( و چرخه 22 ام از تاریخ 3304/3 تا 3333/3 )صورتی و زرد(. شکل 3. شار پروتونهای خورشیدی در طول وعرضهای مختلف در چرخة 22 ام از تاریخ 3304/3 تا 3333/3.

9 41 مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان 3131 شکل 31. شار انتگرالی و تفاضلی پروتونهای خورشیدی در چرخه 21 ام از تاریخ 3311/3 تا 3370/3 )قرمز و سبز( چرخة 23 ام از تاریخ 3374/3 تا 3303/3 )آبی و سیاه( چرخة 22 ام از تاریخ 3304/3 تا 3333/3 )صورتی و زرد( و چرخة 21 ام از تاریخ 3333/2 تا 2131/2 )آبی کمرنگ و نارنجی(. شکل 33. شار پروتونهای خورشیدی در طول وعرضهای مختلف در چرخه 21 ام از تاریخ 3333/2 تا 2131/2.

10 شبیهسازی شار پروتونها در چرخهها و... زهرا باقری و همکاران 44 شکل 32. شار انتگرالی و تفاضلی پروتونهای خورشیدی در چرخة 21 ام از تاریخ 3311/3 تا 3370/3 )قرمز و سبز( چرخة 23 ام از تاریخ 3374/3 تا 3303/3 )آبی و سیاه( چرخة 22 ام از تاریخ 3304/3 تا 3333/3 )صورتی و زرد( چرخة 21 ام از تاریخ 3333/2 تا 2131/2 )آبی کمرنگ و نارنجی( و چرخه 24 ام از تاریخ 2117/3 تا 2122/3 )سبز تیره و بنفش(. شکل 31. شار پروتونهای خورشیدی در طول وعرضهای مختلف در چرخه 24 ام از تاریخ 2117/3 تا 2122/3. در نتیجه با استفاده از شبیهسازی ما شار پروتونهای دادههای [1] AMS Collaboration استفاده کردهایم خورشیدی را بهدور زمین بهدست آوردیم. برای مقایسة نتایج حاصل از شبیهسازی با نتایج تجربی از )شکل 34 (.

11 43 مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان 3131 شکل 34. مقادیر تجربی شار ذرات کیهانی.)AMS( برای بهدست آوردن شار کیهانی در مدار پرتوهای ماهواره از نرمافزار DigXY استفاده کرده و نمودار مقادیر نرمالیزه شده به شار واقعی ذرات که قبال توسط AMS اندازهگیری شده است را خواندهایم و شار پروتونها 101 ارتفاع در انرژیهای مابین 9GeV تا 650GeV در کیلومتری را بهدست آوردیم که در جدول 3 آمده است. تطابق نتایج تجربی اندازهگیری شده توسط AMS و شبیهسازی انجام شده در کار حاضر بهوسیلة نرمافزار امره مشهود است. جدول 3. توزیع شار پروتونهای کیهانی در محدودة انرژیهای مختلف در مدار ماهواره با استفاده از دادههای.AMS محاسبة شار پروتونها در شرارههای خورشیدی مختلف در طول یک رویداد خورشیدی )بهعنوان مثال شراره خورشیدی یا فوران جرمی تاج( انرژی ذخیره شده در یک منطقة نسبتا متمرکز از اتمسفر خورشید بهطور ناگهانی بهشکلی انفجاری منتشر میگردد. شواهد بهروشنی نشان میدهند که طوفانهای ژئومغناطیسی بزرگ میتوانند سیستمهای ناوبری مبتنی بر فضا مانند ماهوارهها را با ایجاد تغییرات سریع و بزرگ در شار ذرات مختل کنند. 4 شرارههای خورشیدی بزرگ عبارتند از: 3. رویداد آگوست 3372 که تا بهحال: الف: سریعترین زمان انتقال ثبت شده CME را دارد )رسیدن به زمین تنها 34 / 1 ساعت پس از خروج از خورشید زمان برد(. ب: شدیدترین طوفان تابشی در دوران اولیة فضا را داشت. با این حال این رویداد تنها یک طوفان ژئومغناطیسی متوسط بود زیرا Dst آن به 120- nt رسید. Dst( یک متریک ژئومغناطیسی است که در واحد نانو تسال اندازهگیری میشود.(. با دانش علمی که ما 31 سال بعد از آن واقعه داریم محتمل است که این رویداد مشابه به رویداد کارینگتون بوده است اما با یک میدان مغناطیسی رو به شمال بین سیارهای.(IMF) 2. طوفان تابشی اکتبر 3303 در واقع یک سری از حوادث بزرگ بود که همگی در عرض یک هفته رخ دادند در نتیجه دوز )شار مجموع در طول زمان( بسیار باالیی از ذرات با انرژی های باالی 60MeV را بههمراه داشت. این رویداد تقریبا به بزرگی چهار برابر طوفان تابشی سال 3372 بود و از نظر دوز بزرگترین رویداد تاکنون دیده شده در عصر فضا است و از نظر Kinetic energy (GeV) 1 Flux (m 2 sr s GeV) e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e-7

12 شبیهسازی شار پروتونهای در چرخهها و... زهرا باقری و همکاران کیلومتر داشته و دورة تناوب مداری ماهواره در آن مابین 11 تا 31 دقیقه است. ماهوارههای در این مدار برای اهداف نظامی و هواشناسی و مأموریتهایی رصدی مانند شاتل استفاده میگردند. بدین منظور در ادامه کار ما ابتدا با استفاده از نرم افزار امره مختصات ماهواره و ویژگیهای آن را تعیین کردهایم. سپس شار پروتونهای پر انرژی خورشیدی را که به یک ماهواره معمولی در مدار لئو برخورد میکنند در زمان رخداد شرارههای مختلف محاسبه کردهایم. تعداد رویدادهای خورشیدی در بیشینه چرخه خورشیدی افزایش مییابند در نتیجه باید چنین تحلیلهایی با دقت انجام گرفته و چنین طراحیهایی برای مأموریت های فضایی بلند مدت اهمیت بیشتری بیابند. برای تعیین بازة انرژی در قبال شار پروتونه یا خورشیدی ما از نرم افزار شبیهسازی امره استفاده کردهایم. ابتدا در قسمت "مأموریت" ابتدا نوع مدار دلخواه ارتفاع و دیگر ویژگیهای مورد نظر را انتخاب کردیم سپس از مدل "شراره خورشیدی" استفاده کرده و شار پروتونهای خورشیدی را در 4 شراره بزرگ و شناخته شده زیر حساب کردهایم: 3. بدترین ساعت آگوست اکتبر 3303 )بدترین 3 دقیقه بدترین ساعت و بدترین روز( که توسط ماهواره GOES7 اندازه گرفته شده است. 1. جوالی 2111 روز باستیل )بدترین 3 دقیقه بدترین ساعت و بدترین روز( که توسط ماهواره GOES8 اندازه گرفته شده است. شار لحظهای قله آن تقریبا همسان با رویداد 3372 است..1 و یکی دیگر از رویدادهای بسیار مورد مطالعه قرار گرفته طوفان تابشی است که در جوالی )به اصطالح رویداد روز باستیل( رخ داده است و طوفان ژئومغناطیسی مرتبط با آن در جوالی است. این رویداد کوچکتر از رویدادهایی بود که در باال توضیح داده شدند: قله شار و دوز به ترتیب 11% رویداد 71% کاهش یافت nt به DST بودند و 3372 این رویداد یک بیدارباش مفید و کم هزینه برای کمیته پرتاب ماهواره "کالستر 3 "بود که برای آن روز برنامه راه اندازی اولین جفت از این سفینه فضایی را داشتند. تیم راه اندازی در مورد طوفان تابشی هشداری دریافت کرد و خوشبختانه پرتاب تا پس از طوفان به تعویق افتاد..4 روزهای آخر ماه اکتبر 2111 شاهد یکی دیگر از رویدادهای آب و هوای فضایی بزرگ )به اصطالح رویداد هالووین( بودیم. رویداد سال 3303 بود. این رویداد ضعیفتر از Dst به 383- nt کاهش یافت و نفوذ تابش 11 درصد رویداد 3372 بود اما شواهد زیادی از اثرات آب و هوا فضای ارائه داد. این رویداد شامل غالب تجربة ما در حال حاضر از آب و هوای فضایی میشود زیرا هم آخرین رویداد اتفاق افتاده است و هم اینکه دادههای زیست محیطی و تأثیر آن غنیا در دسترس است. ما میتوانیم تغییرات شار ذرات را در طول رخ دادن شرارههای خورشیدی در فضا محاسبه کرده و بنابراین نرخ آسیبها و خطاها را بهدست آوریم. برای جلوگیری از این آسیبها و تهیة پوشش مناسب در مقابل آنها نیاز به دانستن شار ذرات پر انرژی خورشیدی داریم. بنابراین شار ذرات پروتون را در مدار لئو برآورد کردهایم. مدار لئو ارتفاعی در حدود 211 تا اکتبر 2111 روز هالووین )بدترین 3 دقیقه بدترین ساعت و بدترین روز( که توسط ماهواره GOES11 اندازه گرفته شده است.

13 47 مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان 3131 ما روز پرتاب ماهواره را در شبیهسازی همان روز رخداد شرارههای خورشیدی در نظر گرفتیم و مشخصات محل پرتاب ماهواره مورد شبیهسازی را شهر تهران با همان مختصات قرار دادهایم و سپس از این 4 مدل استفاده کرده شار پروتونها را برای یک ماهواره معمول در مدار لئو بهدست آوردیم. حضیض مدار برابر Km 33 / 3 بوده و دورة اوج و است انحراف مداری تناوب برابر 3343 ثانیه است. نمودارهای شار پروتون برحسب انرژی برای هر مدل در شکلهای 33 تا 30 نشان داده شدهاند. شکل 37. شار پروتونها در بدترین روز شرارههای خورشیدی در برابر انرژی )بهدست آمده توسط امره(. شکل 33. شار پروتونها در بدترین 3 دقیقه شرارههای خورشیدی در برابر انرژی )بهدست آمده توسط امره(. شکل 30. شار پروتونها در زمان عادی بدون رویداد خورشیدی در برابر انرژی )بهدست آمده توسط امره(. همانطورکه در شکلهای 33 تا 30 دیده میشود شار پروتونهایی که به ماهواره در مدار لئو میرسند در بازة انرژی تا 3111 MeV بهدست آمدهاند. نتیجهگیری شکل 31. شار پروتونها در بدترین ساعت شرارههای خورشیدی در برابر انرژی )بهدست آمده توسط امره(. طوفانهای ژئومغناطیسی بزرگ میتوانند سیستمهای ناوبری مبتنی بر فضا مانند ماهوارهها را با ایجاد تغییرات سریع و بزرگ در شار ذرات مختل کنند. برای بررسی اثرات پرتوهای کیهانی و بنابراین محاسبه نرخ آسیبها و خطاها و تهیه پوشش مناسب در مقابل آنها نیاز به دانستن شار ذرات پر انرژی خورشیدی داریم.

14 شبیهسازی شار پروتونهای در چرخهها و... زهرا باقری و همکاران 40 در ناحیه مابین باالی جو و کمربند تابشی درونی سطوح تابش عموما خیلی باال نیستند بنابراین استفاده محدودة آشکارساز از از پیش AMS طیف پروتون در یک انرژی گسترده بهطور سیستماتیک مورد مطالعه قرار نگرفته بود. ما در کار حاضر به بررسی این ناحیه از طریق شبیهسازی پرداختهایم. در اولین گام از شبیهسازی شار پروتونهای خورشیدی ما از نرم افزار شبیهسازی امره استفاده کردهایم. مدل GCR ISO تا از مدل SOLPRO از زیرمجموعة مدلهای آماری انتخاب و استفاده شده است. قطع مگنتو کره بهصورت عمودی شرایط آب و هوایی بهصورت آرام فرض شده و اثر سایة زمین در نظر گرفته شده است. شار پروتونهای خورشیدی بهعنوان تابعی از انرژی برای چرخههای خورشیدی 21 ام از تاریخ 3311/3 تا 3370/3 )قرمز و سبز( چرخة 23 ام از تاریخ 3374/3 تا 3303/3 )آبی و سیاه( چرخة 22 ام از تاریخ 3304/3 3333/3 تا 3333/2 )صورتی 2131/2 و زرد( چرخة 21 ام از تاریخ )آبی کمرنگ و نارنجی( و در نهایت برای چرخة 24 ام از تاریخ 2117/3 تا 2122/3 )سبز تیره و بنفش( به صورت انتگرالی و تفاضلی پروتونها محاسبه گردیده و هر نوبت نتایج بر روی یک شکل رسم گردیدهاند تا قابل مقایسه با یکدیگر باشند. سپس شار پروتونهای خورشیدی بهازای طول وعرضهای مختلف در چرخههای متفاوت به نمایش درآمدهاند. تمام نتایج در شکلهای 4 تا 31 نشان داده شدهاند. در نتیجه با استفاده از شبیهسازی ما شار پروتونهای خورشیدی را بهدور زمین بهدست آوردیم. برای مقایسة نتایج حاصل از شبیهسازی با نتایج تجربی از دادههای AMS Collaboration استفاده کردهایم که در نهایت نتایج بهخوبی در تطابق با یکدیگر قرار داشتند. در ادامه کار ما ابتدا با استفاده از نرم افزار امره مختصات ماهواره و ویژگیهای آن را در مدار لئو تعیین کردهایم. سپس شار پروتونهای پر انرژی خورشیدی را که به یک ماهوارة معمولی در این مدار برخورد میکنند در زمان رخداد 4 شرارة بزرگ و شناخته شده آگوست 3372 اکتبر 3303 جوالی و اکتبر محاسبه کردهایم. ما روز پرتاب ماهواره را در شبیهسازی همان روز رخداد شرارههای خورشیدی در نظر گرفتیم و مشخصات محل پرتاب ماهواره مورد شبیه سازی را شهر تهران با همان مختصات قرار داده ایم. حضیض مدار برابر مداری Km 33 / 3 بوده و دورة تناوب برابر اوج و است و انحراف ثانیه 3343 است. نمودارهای شار پروتون برحسب انرژی برای هر مدل در شکلهای 33 تا 30 نشان داده شدهاند. در نتیجه در کار حاضر ما شار و محدودة انرژی پروتونهای خورشیدی را بهوسیلة شبیهسازی در چرخههای مختلف خورشیدی و همچنین در زمان رویداد 4 شرارة بزرگ و مهم خورشیدی بهدست آورده و با یکدیگر مقایسه کردهایم. تعداد رویدادهای خورشیدی در بیشینه چرخه خورشیدی افزایش مییابند در نتیجه باید چنین تحلیلهایی با دقت انجام گرفته و چنین طراحیهایی برای مأموریتهای فضایی بلند مدت اهمیت بیشتری بیابند. مرجعها [1] P.H. Zipfel, Modeling and Simulation of Aerospace Vehicle Dynamic. AIAA Education Series, American Institute of Aeronautics and Astronautics, (2014). [2] S. Koontz, B. Reddell, P. Boeder, Using FLUKA to calculate Spacecraft Single Event Environments, Microelectronics Reliability and Qualification Workshop, United States (2009). [3] J. Alcaraz, D. Alvisi, B. Alpat, etal. Protons in near earth orbit Physics Letters B 472 (2000)

15 43 مجلة پژوهش سیستمهای بسذرهای دورة 7 شمارة 31 بهار-تابستان 3131 [4] OMERE, OMERE software, Solution provider for radiation assurance process, [5] C. Stormer, Periodische Elektronenbahnen im Felde eines Elementarmagneten und ihre Anwendung auf Brches Modellversuche und auf Eschenhagens Elementarwellen des Erdmagnetismus. Zeitschrift fur Astrophysik, 1 (1930) [6] P. Grieder, Cosmic Rays at Earth, 1st Edition, Elsevier (2001).

16 Journal of Research on Many-body Systems, Volume 7, Number 13, Summer Simulation of proton s flux in different solar cycles and solar flares Zahra Bagheri, 1, Pantea Davoudifar 1, Hosein Ebadi 1 1 Research Institute for Astronomy and Astrophysics of Maragha, Maragha, Iran Received: Final revised: Accepted: Abstract Geomagnetic storms disrupt space navigation systems such as satellite with rapid and large changes in particle flux. To study the effects of cosmic rays and calculate the rate of faults and errors and provide a suitable shield against them, we need to know the energetic particles flux. In the present work, we have obtained protons flux and energy range by simulating in different solar cycles and in 4 major solar flare events. In the first step of the proton flux simulation, we have used OMEREH. software; We have then compared the obtained data from the simulation with the experimental data from AMS collaboration and they were in a good agreement with each other. In the next step, first we have determined satellite s coordinates and properties using OMEREH; then we have calculated the flux of energetic protons that collide to a typical satellite in Leo orbit at the time of flares occurrence. The number of solar events increases in solar maximum. Therefore, these analyses should be done carefully and the design should be more significant in long-term space missions. Keywords: Flux, Simulation, Protons, Solar cycle, Solar flare Corresponding Author: Bagheri.zahra87@gmail.com