7o Πανελλήνιο Συνέδριο Φυσικής 1996
22-ΕΤΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΗΣ ΚΟΣΜΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΙΣ ΕΝΕΡΓΕΙΕΣ ΜΕΤΡΗΤΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Eλένη Μαυρομιχαλάκη *, Άννα Μπελεχάκη ** και Ιωάννα Τσαγγούρη * * Πανεπιστήμιο Αθηνών, Τμήμα Φυσικής, Τομέας Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων, Σόλωνος 104, Αθήνα 10680 ** Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών, Ινστιτούτο Ιονόσφαιρας και Φυσικής Διαστήματος, Μεταξά και Β. Παύλου, Π. Πεντέλη 15236 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η μακρόχρονη διαμόρφωση της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας (Κ.Α.) στις ενέργειες Mετρητών Nετρονίων (ΝΜ Εnergies) από τους σταθμούς Inuvik (0.16GV) και Climax (2.96GV) μελετάται με τη βοήθεια ηλιακών, ενδοπλανητικών και γήινων παραμέτρων στο χρονικό διάστημα 1944-1995 που καλύπτει πέντε ηλιακούς κύκλους.. Oι παρατηρούμενες διαφορές μεταξύ άρτιων και περιττών κύκλων σχετίζονται άμεσα με τις αντιστροφές της πολικότητας του πολικού μαγνητικού πεδίου του ήλιου. Tούτο δικαιολογείται με το μοντέλο κλειστής-ανοιχτής ηλιόσφαιρας, όπου διαφορετικές διαδικασίες επηρεάζουν τη μεταφορά των κοσμικών ακτίνων στην ηλιόσφαιρα. Κατά τη διάρκεια άρτιων κύκλων επικρατεί ο μηχανισμός μεταφοράς (convection), ενώ κατά τη διάρκεια περιττών κύκλων επικρατεί ο μηχανισμός διάχυσης (diffusion). Πρόσφατα η επίδραση φαινομένων ολίσθησης (gradient drifts) ως και η κλίση του ηλιοσφαιρικού μανδύα ρεύματος (current sheet) στα αντίθετα διευθυνόμενα βόρεια και νότια ηλιοσφαιρικά μαγνητικά πεδία έχουν προκαλέσει το ενδιαφέρον των ερευνητών. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η 11-ετής διαμόρφωση της έντασης της Κ.Α. που βρίσκεται ως γνωστόν σε αρνητική συσχέτιση με τον ενδεκαετή κύκλο της ηλιακής δραστηριότητας, έχει πλέον αποδειχθεί, αν και η φύση της δεν έχει ακόμη πλήρως κατανοηθεί [1]. Επί πλέον όμως υπάρχουν ποικίλες ενδείξεις για την ύπαρξη μιας σημαντικής 22-ετούς περιοδικότητας που υπερτίθεται στην 11- ετή διαμόρφωση. Μεταξύ των πιο σπουδαίων φαινομένων που φαίνεται να παρουσιάζουν αυτή την περιοδικότητα είναι η ημερήσια μεταβολή, oι γενικές ασυμμετρίες στην εξάρτηση της δυσκαμψίας από τη διαμόρφωση σε συνεχόμενους 11-ετείς κύκλους, τα φαινόμενα διαμόρφωσης που στηρίζονται στο πρόσημο του φορτίου των σωματίων κ.λ.π. Πρόσφατα υπάρχουν ενδείξεις ότι αυτή η περιοδικότητα εμφανίζεται στα δεδομένα των Μετρητών Νετρονίων. Για παράδειγμα, η διάρκεια της μέγιστης έντασης της Κ.Α. εκτείνεται σε 5-6 χρόνια από το 1972 έως το 1978 γύρω από το ηλιακό ελάχιστο του 1976, ενώ η μέγιστη ένταση της Κ.Α. έδωσε μια απότομη κορυφή γύρω από το αντίστοιχο ελάχιστο του 1965 [2], [3]. H ένταση της Κ. Α. συνδεδεμένη με το ελάχιστο της ηλιακής δραστηριότητας του 1987 παρουσιάζει ένα οξύ μέγιστο στις αρχές του 1987 όμοιο με εκείνο του 1965 και ακολουθείται στη συνέχεια από ουσιαστική ελάττωση της έντασης. Συνεπώς οι 22-ετείς σχηματικές μορφές αυτής της διαμόρφωσης φαίνονται επικρατέστερες από την 11-ετή διαμόρφωση της Κ.Α., μια και σήμερα με τα δεδομένα των Μετρητών Νετρονίων έχουμε την δυνατότητα να μελετήσουμε πάνω από δύο συνεχόμενους 22-ετείς κύκλους. Σ αυτή την εργασία προσδιορίζουμε χαρακτηριστικές μορφές της 22-ετούς διαμόρφωσης εντοπίζοντας ουσιαστικές διαφορές μεταξύ άρτιων και περιττών κύκλων. Σχετίζοντας άμεσα τις αντιστροφές της πολικότητας του πολικού μαγνητικού πεδίου του ήλιου και το φαινόμενο
υστέρησης της Κ.Α. με τους διαφορετικούς μηχανισμούς που επηρεάζουν τη μεταφορά των Κοσμικών Ακτίνων στην ηλιόσφαιρα κατά τη διάρκεια άρτιων και περιττών κύκλων (μηχανισμοί μεταφοράς και διάχυσης, φαινόμενα ολίσθησης) αποδεικνύουμε την ύπαρξη 22- ετούς περιοδικότητας στις Κοσμικές Ακτίνες. 2. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΜΕΤΡΗΤΩΝ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ Σχ. 1Μηνιαίες τιμές της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας του σταθμού Climax με τον αριθμό των ηλιακών κηλίδων για το διάστημα 1944-1995 Σχ. 1 Μηνιαίες τιμές της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας του σταθμού Climax με τον αριθμό των ηλιακών κηλίδων για το διάστημα 1944-1995. Μελετώντας δεδομένα της έντασης της Κ.Α. στις ενέργειες των Μετρητών Νετρονίων Climax (2.96 GV) και Inuvik (0.16 GV) μπορούμε να δείξουμε πώς η Κ.Α. εκτείνεται στο ηλιακό σύστημα στις χρονικές περιόδους της μέγιστης ηλιακής δραστηριότητας (Σχ, 1). Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν καλύπτουν πέντε ηλιακούς κύκλους (18-22) για την ηλιακή δραστηριότητα και τέσσερις κύκλους (19-22) για την ένταση της Κ.Α. Στο σχήμα φαίνονται οι αλλαγές πολικότητας του ηλιακού μαγνητικού πεδίου ξεχωρίζοντας έτσι διαστήματα όπου η μαγνητική ροπή M είναι παράλληλη (άρτιοι κύκλοι) ή αντιπαράλληλη (περιττοί κύκλοι) στη γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του Ηλιου [4], [5]. Oι χαρακτηριστικές μορφολογικές διαφορές μεταξύ άρτιων και περιττών κύκλων οφείλονται στη διαφορετική συμπεριφορά των δύο τμημάτων της βασικής 22-ετούς ηλιακής περιοδικότητας. 3. ΜΟΝΤΕΛΟ ΚΛΕΙΣΤΗΣ ΚΑΙ ΑΝΟΙΧΤΗΣ ΗΛΙΟΣΦΑΙΡΑΣ Η παραπάνω αιτία υποθέτει ότι οι αντιστροφές της πολικότητας του ηλιακού μαγνητικού πεδίου συνδέουν την ηλιόσφαιρα με τον ενδοπλανητικό χώρο κατά τέτοιο τρόπο ώστε οι ενδοαστρικές κοσμικές ακτίνες να εισέρχονται ευκολότερα στην ηλιόσφαιρα. Σύμφωνα με το μοντέλο κλειστής και ανοικτής ηλιόσφαιρας [6] μπορούμε να δεχτούμε ότι υπάρχει γαλαξιακός άνεμος στο ηλιακό σύστημα, οπότε το μαγνητικό πεδίο έχει μια σημαντική
συνιστώσα ως προς το ηλιακό μαγνητικό δίπολο. Όταν έχουμε θετικό βόρειο πόλο του ήλιου οδηγούμαστε σε ανοιχτή ηλιόσφαιρα που σημαίνει κατ ευθεία εισδοχή των κοσμικών ακτίνων στον ενδοπλανητικό χώρο. Τότε οι κοσμικές ακτίνες εισχωρούν και σε μικρά ηλιογραφικά πλάτη ώστε η διάχυση παίζει ελάχιστο ρόλο στη μεταφορά τους μέχρι τη γη (άρτιοι κύκλοι). Αντίθετα αρνητικός βόρειος πόλος του ήλιου οδηγεί σε κλειστή ηλιόσφαιρα, όπου οι κοσμικές ακτίνες εισέρχονται από το ισημερινό επίπεδο του ήλιου. Σ αυτή τη διαμόρφωση της ηλιόσφαιρας η διάχυση παίζει το σπουδαιότερο ρόλο στη μεταφορά των ενδοαστρικών κοσμικών ακτίνων στη γη (περιττοί κύκλοι). Κατά τη διάρκεια τέτοιων χρονικών διαστημάτων αναμένονται μεγάλοι χρόνοι επαναφοράς. Είναι γνωστόν ότι η ενδεκαετής διαμόρφωση της έντασης της Κ.Α. δείχνει μια χρονική υστέρηση έναντι της ηλιακής δραστηριότητας. Αν το φαινόμενο της αλλαγής της πολικότητας υπερτίθεται στο φαινόμενο υστέρησης η καμπύλη υστέρησης κατά τη διάρκεια ενός ηλιακού κύκλου αναλύεται σε δύο βρόγχους. που αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα τις παράλληλες και αντιπαράλληλες καταστάσεις της πολικότητας του γαλαξιακού μαγνητικού πεδίου. Καθώς όμως η αντιστροφή υποτίθεται ότι συμβαίνει γύρω από κάθε ηλιακό μέγιστο [7] η μεταφορά από τον άνω στον κάτω βρόγχο και αντίστροφα αναμένεται να συμβαίνει εναλλάξ κάθε 11 χρόνια. Αν χωρίσουμε την καμπύλη υστέρησης σε δύο τμήματα στα ηλιακά ελάχιστα έτσι ώστε κάθε καμπύλη να αντιστοιχεί σε κάθε περίοδο του αριθμού του ηλιακού κύκλου, τότε οι μοιρασμένες καμπύλες περιγράφουν αντίστοιχα ευρύτερους και στενώτερους βρόγχους όπως φαίνεται στο σχήμα 2β [8]. Στο σχήμα 3 οι παρατηρούμενες καμπύλες υστέρησης των περιττών κύκλων 19 και 21 εμφανίζονται ευρύτερες από τις Σχ. 2 Σχηματική εξάρτηση της καμπύλης υστέρησης της Κ.Α. συναρτήσει της ηλιακής δραστηριότητας. αντίστοιχες των κύκλων 20 και 22. Για να δείξουμε πιο ποιοτικά αυτά τα χαρακτηριστικά των κύκλων δίνουμε στον Πίνακα Ι την εξάρτηση από τον ηλιακό κύκλο της χρονικής υστέρησης της έντασης της Κ.Α. ως προς τον αριθμό των ηλιακών κηλίδων. Η χρονική υστέρηση δείχνει μια 22-ετή περιοδικότητα αφού οι περιττοί κύκλοι παρουσιάζουν συστηματικά μεγαλύτερη υστέρηση από αυτή των άρτιων κύκλων [9]. Έτσι οι καμπύλες υστέρησης του σχ. 3 δείχνουν τα ίδια χαρακτηριστικά με τον Πίνακα Ι παρά το ότι προήλθαν από διαφορετική μέθοδο παρατήρησης και επίσης υποθέτουν ότι η 11-ετής διαμόρφωση της έντασης της Κ.Α. διαμέσου των τεσσάρων αυτών ηλιακών κύκλων έχει διαμορφωθεί από κάποια διαταραχή με 2-ετών περιοδικότητα. Σημειώνουμε ότι ο αριθμός των κηλίδων δεν έχει τάση να παρουσιάζει μια Τέτοια μεταβολή, ενώ μια μικρή διαφορά στο χρόνο υστέρησης (1-1.3 μήνες) στους άρτιους και περιττούς κύκλους οφείλεται στην εξάρτηση από τη δυσκαμψία του χρόνου υστέρησης για την 11-ετή διαμόρφωση των νετρονίων και μιονίων. Πίνακας Ι Εξάρτηση από τον ηλιακό κύκλο της χρονικής υστέρησης της έντασης της Κ.Α. ως προς τον αριθμό των ηλιακών κηλίδων.
Ηλιακός κύκλος 17 18 19 20 21 22 Χρονική υστέρηση (Μήνες) 9 1 10-12 2 16 4 Σχ.3 Παρατηρούμενες καμπύλες υστέρησης των τεσσάρων ηλιακών κύκλων (19, 20, 21, 22) από τα δεδομένα του Climax Μετρητή Νετρονίων 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα ανωτέρω συμπεραίνουμε τα ακόλουθα: 1. Τα χαρακτηριστικά της έντασης της Κ.Α. κατά τη διάρκεια άρτιων κύκλων διαφέρουν συστηματικά και ουσιαστικά από τα χαρακτηριστικά των περιττών κύκλων (χρόνος μεγίστου, φάση επαναφοράς, δευτερογενές μέγιστο). Το φαινόμενο υστέρησης επίσης της Κ.Α. έναντι της ηλιακής δραστηριότητας παρουσιάζεται πολύ έντονο κατά τη διάρκεια περιττών κύκλων. 2. Οι συστηματικές αυτές διαφορές μεταξύ συνεχόμενων 11-ετών κύκλων και οι ομοιότητες μεταξύ εναλλασσόμενων κύκλων είναι σαφείς ενδείξεις της ύπαρξης 22-ετούς διαμόρφωσης της έντασης της Κ.Α. στις ενέργειες των Μετρητών Νετρονίων.
3. Το μοντέλο ανοικτής και κλειστής ηλιόσφαιρας που σχετίζεται άμεσα με τις αντιστροφές της πολικότητας του πολικού μαγνητικού πεδίου του ήλιου εξηγεί τις διαφορές μεταξύ άρτιων και περιττών κύκλων. Διαφορετικές διαδικασίες κατά τη διάρκεια άρτιων και περιττών κύκλων επηρεάζουν τη μεταφορά των Κ.Α. στην Ηλιόσφαιρα και συνεισφέρουν στον ολικό μηχανισμό ηλιακής διαμόρφωσης. Κατά τη διάρκεια άρτιων κύκλων όπου έχουμε ανοιχτή ηλιόσφαιρα ο μηχανισμός διάχυσης των κοσμικών ακτίνων παίζει ελάχιστο ρόλο στη μεταφορά τους προς τη Γη, σε αντίθεση με τους περιττούς κύκλους (κλειστή ηλιόσφαιρα) όπου ο μηχανισμός αυτός είναι επικρατέστερος έναντι του μηχανισμού μεταφοράς. ΑNAΦΟΡΕΣ [1] Forbush, S.E.: Cosmic-ray intensity variations during two solar cycles, J. Geophys. Res. 63, 651-655 1958. [2] Jokipii J.R. and B. Thomas: Effects of drift on the transport of cosmic rays, Astrophys. Journal 243, 111-1124, 1981. [3] Webber W.R. and J.A. Lockwood: Characteristics of the 22-year modulation of cosmic-rays as seen by Neutron Monitors, J. G. R. 93, 8735-8740, 1988. [4] Otaola, J. A. et al.: Difference between even and odd 11-year cycles in cosmic-ray intensity Proc. 19th ICRC (La Jolla) 4, 493-496, 1985. [5] Page D.E.: Expanding our knowledge of the heliosphere Adv. Space Res. 16, 5-23, 1995 [6] Ahluwalia H.. S.: 11-year variation of cosmic-ray intensity and solar polar field reversals, Proc. 16th ICRC (Paris) 5, 182-187, 1979. [7] Babcock H.W.: The topology of the Sun s magnetic field and the 22-year cycle. Astrophys. J. 133, 572-579, 1961. [8] Nagashima K. and J. Morishita: 22-year modulation of cosmic-rays associated with polarity reversal of polar magnetic field of the Sun Planet. Space Sci. 28, 195-205, 1980. [9] Mavromichalaki H. et al.: Simulation of long-term cosmic-ray intensity variation Solar Physics 125, 409-413, 1990.