Энергетические спектры потоков протонов солнечных космических лучей и проблема достоверности экспериментальных данных

• Автор: Моттль, Дмитрий Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Глава 1. Энергетические спектры протонов

1.1. Степенные функции от энергии и жесткости протонов CKJI

1.2. Анализ других представлений энергетического спектра

Глава 2. Достоверность экспериментальных данных

2.1. Описание баз данных

2.2. Методы анализа баз данных

2.3. Систематические ошибки измерения энергетических спектров протонов

2.4. Систематические ошибки измерения в отдельных каналах измерительных приборов

2.5. Определение достоверности измерений по данным разных приборов

2.6. Коррекция данных GOES и анализ результатов статьи Smart и Shea

Глава 3. База данных энергетических спектров событий CKJI

Глава 4. Параметры энергетических спектров CKJI
4.1. Спектральные индексы и их распределение
4.2. Зависимость спектральных индексов от величины события
4.3. О зависимости спектрального индекса от уровня солнечной активности
4.4. Общие замечания и дискуссия
Выводы
Благодарности
Библиографический список используемой литературы

Потоки заряженных частиц в событиях солнечных космических лучей (СКЛ) и их энергетические спектры являются объектом внимания исследователей, по крайней мере, половину столетия. Это обусловлено двумя основными причинами.
С одной стороны, энергетические спектры СКЛ, регистрируемые искусственными спутниками Земли, а иногда и косвенными методами в глубине земной атмосферы и на поверхности Земли, являются носителями информации о физических процессах ускорения заряженных частиц на Солнце и распространения этих частиц в межпланетном пространстве. Экспериментальные данные об энергетических спектрах СКЛ являются при этом индикатором степени справедливости тех или иных теоретических моделей, описывающих названные физические процессы.
С другой стороны, потоки частиц СКЛ являются одним из основных факторов радиационного воздействия, которому в космическом пространстве подвергаются как космические аппараты, так и человек, независимо от того, находится он на борту орбитальной станции или межпланетного корабля. От достоверного знания величин потоков частиц разных энергий, т.е. их энергетических спектров, зависит как работоспособность космических аппаратов, так и здоровье и жизнь космонавтов (см., например, Мирошниченко и Петров, 1985, Panasyuk, 2001; Reames 2001; Miroshnichenko, 2003).
Вопросу о функциональной форме энергетических спектров посвящено относительно много работ. Одни исследователи предсказывают ту или иную функциональную форму энергетического спектра, при этом практически не затрагивая вопроса, согласуется ли их аппроксимации с экспериментальными данными (Fermi E., 1949; Гинзбург В.Л., 1990; Галеев A.A. и др., 1975; Горев В.В. и др., 1976; Dröge W., 2000; Duggal S.P., 1979 и др). Другие, исходя из самых разных теоретических моделей ускорения и распространения частиц,
сравнивают результаты своих работ с теми экспериментальными данными, которые, на их взгляд, подтверждают выводы их теоретических расчетов (Ellisson and Ramaty, 1985; Mazur et al.,1992; и др.).
Но есть и работы, где авторы ставят своей единственной целью выбор аппроксимации, которая наилучшим образом описывает некоторую определенную совокупность экспериментальных данных (King, 1974; Freier, 1962; Freier and Webber, 1962; Базилевская и др., 1972; Kontor и др. 1981; Van Hollebeke et al., 1975; Goswami et al., 1988; Shurshakov et al., 1999; Xapsos et ah, 2000).
Первая глава настоящей работы посвящена определению функции, наиболее точно (с минимальными отклонениями) аппроксимирующей экспериментальные данные потоков протонов в событиях СКЛ в широкой области энергии (5 10 ООО МэВ). Разработаны несколько статистических
методов, которые позволили определить искомый функциональный вид энергетических спектров протонов с высокой степенью достоверности.
До настоящего времени в этой области исследований все авторы руководствовались результатами конкретного эксперимента, не обращая внимания на то, что их выводы, базирующиеся на данных одного прибора, могут расходиться с обобщенными данными других экспериментов.
Процесс накопления экспериментальных данных в области исследования космических лучей начался более пятидесяти лет назад, но только сейчас появились достаточно длинные ряды мониторных данных, позволяющие сравнивать результаты измерений, относящихся к одним и тем же событиям СКЛ, но выполненные разными приборами.
Уместно отметить, что при создании всемирной базы данных сечений ядерных реакций в последнем десятилетии было неожиданно обнаружено, что систематические ошибки, характеризующие результаты измерений сечений одних и тех же реакций, иногда десятикратно превышают статистические ошибки отдельных экспериментов. И это происходит в условиях лаборатории, где исходные потоки частиц (природа, направление, энергия) контролируются
Глава 2. Достоверность экспериментальных данных
Достоверность и точность исследования спектров протонов СКЛ существенно зависят от того, на основе каких баз данных (относящихся к измерениям, выполненным разными инструментами на разных спутниках, или другими, косвенными методами) производился анализ энергетических спектров.
В научной литературе вопрос о достоверности и точности мониторных рядов экспериментальных данных по измерению потоков протонов СКЛ, хотя и поднимался (см. Введение), однако последовательно и детально не изучался. Каждый исследователь, задавшийся целью установить аналитический вид энергетических спектров потоков протонов, как правило, выбирает небольшое количество экспериментальных данных, относящихся к одному или к нескольким событиям СКЛ, измеренным каким-либо одним инструментом (методикой), и не сравнивает, в какой степени полученный им результат согласуется с другими экспериментальными данными (Kontor, 1981; Ellisson и Ramaty, 1985; Lockwood et al. 1974, 1990; Mazur et al. 1992).
Ниже приводится аналитический обзор основных мониторных рядов экспериментальных данных, которые служат для составления баз данных СКЛ, выполненных разными авторами. Далее изучаются и анализируются систематические ошибки как в отдельных измерительных каналах основных приборов, так и достоверность экспериментальных данных приборов в целом.
2.1. Описание баз данных
Существует много экспериментальных данных, но большинство из них относится к кратковременным измерениям, в результате которых получено лишь небольшое количество данных по событиям СКЛ. Ввиду наличия достаточно больших статистических и систематических ошибок использование таких экспериментальных данных для установления достоверных энергетических спектров, скорее всего, может привести к ошибочным результатам. Более того, как правило, энергетический диапазон