Результаты мониторинга космических лучей с помощью многоканального комплекса

При разработке методов мониторинга в обеспе чении прогнозов явлений в атмосфере и околозем ном космосе ( космическая погода ) большое значе ние имеют исследования вариаций космических лучей ( КЛ ) галактического и солнечного происхож дения , так как они реагируют на процессы в косми ческом пространстве , в магнитосфере и атмосфере Земли . Эта реакция обусловлена взаимодействием КЛ с магнитными полями и веществом , наполняю щим пространство . Указанные процессы взаимодей ствия приводят к изменениям интенсивности , энер гетического спектра , ядерного состава и простран ственного распределения КЛ .

Геофизические эффекты космических лучей , в основном , обусловлены процессами в магнито сфере и атмосфере Земли . Вклад этих эффектов для регистрируемых на уровне моря космических лучей различных энергий не одинаков . Многока нальный наблюдательный комплекс КЛ в Новоси бирске обеспечивает получение информации о вариациях интенсивности КЛ в области энергий от 3 до 200 ГэВ с различных азимутальных на правлений под различными углами к зениту .

Метод мониторинга геофизических парамет ров с помощью космических лучей

Метод основан на использовании данных мно гоканальных синхронных наблюдений нуклонной компоненты в различных энергетических интер валах и мюонной компоненты под различными углами к зениту в одном пункте ( с помощью од ной установки ).

Вариации интенсивности , регистрируемой ка налом k установки в пункте c на уровне h 0 атмо сферы , связаны с первичным спектром КЛ D ( R ), жесткостью геомагнитного обрезания R c , темпера турой T атмосферы и атмосферным давлением h следующим образом :

( h o , t ) = [ ^D ( R , t)W_t ( R , h o ) dR-

I k_{c           R c} D

-AR c ( t )W_k ( R c , h o ) + <  exp

- J Pk(h)dh h0

- 0 +

i J w ( T o , h o , h ) A T ( h, t) dh,                          (1)

где

Wk(R, h0) – функция энергетической чувстви- тельности канала k, или коэффициент связи согласно определению [Дорман, 1975]; βk(h) – барометрический коэффициент канала k; w(T0, h0, h) – функция плотности температурных коэффициентов, отражающая вклад слоев атмосферы в создание интегрального температурного эффекта интенсивности; ΔT(h) – временные вариации температуры атмосферы в зависимости от высоты. Интегральный (от всей атмосферы) температурный эффект интенсивности мюонов, регистрируемых установкой на уровне h0 атмосферы, представлен [Дорман, 1972] выражением hn

— ( T ) = J w ( T o , h o , h ) A T ( h ) dh = ^ a i A T .     (2)

I o                                            i = 1

Интеграл можно заменить суммой , где α _i – доля температурного коэффициента , определяемая ин тегрированием w ( T 0 , h 0 , h ) по слою i атмосферы ; Δ T i – изменения температуры слоя i атмосферы относи тельно среднего ( опорного ) значения . Интеграл (2) допускает применение теоремы о среднем , тогда

^{A I} ( T ) = w ( T , h, h ) J A T ( h ) dh или I ₀

^{A I}(T ) = a„ A T , a AT

_I            см c м ^, см

n

У A T A h_;

ii i=1

n

Z A hi i =1

Результаты мониторинга космических лучей с помощью многоканального комплекса

Таким образом , интегральный температурный эф фект интенсивности мюонов может быть представлен как эффект среднемассовой температуры атмосферы .

Вариации , обусловленные изменениями атмо сферного давления

A- (h )=

h

- J p k (h)dh h0

-

1 ^ ,

на основании результатов работы [Yanchukovsky et al., 1997] можно представить как

A- ( h ) = P ( h , R ) [ 1 - rF ( k ) ] ,

где P ( h , R ) – функция , учитывающая зависимость ве личины барометрического эффекта как от атмосфер ного давления , так и от характеристик регистрируемо го излучения , r =0/3086, F ( k ) – соотношение энергети ческих порогов каналов k и k =1 [Yanchukovsky et al., 1997]. В грубом приближении можно использовать постоянные барометрические коэффициенты для ка налов комплекса , тогда составляющая вариаций ин тенсивности за счет атмосферного давления имеет вид

у ( h ) = { ^exP ^{[ -}P k ( h ^- h o ) ] ^- 1 } .

Вариации интенсивности первичного потока КЛ в выражении (1) представим в виде степенного ряда

2004        2005        2006        2007        2008        2009        2010

2004        2005        2006        2007        2008        2009        2010

Рис . 1. Мониторинг геофизических параметров с по мощью космических лучей за 2004–2010 гг . на станции Новосибирск .

_D ( R , t )= B 1 ( t ) R ^–1+ B 2 ( t ) R ^–2+ B 3 ( t ) R ^–3…

Это позволяет перейти от системы уравнений (1) к системе линейных уравнений вида

J k ( t ) = A 1 k B 1 ( t ) + A k B 2 ( t ) + A 3 k B 3 ( t ) -          (5)

-V_k AR c ( t ) + P ( t , h , R ) [ 1 - rF k ] + a J ( t ) ,

где     -jh ( h o , t ) = Jk ( t ) ;

^Ik c

M

A 2 k = J R "2 W k ( R , h 0 ) dR ;

R

M

A 1 k = J R^-1w_k ( R , h o ) dR ;

R c

A 3 k = J R "³ W k ( r , h o ) dR ;

R c

W k ( R c , h 0 ) = V k ; A T ( t ) = T ( t ) .

Неизвестные B 1, 2, 3 , Δ R c ( t ), P ( t ), T ( t ) находились из решения системы уравнений (5) методом наи меньших квадратов с использованием метода регу ляризации по Тихонову [ Калиткин , 1978].

Результаты

Были привлечены данные непрерывных наблю дений КЛ с помощью многоканального комплекса в Новосибирске за 2004–2010 гг . Поскольку измере ния в каналах наблюдательного комплекса неравно точные , то для приведения системы уравнений (1) к системе равновесных уравнений шаг и кратность сглаживания выбирались на основании распределе ния статистических весов каналов измерений . Полу ченные из решения системы уравнений (5) результа ты для всего периода наблюдений 2004–2010 гг . показаны на рис . 1. Нижними двумя кривыми на рисунке показаны исходные данные – вариации ин тенсивности общей ионизующей и нейтронной ком поненты КЛ , наблюдаемые на уровне моря . Следую щие ( выше ) две кривые на рисунке отражают вариа ции интенсивности общей ионизующей и нейтронной

компоненты КЛ , освобожденные от вариаций атмо сферного происхождения без привлечения метеоро логических данных . Далее ( пятая кривая снизу ) изо бражены изменения атмосферного давления . Шес тая ( снизу ) кривая – изменения среднемассовой температуры атмосферы , найденные в данных о ва риациях интенсивности КЛ ; точками здесь указаны результаты прямых измерений ( данные аэрологиче ского зондирования ). Седьмой кривой снизу показа ны изменения жесткости геомагнитного обрезания Δ R c ( t ). Верхние кривые отражают вариации интенсив ности первичного потока КЛ Δ D / D ( R , t ) для частиц с жесткостью (4 и 50 ГВ ) за пределами атмосферы и магнитосферы .

Заключение

Таким образом , многоканальные наблюдения КЛ , с одной стороны , обеспечивают получение ин формации о вариациях потока первичного излуче ния в различных областях энергий , а с другой – да ют возможность проводить мониторинг геофизиче ских параметров в реальном времени .

Приведенные результаты за длительный период (2004–2010 гг .) получены путем анализа только изо тропной составляющей вариаций интенсивности КЛ в одном пункте , представленной выражением (1). Данные матричного телескопа на всем временном интервале проинтегрированы по азимутальному углу . Для исследования анизотропии КЛ необходи мо учитывать направленные свойства используемых детекторов КЛ . Получать информацию о вариациях

В.Л. Янчуковский, В.С. Кузьменко, Е.Н. Анцыз углового и энергетического распределения первичных КЛ за пределами магнитосферы Земли позволяет метод спектрографической глобальной съемки (СГС), разработанный в ИСЗФ СО РАН [Дворников и др. 2001; 2003; 2005]; в его рамках мировая сеть станций КЛ, распределенных по земному шару, рассматривается как единый прибор. Нейтронные мониторы мировой сети, данные которых используются при СГС, позволяют регистрировать энергии от единиц до нескольких десятков ГэВ. Привлечение данных новосибирского комплекса расширит энергетический диапазон до нескольких сотен ГэВ, увеличит наблюдательную базу наземных измерений КЛ и повысит достоверность результатов метода СГС.

Работа выполнена при поддержке Президиума РАН : проект 8.2 « Космические лучи в гелиосфер ных процессах по наземным и стратосферным на блюдениям » в рамках программы № 8 « Физика ней трино и нейтринная астрофизика » и Российского фонда фундаментальных исследований ( грант № 09-02-12022- офи - м ).