Home - Scientific activity - Study of modulation effects

Study of modulation effects

Введение

Многолетние измерения космических лучей в атмосфере – это единственный в мире эксперимент, в котором детально изучается поведение космических лучей с энергией > 100 МэВ в зависимости от атмосферного давления или высоты (начиная от поверхности Земли до высот 30-35 км.), уровня солнечной активности и геомагнитных условий на станции наблюдения. Регулярные зондовые измерения были начаты в Мурманской и Московской областях в середине 1957 года и на станции Мирный, Антарктида, в марте 1963 года и продолжаются до настоящего времени. Ряды данных по потокам заряженного излучения в атмосфере к настоящему времени охватывают более 4 полных 11-летних солнечных циклов (частично 19-й цикл и 20-23 циклы). Долговременные ряды данных измерений, продолжительностью 10 лет и более, получены и на других станциях – Алма-Ата, Тикси, Ереван, Ленинград и др. Измерения космических лучей в атмосфере проводились и проводятся в настоящее время ДНС ФИАН в сотрудничестве со многими институтами. В разное время в работах на стационарных пунктах и в широтных морских экспедициях принимали участие сотрудники НИИЯФ МГУ, Полярного геофизического института РАН, Института космофизических исследований и аэрономии РАН, Института прикладной геофизики РОСГИДРОМЕТ, Арктического и Антарктического НИИ РОСГИДРОМЕТ, Казахского государственного университета, Ереванского физического института.

Ряды данных по потокам заряженных частиц, полученные в измерениях в атмосфере, используются при решении многочисленных задач, связанных с модуляцией и влиянием на космические лучи магнитосферных процессов. Из прикладных задач нужно отметить измерения радиоактивности в атмосферных радиоактивных облаках, образующихся от ядерных взрывов или аварий на ядерных предприятиях. Стратосферные данные используются для оценки радиационной обстановки в околоземном пространстве и ее динамики в 11-летнем солнечном цикле. В последние годы стало очевидным, что космические лучи играют существенную, а иногда и определяющую роль в атмосферных процессах, связанных с погодой и климатом. Предложены и широко обсуждаются физические механизмы, связывающие атмосферные процессы с космическим заряженным излучением через ионизацию и электрические характеристики атмосферы.

Многолетние данные по космическим лучам позволяют определить естественный радиационный фон в атмосфере, зависящий от места измерения и времени, что дает возможность следить за изменениями радиационной обстановки на высотах от уровня моря до 30-35 км.

Описание эксперимента

Регулярные измерения космических лучей в атмосфере выполнялись ежедневно (иногда два раза в сутки) до начала 90-х годов. В настоящее время из-за финансовых трудностей они проводятся 3 раза в неделю на станциях Апатиты (Мурманская область), Москва и на станции Мирный (Антарктида). Некоторые характеристики станций приведены в таблице 1. 

 

Для измерения потоков заряженных частиц в атмосфере Земли используются специальные радиозонды, разработанные сотрудниками Долгопрудненской научной станции ФИАН. Конструкция радиозондов и электронной схемы в течение ~50 лет несколько рах изменялись, но детектор частиц и входная часть электроники  (RC-цепь) оставались неизменными. В настоящее время для измерений используются радиозонды "ИКАР-561". Радиозонды поднимаются в атмосферу на аэрологических оболочках и работают при атмосферном давлении от 1000 до ~2 мбар. В состав радиозонда входят блок детекторов, состоящий из двух гейгеровских счетчиков СТС-6, бародатчик, дающий информацию об атмосферном давлении (высоте зонда), электронная схема, блок высоковольтного напряжения (~450 В), радиопередатчик, и батареи питания. Весь прибор находится в пенопластовой коробке для сохранения температурного режима радиозонда. Вес радиозонда в сборке составляет не более 750 г.

Радиозонд регистрирует глобальный поток заряженных частиц (данные одиночного счетчика) и вертикальный поток (данные телескопа). В телескопе между счетчиками расположен 7-мм алюминевый фильтр, который позволяет отделить заряженные частицы радиоактивных элементов от космических лучей. Одиночный счетчик и телескоп имеют следующие пороги по энергии частиц: одиночный счетчик - 0,2 МэВ для электронов и 5,0 МэВ для протонов; телескоп - 5 МэВ для электронов и 30 МэВ для протонов. 

   В состав приемной аппаратуры входят УКВ-радиоприемник, работающий в частотном диапазоне 100-300 МГц, и селектор импульсов, в котором используется персональный компьютер со звуковой картой. Сигналы с приемника поступают на вход звуковой карты компьютера и затем специальной программой  анализируются по длительности. Сигналы, поступающие с одиночного счетчика имеют длителность от 700 до 1000 мкс, сигналы телескопа имеют длительность от 1200 до 2000 мкс.

Таблица 1. Характеристики станций зондовых измерений космических лучей

Место запуска

Географические координаты

Пороговая жесткость, Rc, ГВ

L-

параметр

Период измерений

Ст. Оленья (Апатиты), Мурманская область

68º57'N

33º03'E

0,6

5,5

1957-наст. время

Мирный, Антарктида

6634'S

92º55'E

0,03

~20

1963-наст. время

Долгопрудный, Московская область

55º30'N

37º18'E

2,43

2,49

1957-наст. время

На границу атмосферы из межпланетного пространства падает поток галактических космических лучей (ГКЛ), состоящий, главным образом, из протонов и ядер гелия. При прохождении через атмосферу энергия первичных частиц расходуется на образование вторичных космических лучей, на ионизацию и возбуждение атомов среды. Поток вторичных частиц – в основном электронов и мюонов – сначала растет от границы атмосферы, затем на высоте 20-25 км проходит через максимум, после которого число частиц быстро падает.

В результате отдельного измерения получают высотный профиль КЛ от уровня земли до высоты 30-35 км – зависимость скорости счета детектора n(x) от атмосферного давления x. Примеры типичных высотных кривых показаны на рис. 1, где приведены среднемесячные скорости счета n(x) гейгеровского счетчика и счетчикового телескопа в Мирном в периоды минимума (1996 г.) и максимума (2000 г.) текущего 23-го цикла солнечной активности.

Рис. 1. Средняя за месяц скорость счета заряженных частиц n(x) в зависимости от атмосферного давления x, полученная на станции Мирный, Антарктида, в периоды минимума (1996 г.) и максимума (2000 г.) солнечной активности. Две верхние кривые получены с помощью одиночного счетчика, две нижние кривые получены с помощью счетчикового телескопа (скорость счета телескопа умножена на 3).

 

Существенным дополнением к данным стационарных станций являются данные, полученные в атмосфере на различных широтах во время морских экспедиций. По широтным данным устанавливают связь между потоками ГКЛ на границе атмосферы и вторичным излучением в ее глубине. Широтные данные позволяют определить атмосферные пороги Ra(x), связанные с поглощением частиц слоем вещества над прибором, а также медианную энергию Rm(x) первичного излучения на стационарных станциях. Величина широтного эффекта в стратосфере более чем на порядок превышает величину широтного эффекта для нейтронов на уровне моря, что в значительной степени компенсирует более низкую статистическую обеспеченность стратосферных данных и делает их вполне пригодными для проверки расчетных геомагнитных порогов обрезания Rc. Широтные измерения, приуроченные к максимумам и минимумам солнечной активности, проводились по программам Советских антарктических экспедиций в 1964-1965, 1968-1969, 1970-1971, 1975-1976, 1979-1980 и 1986-1987 гг. На рис. 2 показаны результаты стратосферных измерений, проведенных в минимуме солнечной активности 1987 года.

Солнечная активность и космические лучи

   Одной из важных характеристик нашего Солнца является солнечная активность, которая испытывает циклические вариации. На поверхности Солнца и в его атмосфере эти вариации проявляются в виде периодических (11- и 22-летних, годовых и 27-дневных) изменений многочисленных характеристик Солнца – чисел Вольфа, площади солнечных пятен, количества солнечных вспышек, электромагнитного излучения в различных диапазонах частот. Большинство из этих характеристик хорошо коррелирует с интенсивностью ГКЛ, хотя и не имеет прямого отношения к модуляции космических лучей. В качестве индекса солнечной активности наиболее часто используют числа Вольфа или относительные числа солнечных пятен Rz, корреляция которых с интенсивностью космических лучей хорошо видна на рис. 3. Коэффициент корреляции между интенсивностью космических лучей и Rz за 40-летний период наблюдений равен -0.8.

Рис. 2. Зависимость скорости счета n(x) от атмосферного давления x при различных значениях геомагнитного порога обрезания Rc в минимуме солнечной активности 1987 г. Две верхние кривые - данные высокоширотных станций Мирный (Антарктида, Rc = 0,03 ГВ) и Мурманск (Rc = 0,6 ГВ), нижняя кривая - район геомагнитного экватора (Rc = 14 ГВ). Остальные кривые получены при значениях Rc в интервале  0.6 < Rc < 14 ГВ.


Рис. 3. Временной ход относительного числа солнечных пятен Rz (верхняя кривая) и потока космических лучей n(x), измеренного в интервале давления 20-30 г×см-2 на станции Мирный (нижняя кривая). Приведены среднемесячные значения.

Физическими факторами, влияющими на интенсивность ГКЛ в околоземном пространстве, являются гелиосферное магнитное поле (ГМП) и скорость солнечного ветра. Корональная плазма (или солнечный ветер), которая непрерывно вытекает в межпланетное пространство из верхней атмосферы Солнца, образует вокруг него протяженную гелиосферу, размеры которой оцениваются в ~ 100 а.е. Земля в такой гелиосфере расположена глубоко внутри. Космическое излучение движется из межзвездной среды внутрь гелиосферы сквозь вмороженные в плазму магнитные поля. Свойства гелиосферной плазмы – ее скорость, плотность, напряженность и возмущенность ГМП, наклон гелиосферного токового слоя – периодически, с периодом примерно равным 11 лет, изменяются. При этом изменяются и условия прохождения ГКЛ через гелиосферу, и первичное галактическое излучение модулируется с тем же 11-летним периодом.

В современной теории модуляции взаимодействие ГКЛ с солнечной плазмой и гелиосферными магнитными полями описывается с помощью четырех конкурирующих процессов – диффузии ГКЛ в возмущенном магнитном поле, конвективного выноса частиц к границам гелиосферы со скоростью солнечного ветра, дрейфа в крупномасштабном ГМП и адиабатического изменения энергии частиц. Совместное действие этих процессов формирует в каждой точке гелиосферы, в том числе на орбите Земли на 1 а.е., плотность космических лучей, которая измеряется во многих экспериментах. Модуляция ГКЛ изучается в различных диапазонах энергии. Диапазон энергии от нескольких сотен МэВ и меньше традиционно изучается на спутниках Земли и дальних космических аппаратах. ГКЛ с энергией больше нескольких ГэВ изучаются на нейтронных мониторах. Наши данные, полученные в атмосфере, относятся к промежуточному интервалу энергии 108-2×1010 эВ.


Рис. 4. Потоки космических лучей на станции Мурманск в зависимости от времени в интервале атмосферного давления 20-200 г×см-2 (верхняя кривая – давление 20-30 г×см-2, нижняя кривая – давление 180-200 г×см-2).

Зависимость потока космических лучей от времени, отражает, по существу, зависимость от солнечной активности. Для ряда уровней атмосферного давления от 20 до 200 г×см-2 (высота 26,6-11,8 км по стандартной атмосфере) скорость счета n(x) на станции Мурманск показана на рис. 4. Изменения n(x) в солнечном цикле составляют 40-50 % в интервале давления 20-30 г×см-2 (верхняя кривая) и ~ 25 % в интервале 180-200 г×см-2 (нижняя кривая на рис. 4). Разница в амплитуде изменений объясняется тем, что в глубине атмосферы не регистрируются низкоэнергичные космические лучи (и продукты их взаимодействия с атмосферой), которые имеют самые большие изменения в 11-летнем солнечном цикле.

Связь потоков космических лучей с характеристиками межпланетной среды

За 50 лет измерений на высокоширотных станциях в северном и южном полушариях Земли и на среднеширотной станции Москва получены однородные ряды экспериментальных данных, позволяющих изучать модуляцию потоков космических лучей в интервале энергий от  ~ 150 МэВ до ~ 20 ГэВ солнечной активностью на протяжении 5 солнечных циклов. Важно отметить, что результатом стратосферных измерений космических лучей на высоких широтах (Мурманск с середины 1957 г.) стал самый длинный в мире однородный ряд потоков частиц с энергией выше ~ 150 МэВ, тогда как наземные измерения относятся к космическим лучам более высоких энергий (выше нескольких ГэВ).

На рис. 5 и 6 показаны примеры корреляции потоков космических лучей по данным стратосферных измерений и характеристиками солнечной плазмы – напряженностью межпланетного магнитного поля на орбите Земли B и наклоном гелиосферного токового слоя (напрашивается ссылка!).

Как видно и рис. 5 имеется корреляция между потоком галактических космических лучей (красная кривая) и величиной напряженности межпланетного магнитного поля (синяя кривая). В начальный период измерений межпланетного магнитного поля (с ~1966 года до ~1975 года) надежность измерений была, по видимому не высока. Для периода 1975-2000 гг. коэффициент корреляции r между величинами B2 и n(x) равен r(B2, n(x)) = -0,87 +/-0,05 (при временном сдвиге ~ 3-4 месяца между рядами данных). С середины 70-х годов n(x) и B изменяются в противофазе – в периоды минимумов солнечной активности, когда интенсивность космических лучей максимальна, магнитное поле B мало, а в периоды максимумов солнечной активности магнитное поле возрастает в ~1.7 раза, а интенсивность космических лучей падает.

Рис. 5. Скорость счета космических лучей n(x) в интервале давления 20-30 г×см-2 на станции Мирный (красная кривая) и напряженность межпланетного магнитного поля  B на орбите Земли в период 1964-2004 гг.


Среди характеристик гелиосферы явная 11-летняя периодичность проявляется также в наклоне гелиосферного токового слоя (ГТС). В гелиосфере токовый слой разделяет магнитные поля противоположного направления. Наклон ГТС к плоскости гелиоэкватора определяет угловые размеры секторной зоны – части гелиосферы, в пределах которой гелиосферное магнитное поле является переменным по знаку. Секторная зона характеризуется повышенной возмущенностью гелиосферной плазмы, связанной с существованием в ней потоков солнечного ветра разной скорости. Скорость ветра в секторной зоне изменяется от 400 до 600 км/с и более, что приводит к набеганию высокоскоростных потоков на более медленный ветер, что приводит к образованию неоднородностей межпланетного магнитного поля, которые и определяют модуляцию космических лучей. Поток галактических космических лучей около Земли чувствителен к размерам секторной зоны и хорошо коррелирует с наклоном ГТС (рис. 6). Магнитное поле в секторной зоне сильно возмущено, что затрудняет диффузию космических лучей. В периоды минимумов солнечной активности угловые размеры секторной зоны равны 10-15° и в гелиосфере наблюдается максимальный поток космических лучей. В периоды максимумов солнечной активности угол наклона ГТС к гелиоэкватору возрастает до 60-70°, почти вся гелиосфера возмущена и поток галактических космических лучей существенно подавлен.


Рис. 6. Временные зависимости потока космических лучей n(x), полученные в интервале давления 20-60 г×см-2 на станции Мирный (красная кривая), и наклона гелиосферного токового слоя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чарахчьян А.Н. Исследование флуктуаций интенсивности космических лучей в стратосфере, вызываемых процессами на Солнце. УФН, 1964, т. 83,
вып. 1, с. 35-62.
2. Чарахчьян А.Н., Базилевская Г.А., Стожков Ю.И., Чарахчьян Т.Н. Космические лучи в стратосфере и околоземном пространстве в период 19-го и 20-го циклов солнечной активности. Труды ФИАН. М.: Наука, 1976, т. 88, с. 3-50.
3. Голенков А.Е., Охлопков В.П., Свиржевская А.К., Свиржевский Н.С., Стожков Ю.И. Планетарное распределение интенсивности космических лучей
по измерениям в стратосфере. Труды ФИАН. М.: Наука, 1980, т. 122, с. 3-14.
4. Чарахчьян А.Н., Базилевская Г.А., Стожков Ю.И., Чарахчьян Т.Н. Временные изменения интенсивности космических лучей в атмосфере. Труды ФИАН. М.: Наука, 1980, т. 122, с. 15-33.
5. Bazilevskaya G.A., Krainev M.B., Stozhkov Yu.I., Svirzhevskaya A.K., Svirzhevsky N.S. Long-term Soviet program for the measurement of ionizing radiation in the atmosphere. Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, 1991, v. 43, Suppl., p. 893-900.
6. Bazilevskaya G.A., Svirzhevskaya A.K. On the stratospheric measurements of cosmic rays. Space Science Reviews, 1998, v. 85, No. 3-4, p. 431-521.
7. Stozhkov Y.I., Svirzhevsky N.S., Makhmutov V.S. Cosmic ray measurements in the atmosphere. In: J. Kirkby (ed.), Proceedings Workshop on Ion-Aerosol-Cloud Interactions. CERN, Geneva, Switzerland, 18-20 April 2001. CERN-2001-007, Experimental Physics Division, Geneva: CERN Scientific Information Service-640, 2001, p. 41-62.
8. Стожков Ю.И., Свиржевский Н.С., Базилевская Г.А., Махмутов В.С., Свиржевская А.К. Исследования космических лучей в атмосфере Арктики и Антарктики. Арктика и Антарктика. М.: Наука, 2004, вып. 3 (37), с. 114-148.