О некоторых возможностях регулярного баллонного мониторинга космических лучей в Апатитах и Долгопрудном для изучения магнитосферных эффектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Полярный геофизический институт, РАН

О некоторых возможностях регулярного баллонного мониторинга космических лучей в Апатитах и Долгопрудном для изучения магнитосферных эффектов

М.Б. Крайнев, Г.А. Базилевская, Б.Б. Гвоздевский

Аннотация

магнитосферный балонный космический луч

Обсуждаются проявления магнитосферных эффектов (прежде всего высыпаний релятивистских электронов, также вариаций геомагнитного поля) в данных эксперимента регулярного баллонного мониторинга космических лучей, проводимого ФИАН с 1957 г., а также пути повышения качества эксперимента и интерпретации его результатов с использованием т.н. детальной информации, получаемой в эксперименте в последние десятилетия.

Abstract

Krainev M.B., Bazilevskaya G.A., Gvozdevsky B.B.

On potentialities of the regular balloon monitoring of cosmic rays in Apatity and Dolgoprudny for studying magnetospheric effects

The manifestations are discussed of the magnetospheric effects in the results of the experiment on the regular balloon monitoring of cosmic rays carried out by LPI since 1957. By the magnetospheric effects we mean, first of all, the relativistic electron precipitations and also the geomagnetic field variations. Besides, the ways of improving the quality of data and their interpretation are discussed, using the detailed information, recorded in the experiment in the last decades.

Введение

Регулярный баллонный мониторинг (РБМ) космических лучей в земной атмосфере проводится ФИАН им. П.Н. Лебедева с 1957 г., в настоящее время - три раза в неделю в Апатитах, Долгопрудном и обс. Мирный (Антарктика). Прибор РБМ (два счётчика Гейгера, бародатчик, радиопередатчик) описан во многих работах [1, 2]. Стандартная информация (СИ) РБМ состоит из количества зарегистрированных наземной аппаратурой импульсов, генерированных передатчиком при прохождении через детекторы ионизирующих частиц, а также давления за каждую минуту полёта. Результаты РБМ широко используются при исследованиях галактических и солнечных космических лучей [3, 4]. Кроме того, опубликована обширная база характеристик высыпаний высокоэнергичных электронов (ВВЭ), зарегистрированных в эксперименте РБМ [5].

В последние десятилетия (с 1996 г. в Долгопрудном и с 2005 г. в Апатитах), помимо СИ, регистрируется также детальная информация (ДИ) - форма каждого зарегистрированного импульса (см. [6-8]). В статье после описания прибора и типов данных РБМ (раздел 2) кратко обсуждаются основные результаты анализа ВВЭ по данным СИ РБМ в Апатитах, а также другие возможные проявления геомагнитных эффектов в РБМ (раздел 3). В следующем разделе 4 приводятся типичные примеры детальной информации, зарегистрированной в полётах РБМ в Апатитах и Долгопрудном. На этих примерах реальная работа прибора сравнивается с идеальной и обсуждаются возможные проявления магнитосферных эффектов. Наконец, в разделе 5 сформулированы пути использования ДИ РБМ для повышения качества эксперимента и интерпретации его результатов.

Эксперимент РБМ и типы первичных результатов эксперимента

Эксперимент РБМ, его стандартный прибор, наземная аппаратура и идеальная схема, по которой он должен функционировать, неоднократно описаны [1, 2, 8]. При прохождении любой ионизирующей частицы через стенку одиночного счётчика Гейгера-Мюллера радиопередатчик генерирует импульс заданной длительности L₁ 900 мкс. Аналогично при прохождении любой ионизирующей частицы через три стенки счётчиков, образующих вертикальный телескоп, радиопередатчик генерирует импульс заданной длительности, причём она зависит от того, замкнут контакт бародатчика () или нет ( 1600 мкс). Амплитуда U^d импульса, испущенного в направлении наземного приемного пункта, зависит от угла между этим направлением и подвеской и изменяется в процессе раскачки зонда с периодом 6 с.

Наземный радиоприёмник выделяет все импульсы с амплитудой U^r > U_th = 0.7 B и длительностью L > L₁=550 мкс, количество которых за каждую минуту полёта зонда N₁ регистрируется. Аналогично регистрируется также количество импульсов N₂ с L > L₂=1250 мкс. По моментам начал и концов замыкания i-ых контактов бародатчика (i=7) за каждую минуту полёта зонда, используя результаты предполётной градуировки бародатчика, определяется давление (или количество вещества атмосферы над прибором X, г/см²). Кроме того, счётчики и телескопы также проходят предполётную градуировку, результатом которой являются поправки для приведения характеристик счётчиков (размеры, эффективности), которые изменялись за более, чем 60 лет эксперимента, к стандартным. Набор N_1, N₂, X за каждую минуту полёта зонда вместе с поправками и представляет собой стандартную информацию РБМ, получаемую в разных точках с 1957 г.

Как уже упоминалось, с 1996 г. в Долгопрудном и с 2005 г. в Апатитах, параллельно с СИ, регистрируется также детальная информация - форма каждого зарегистрированного импульса. Каждый принятый импульс с амплитудой U^r > 0.16 B и длительностью L > 25 мкс оцифровывался с периодом ?L =25 мкс и время t_i и напряжение U_i каждого отсчёта регистрировались. Таким образом, информация, содержащаяся в ДИ, значительно больше той, что содержится в СИ. Это означает, что ДИ может быть использована как для воспроизводства и контроля СИ, так и изучения ионизирующего излучения в атмосфере Земли со значительно большим разрешением как по времени, так и по длительности импульсов и их амплитуде.

Основные результаты по эффектам магнитосферы, полученные из стандартной информации РБМ

В последнее время характеристики более 500 событий ВВЭ, зарегистрированных в эксперименте РБМ в Мурманской области с 1961 г. и собранных в каталоге [5], были проанализированы в основном для выявления их корреляций с индексами активности Солнца, солнечного ветра и гелиосферного магнитного поля, а также с характеристиками земной магнитосферы [9-10].

Если кратко сформулировать результаты этого анализа, 1) показана устойчивая связь ВВЭ с гелиосферными и магнитосферными индексами, характерная для общих представлений о поведении электронов внешнего радиационного пояса во время магнитных бурь и суббурь; 2) продемонстрирован возрастающий тренд с 1960-х до середины 2000-х годов в однородном ряде частоты ВВЭ, отсутствующий в межпланетных и магнитосферных процессах и, возможно, связанный с влиянием наземных радиопередатчиков, работающих в ОНЧ-диапазоне.

Однако кроме ВВЭ в данных РБМ можно ожидать и другие проявления геомагнитных эффектов. Это связано с тем, что в каждом полёте зонд РБМ в течение примерно полчаса находится в области низкой плотности и высокой интенсивности ионизирующего излучения и в регистрируемой в эксперименте информации могут проявляться геомагнитные вариации, а также, например, тонкая структура ВВЭ. Но извлечь эти проявления, имея лишь данные с разрешением 1 минута (СИ), трудно.

Детальная информация РБМ ДИ в Апатитах и Долгопрудном

В качестве примера ДИ на Рис. 1 приведено распределение всех зарегистрированных импульсов по длительности N(L), а на Рис.2 - временной ход мгновенной скорости счёта МСС, 1/(t_i+1-t_i), амплитуды U_i и длительности L_i каждого импульса, зарегистрированного в полете в Апатитах 24.07.2017.

Кроме «нашлепок» на высотной кривой скорости счета в конце полета, заметных на верхней панели Рис. 2 и связанных с двумя ВВЭ (или c одним, но сложного профиля), на Рис.2 видны сильные колебания амплитуды импульсов, видимо, связанных с болтанкой (колебаниями зонда) и сильные колебания, увеличение и разброс длительности импульсов непонятного происхождения, заметные также на Рис. 1. В данном полете длительность импульсов возрастала, но часто она уменьшается, становится меньше порога, что приводит к просчётам, если не изменять соответствующим образом порог регистрации.

На верхней панели Рис.3 для периода ВВЭ показана образованная из ДИ скорость счета одиночного счетчика, усредненная за 1 сек (верхняя панель), а на нижней панели - амплитуда вэйвлет-преобразования полученного временного ряда (с второй производной от гауссовской функции в качестве материнского вэйвлета). Видно, что в интенсивности ионизирующей компоненты присутствует целый спектр колебаний в том числе 5-ти минутные, но для указания уровня их достоверности надо выделить в исследуемом временном ряду шум, т.е. случайную составляющую, что пока не сделано.

Рис. 1 Распределение по длительности всех зарегистрированных импульсов в полете 24.07.2017 в Апатитах. Две вертикальные штриховые линии отмечают пороги регистрации СИ по длительности

Рис. 2 Временной ход мгновенной скорости счёта (верхняя панель, левая логарифмическая шкала), амплитуды (средняя панель) и длительности (нижняя панель) каждого импульса, зарегистрированного 24.07.2017 в Апатитах

Черными точками на верхней панели показана усредненная за 1 мин скорость счета в линейном (правая шкала) масштабе. Более светлыми (красными) точками показаны характеристики всех импульсов от момента начала хороших данных (НХД) и до начала обратного хода (НОХ), отмеченных вертикальными штриховыми линиями. Пунктирными линиями выделен интервал времени, для которого проведён анализ колебаний скорости счёта, иллюстрированный на Рис. 2

Рис. 3 Усредненная за 1 сек (светлые/красные линии) скорость счета одиночного счетчика в период, отмеченный пунктирными линиями на Рис. 2 (верхняя панель) и амплитуда ее вэйвлет-преобразования (нижняя панель). Чёрной линией на верхней панели показана скорость счёта, сглаженная с периодом 300 с

В приборе РБМ, полет которого иллюстрирован на Рис. 1-3, как и во всех приборах после 2010 г., отсутствовал телескоп, что, конечно, сказалось на распределении по длительностям и т.д. Отметим, что в этой ситуации разделять события ВВЭ и сбои в аппаратуре, приводящие к всплескам скорости счёта, иногда затруднительно. В этой ситуации интересно, что во многих полётах в Долгопрудном также наблюдаются события, очень напоминающие ВВЭ, хотя геомагнитная широта Долгопрудного не позволяет отнести эти явления к высыпанию релятивистских электронов из внешнего радиационного пояса. Интересно сопоставить спектр вариаций интенсивности ионизирующей компоненты на больших высотах в этих двух разнесенных по широте пунктах наблюдений.

Планы работ с ДИ РБМ

Для лучшего понимания работы РБМ, повышения качества эксперимента и интерпретации его результатов требуется осуществить ряд работ:

1. Работы, направленные на понимание реального функционирования зонда РБМ. Нам представляется, что в основе этой работы должно лежать симуляция электронной схемы прибора с помощью известных пакетов для моделирования аналоговых схем (например, PSPICE [11]) с учетом изменения температуры, стабильности электронных компонентов и т.д. Мы надеемся, что результатом этой работы может быть не только понимание того, что происходило в полетах РБМ в прошлом, но и улучшение качества будущих полетов.

2. Работа по моделированию поля ионизирующих излучений в атмосфере Земли для детальной интерпретации данных РБМ. В основе может лежать использование пакета [12]. Здесь можно сформулировать две задачи:

1) Уточнение характеристик различных компонент поля излучения, дающих вклад в РБМ. В частности, важно хорошо знать угловое распределение компонент для учета вклада в неизотропные детекторы РБМ, к тому же изменяющие свое положение и ориентацию в пространстве (из-за сноса и болтанки зонда). Существует оригинальная методика описания необходимых характеристик детекторов [6], но для применения ее результатов требуется знание углового распределения излучения в виде сферических функций.

2) Требуются более детальные расчеты для интерпретации результатов РБМ (характеристики вторичных космических лучей в атмосфере) в терминах первичных космических лучей. Например, на основании анализа данных РБМ считается, что скорость счета одиночного счетчика N_1max в максимуме высотной кривой N₁(X), где X-количество вещества на прибором, связана с интегральной интенсивностью протонов ГКЛ Jp(T>100 МэВ) определенным соотношением [13]. Однако хотелось бы понять, насколько это согласуется с моделированием прохождения ГКЛ через атмосферу. Важно знать, чем согласно моделированию, определяется количество вещества X_1max, на котором максимум интенсивности достигается и т.д.

3. Методическая работа с ДИ РБМ. Требуется научиться выполнять с данными ДИ РБМ (последовательность импульсов) стандартные операции обработки, хорошо развитые для работы с временными рядами с постоянным шагом по времени (например, вэйвлет-анализ). Неясно, например, чем определяется и каков уровень шума в данных РБМ, ограничивающий надёжность выявленных вариаций интенсивности.

4. Наконец, надо привести к единообразному виду всю базу данных (БД) ДИ РБМ, которая в разные годы регистрировалась в разных форматах и сделать удобный инструмент (программную оболочку) для работы с исходными данными и БД РБМ. По окончании этой работы предполагается предоставить эту БД для работы в ИНТЕРНЕТ.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (гранты 16-02-00100_a, 18-02-00582_а).

Литература

1. Чарахчьян А.Н. Исследование флуктуаций интенсивности космических лучей в стратосфере, вызываемых процессами на Солнце // УФН. 1964. Т. 83.№1. С. 35-62.

2. Bazilevskaya G.A., Svirzhevskaya A.K. On the stratospheric measurements of cosmic rays, Space Science Reviews, 85(3-4), 431-521, 1998.

3. Stozhkov Yu.I., Svirzhevsky N.S., Bazilevskaya G.A. et al., Long-term (50 years) measurements of cosmic ray fluxes in the atmosphere, Adv. Space Res., 44(10), 1124-1137, 2009.

4. Bazilevskaya G.A., Makhmutov V.S., Stozhkov Y.I. et al., Solar proton events recorded in the stratosphere during cosmic ray balloon observations in 1957-2008, Adv. Space Res., 45(5), 603-613, 2010.

5. Makhmutov V.S., Bazilevskaya G.A., Stozhkov Yu.I. et al., J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 149, 258, doi 10.1016/j.jastp.2015.12.006, 2016.

6. Корольков Д.Н., Дипломная работа, МИФИ, Москва, 1996.

7. Krainev M.B., Some additional results in the regular balloon monitoring of cosmic rays in the Earth's atmosphere, Adv. Space Res., 44(10), 1138-1143, 2009.

8. Крайнев М.Б., Гвоздевский Б.Б., Детальная информация в эксперименте регулярного баллонного мониторинга космических лучей в 2005-2010 гг., Препринт ФИАН им. П.Н. Лебедева РАН № 16. М., 52, 2010.

9. Базилевская Г.А., Калинин М.С., Квашнин А.Н. и др., Высыпания высокоэнергичных магнитосферных электронов и сопутствующие характеристики солнечного ветра, Геомагн. аэрон., 57(2), 164-172, 2017.

10. Базилевская Г.А., Калинин М.С., Крайнев М.Б. и др., Долговременная эволюция частоты высыпаний магнитосферных электронов в атмосферу Земли, Изв. РАН, сер. физ., послана в печать, 2019.

11. http://www.pspice.com.

12. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Модельный комплекс для исследования космических лучей RUSCOSMIC, Солнечно-земная физика, 2(4), 3-10, 2016.

13. Стожков Ю.И., Свиржевский Н.С., Базилевская Г.А. и др., Потоки космических лучей в максимуме кривой поглощения в атмосфере и на границе атмосферы (1957-2007), Препринт ФИАН № 14. М.: ФИАН, 77 с., 2007.

Размещено на Allbest.ru