CC BY
53
------------------------------------------ © В.Л. Янчуковский, 2009
УДК 551.521.64; 524.1: 550.385 В.Л. Янчуковский
ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
Предложен мониторинг геофизических параметров с помощью космических лучей.
Ключевые слова: космические лучи, атмосфера, магнитосфера.
ш я ри разработках методов мониторинга в обеспечении .М. Ж. прогнозов явлений в атмосфере и околоземном Космосе (космическая погода) большое значение имеют исследования вариаций космических лучей (КЛ) галактического и солнечного происхождения, так как они реагируют на процессы в космическом пространстве, в магнитосфере и атмосфере Земли. Эта реакция обусловлена взаимодействием КЛ с магнитными полями и веществом, наполняющем пространство. Указанные процессы взаимодействия приводят к изменениям интенсивности, энергетического спектра, ядерного состава и пространственного распределения КЛ. Метод определения геофизических параметров.
Метод основан на использовании данных многоканальных синхронных наблюдений КЛ в различных энергетических интервалах. Новосибирский многоканальный наблюдательный комплекс КЛ функционально представляет собой спектрограф на локальной генерации нейтронов [1] и матричный мюонный телескоп [2]. Энергетическая чувствительность комплекса перекрывает область энергий КЛ от единиц до 200 ГэВ. Вариации интенсивности, регистрируемой каналом к установки в пункте с на уровне ^ атмосферы, связаны с первичным спектром КЛ D (R) , жесткостью геомагнитного обрезания Яс, температурой Т атмосферы и атмосферным давлением h следующим образом
^ (М) = }^^)Wk (R,h0) dR-ЛRC(t)Wk(ЯсА) +
Аь - о D
(1)
-{ я () dh
Здесь (5к (h) и wk (T0,h0,h) - соответственно барометрический коэффициент и функция плотности температурных коэффициентов [3], характеризующая роль отдельных слоев атмосферы в создании температурного эффекта интенсивности, регистрируемой каналом к установки на уровне Г0; АТ (h,t) - временные вариации температуры атмосферы в зависимости от высоты; Wk (R,h0) - функция энергетической чувствительности канала к или коэффициент связи согласно определению [4]. Согласно [3] вариации интенсивности за счет изменений температуры атмосферы могут быть представлены как
АТ Г п
—(Т ) = | Wk (ТоА^ ) АТ (h ) dh = £« (к )-АТ1 , (2)
Т о 1=1
где « (к) - доля температурного коэффициента, определяемая ин-
тегрированием wk (Т0А^) по слою 1 атмосферы для канала к комплекса; АТ1 - изменения температуры на уровне 1 атмосферы относительно среднего (опорного) значения. Было показано [5] также, что интеграл в выражении (1) допускает применение теоремы о среднем, тогда АТ ------------------г
—(Т) = Wk (ТА,Г) | АТ(г) dh * «к • АТС, (3)
Т 0
где «к - некоторая постоянная для канала к величина [6], а
X АТ АЬ1
АТс = -М------- (4)
X
1=1
есть величина, характеризующая изменение среднемассовой температуры атмосферы (средневзвешенной по массе). Вариации, обусловленные изменениями атмосферного давления,
на основании результатов работы [7] можно представить как
у (h) = P(h,R)-[l-rF(k)] , (6)
где P (h,R) - функция, учитывающая зависимость величины барометрического эффекта, как от атмосферного давления, так и от характеристик регистрируемого излучения. В грубом приближении можно использовать постоянные барометрические коэффициенты для каналов комплекса, тогда составляющая вариаций интенсивности за счет атмосферного давления имеет вид
f (h) = {exp[-Ä .(h-h0)]-1} (7)
Вариации интенсивности первичного потока КЛ в выражении (1) представим в виде степенного ряда
AD (R,t) = Bt (t). R 1 + B2 (t). R2 + B3 (t). R-3... (8)
Это позволяет перейти от системы уравнений (1) к системе линейных уравнений вида
lk (t) = A1kB1 (t) + A2kB2 (t) + A3kB3 (t) - VkARc (t) +
+P (t,h,R)[1 - rFk ] + «T (t) ,
AT r
где -p (ho,t) = lk (t); A1k = J R-X (R,ho)dR;
Tk с R,
(9)
A2k = J R-2Wk (R,ho) dR; A3k = J R-X (R,ho) dR;
R, R,
wk (Rc,h0) = Ук; АТс (t) = Т(t).
Наблюдаемые вариации интенсивности КЛ в каналах комплекса представляют суперпозицию эффектов различной природы. Неизвестные В12 3 (t), АRc (t) ,Р (t) ,Т (t) находятся из условия
I
к
вычисленные значения. Использовался метод регуляризации по Тихонову. На рисунке представлены результаты мониторинга геофизических параметров за 2004 - 2009 гг. На рисунке показаны вариации интенсивности нейтронов и общей ионизующей компоненты в атмосфере (а). Выше приведены вариации атмосферного дав-
1|2
Г - lk = min, где P“ и lk соответственно наблюдаемые и
ления (Ь). Далее представлены изменения наблюденной (по аэрологическим данным) и найденной по КЛ среднемассовой температуры атмосферы (с).
Мониторинг геофизических параметров с помощью КЛ
Следующие кривые (d) на рисунке характеризуют изменения жесткости геомагнитного обрезания и Dst - индекса геомагнитной активности. Изменения параметров жесткостного спектра первичных КЛ за указанный период изображены на рисунке с помощью кривых (e). Выше показаны вариации интенсивности первичного потока КЛ для частиц с различной жесткостью (f). Вверху на рисунке приведена сумма квадратов невязок (%).
Заключение
Таким образом, многоканальные наблюдательные комплексы КЛ, с одной стороны, обеспечивают получение информации о вариациях потока первичного излучения в различных областях энергий, а с другой дают возможность проводить мониторинг геофизических параметров в реальном времени.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yanchukovsky V.L., Philimonov G.J. Cosmic Ray Variation Spectrograph Based on the Effect of Local Generation of Neutrons. // Solar - System Research. - 2000. - V.34. - №2.
- P. 176 - 177.
2. Янчуковский В.Л. Телескоп космических лучей.// Солнечно-земная физика. -Новосибирск: Издательство СО РАН. - 2006. - Вып. 9. - С. 41 - 43.
3. Дорман Л.И. Метеорологические эффекты космических лучей. М.: Наука, 1972. 211 с.
4. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975, 462 с.
5. Крестьянников Ю.Я. Определение температурных вариаций интенсивности ц- мезонов по изменению среднемассовой температуры. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1975. Вып. 37. С. 119 - 123.
6. Янчуковский В.Л., Филимонов Г.Я., Хисамов Р.З. Атмосферные вариации интенсивности мюонов для различных зенитных углов регистрации. Известия РАН. Серия физическая. 2007, Т. 71, №7. С. 1066 - 1068.
7. Yanchukovsky V.L., Philimonov G.J. Barometric Effect of Cosmic Rays as a Function of several Variables. // Proc. 25th International Cosmic Ray Conference. Durban. - 1997.
- V. 2. - P. 445 - 448. ЕШ '
Yanchukovsky V.L.
GEOPHYSICAL MONITORING OF COSMIC RAYS
For monitoring of geophysical parameters it is proposed to apply a data of observation of cosmic rays.
Key words: cosmic rays, atmosphere, magnetosphere.
- Коротко об авторе ----------------------------------------------------
Янчуковский Валерий Леонидович - доктор физико-матема-тических наук, заведующий лабораторией. Учреждение Российской академии наук Геофизическая служба СО РАН, г. Новосибирск, E-mail: vjanch@gs.nsc.ru
