CC BY
25
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.82-86 УДК 537.591.5
Е.А. Маурчев, Ю.В. Балабин
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРОТОНОВ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА СКОРОСТЬ ИОНИЗАЦИИ НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ВО ВРЕМЯ СОБЫТИЯ GLE No 61
Аннотация
Приводятся результаты расчетов, полученных путем моделирования прохождения протонов солнечных космических лучей через вещество атмосферы Земли при помощи программного комплекса RUSCOSMICS. Особенностью является использование в качестве входных параметров первичных спектров, полученных по уникальной методике, разработанной в ПГИ. Для симуляции взаимодействия первичных и вторичных частиц применяется численный метод Монте-Карло в совокупности с самыми современными моделями и сечениями, реализованными в пакете GEANT4.
Ключевые слова:
численное моделирование, метод Монте-Карло, космические лучи, GLE.
E. A. Maurchev, Yu. V. Balabin
ESTIMATION OF THE EFFECT OF PROTONS OF SOLAR COSMIC RAYS ON THE IONIZATION RATEIN THE LOWER EARTH ATMOSPHERE DURING THE GLE No 61 EVENT
Annotation
The results of calculations obtained by simulating the passage of protons of solar cosmic rays through the substance of the Earth's atmosphere using the RUSCOSMICS software package are presented. A special feature is the use of primary spectra obtained by the unique method developed in the PGI as input parameters. To simulate the interaction of primary and secondary particles, the Monte-Carlo numerical method is used in conjunction with the most modern models and cross sections implemented in the GEANT4 package.
Keywords:
numerical simulation, Monte Carlo method, cosmic rays, GLE. Введение
Основными частицами, входящими в состав первичных солнечных космических лучей (СКЛ), являются протоны, их доля составляет до 90 %. Оставшаяся часть состоит из электронов и ядер с зарядовым числом Z >2. Вторгаясь в вещество атмосферы Земли, эти частицы испытывают серии взаимодействий (в основном, с ядрами азота и кислорода), теряя свою энергию как на электромагнитные потери, так и на ядерные реакции, в ходе которых рождаются целые каскады вторичных частиц (электроны, протоны, нейтроны, каоны, мюоны, гамма-кванты) [1].
Современные подход к исследованию частиц вторичных КЛ в атмосфере Земли включает в себя как экспериментальные методы [2], так и численное моделирование, например [3, 4]. В ПГИ был разработан специальный модуль RUSCOSMICS [5, 6], позволяющий детально изучать характеристики каскадов
КЛ и получать их в виде количественных значений энергетических спектров, высотных кривых, а также вклада в скорость ионообразования. В данной работе представлены результаты для частного случая, когда в качестве входных значений модели используются спектры СКЛ, соответствующие событию ОЬБ N0 61.
1. Методика
Применяемый в работе модуль программного комплекса Яи8С08М1С8 для расчета прохождения частиц КЛ через атмосферу Земли разработан как самостоятельная модель, в основе которой лежат классы и методы пакета ОЕА]^4 [7]. Такой подход позволяет использовать принцип наследования и реализовывать возможности создания геометрии, описания процессов взаимодействий, а также генерировать первичные частицы с заданными энергетическими характеристиками. Атмосфера Земли моделировалась в виде столба воздуха с распределением ее физических параметров по высоте (например, элементы в количестве 5 % от общей массы в каждом слое), значения получаются при помощи NRLMSISE-00 [8]. В совокупности с алгоритмами оптимизации это дает существенный вклад в уменьшение потребления расчетных мощностей и увеличения скорости вычислений до нескольких раз. В зависимости от заданной широты и долготы также вычисляется необходимое значение жесткости геомагнитного обрезания с использованием модели IGRF [9], конкретно для представленной работы эти параметры составляют 65.57 N 33.39 Е и Всп^ = 0.65 GV.
Источник первичных частиц реализуется при помощи класса, в который встроен парсер для чтения файлов данных и обработчик для создания необходимой функции плотности вероятности, соответствующей энергетическому спектру первичных КЛ. Высота расположения составляет 80 км, а вектор скорости потока направлен перпендикулярно верхней плоскости столба воздуха. Такое упрощение было допущено вследствие множества опытных реализаций, которые показали, что учет углового распределения не влияет на конечный результат, сильно уменьшая при этом статистическую точность.
Моделирование взаимодействия частиц с веществом реализуется при помощи класса физических процессов (стандартный лист) QGSP_BERT_HP, который официально рекомендован разработчиками GEANT4 для решения задач астрофизики КЛ. Накопление и обработка информации о потоках вторичных КЛ производится методами детектирующих объемов, расположенных на заданных высотах. Также в них реализован код, позволяющий производить вывод результата в виде гистограмм.
2. Входные данные для моделирования
В представленной работе проведены расчеты для протонов КЛ, модулированных СКЛ во время события GLE N0 61. Основной характеристикой источника первичных частиц, реализованного в модели, является плотность вероятности, выводимая методом нормировки дифференциального энергетического спектра протонов КЛ. Для случая, рассматриваемого в этой статье, используются данные, полученные при помощи уникальной методики, разработанной в ПГИ г. Апатиты [9]. Согласно теории, представленной в работе авторов, спектр протонов первичных СКЛ состоит из двух компонент, быстрой и медленной, для каждой из которых дается соответствующее выражение:
Зрс = Зоехр (-Е/Ео) и Зое = Е7, где Зо, Ео, у - коэффициенты, отличающиеся в зависимости от номера события GLE. Соответствующие параметры приведены в таблице, результирующие спектры представлены на рис. 1.
Энергия, МэВ
Рис. 1. Дифференциальные энергетические спектры протонов первичных СКЛ, полученные по данным сети наземных станций НМ, используемые как входные параметры для расчета скорости ионообразования в атмосфере Земли во время
события ОЬБ N0 61.
Таблица. Параметры дифференциальных энергетических спектров протонов СКЛ для событий GLE N0 61, полученные в работе [9] и используемые как входные параметры при создании функции плотности вероятности генератора первичных частиц модуля RUSCOSMICS.
СЬЕ Дата Коэффициенты
Л Еа У
61 18.04.2001 2.5104 0.52 1.2103 3.6
3. Результаты расчетов
В результате моделирования прохождения протонов СКЛ через атмосферу Земли, их взаимодействия с окружающим веществом и последующего развития каскадов были получены соответствующие кривые скорости ионизации в зависимости от высоты для географических координат 65.57 N 33.39 Е и значения жесткости геомагнитного обрезания Ясыи>лг = 0.65 ОУ. Результирующий график для события ОЬЕ N0 61 представлен на рис. 2.
101 102 103 104 105 106
Ионизация, (см3 сек)"1
Рис. 2. Высотные профили скорости ионизации атмосферы Земли частицами КЛ во время события GLE N 61 в случае медленной и быстрой компонент. Данные получены путем моделирования процессов при помощи программного комплекса RUSCOSMICS.
Заключение
Как видно, программный комплекс RUSCOSMICS является мощным инструментом для расчета прохождения частиц КЛ через атмосферу Земли. Конкретно в этой работе получены результаты, позволяющие сделать как количественные, так и качественные оценки влияния протонов СКЛ на скорость ионообразования в зависимости от высоты во время события GLE N 61. Такие данные являются полезными не только при детальном исследовании КЛ в решении фундаментальных задач, но и в прикладных областях, таких как оценка радиационной безопасности.
Благодарности. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 18-77-10018.
Литература
1. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. («Наука». Москва, 1975).
2. StozhkovYu.I., Svirzhevsky N.S., Bazilevskaya, G.A., et al. // Adv. in Space Res. 2009. V. 44. I. 10. P. 1124-1137.
3. Usoskin I G., Kovaltsov G.A., Mironova I.A. // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. D10302.
4. Velinov P. I.Y., Balabin Yu. V., Maurchev E. A. // Compt. rend. Acad. bulg. Sci. 2017. V. 70. I. 4. P. 545-555.
5. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б. и др. // Известия РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 5. С. 711; Maurchev E. A., Balabin Yu. V., Gvozdevskii B.
B., et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. I. 5. P. 657-659.
6. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2. № 4.
C. 3-8; Maurchev E.A., BalabinYu.V. // Solar-Terrestrial Physics. 2016. V. 2. I. 4. P. 3-10.
7. Agostinelli S., et al. // Nucl.Instrum. Methods Phys. Res. 2003. V. 506. Sect. A. P. 250.
8. Picone J. M. et al. // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. A. 12. P. 1468.
9. Vashenyuk E.V., BalabinYu.V., Gvozdevsky B.B. // Astrophysics and Space Sciences Transactions. 2011. V. 7. I. 4. P. 459-463.
Сведения об авторах
Маурчев Евгений Александрович
м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: maurchev1987@gmail.com
Балабин Юрий Васильевич
к. ф.-м. н., зав. сектором, Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: balabin@pgia.ru
