CC BY
16
ФИЗИКА СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫХ СВЯЗЕЙ
УДК 551.521.64 Е. А. Маурчев
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС RUSCOSMICS В ЗАДАЧАХ ПРОХОЖДЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ
Аннотация
Дается обзор возможностей программного комплекса RUSCOSMICS в применении к задачам расчета прохождения протонов космических лучей через атмосферу Земли. Представлены типовые графики, отображающие основную информацию, получаемую во время моделирования. Также показана возможность расчета скорости ионизации для заданного участка жесткости геомагнитного обрезания. Все модельные результаты верифицируются с помощью данных, полученных во время стратосферных измерений, и имеют с ними хорошее согласие.
Ключевые слова:
космические лучи, численное моделирование, метод Монте^арло, физика частиц.
E. A. Maurchev
THE RUSCOSMICS SOFTWARE IN THE TASKS OF THE COSMIC RAYS TRANSPORT THROUGH THE EARTH ATMOSPHERE
Abstract
This article provides an overview of the possibilities of the software complex RUSCOSMICS in application to the problems of calculating the passage of cosmic ray protons through the Earth's atmosphere. There are presented typical charts that display the basic information obtained during the simulation. The possibility of calculating the ionization rate for a given geomagnetic cutoff stiffness section is also shown. All model results are verified using data obtained during stratospheric measurements and have a good agreement with them.
Keywords:
cosmic rays, numerical simulation, Monte Carlo method, particle physics. Введение
Одной из самых сложных в программном комплексе RUSCOSMICS, основанном на GEANT4 [1], является модель для расчета прохождения первичных протонов КЛ через атмосферу Земли, исследования образования каскадов вторичных КЛ и расчета скорости ионизации вещества атмосферы. Для построения модели применялась концепция так называемой «плоской» геометрии, когда выделяется столб атмосферы Земли на заданной широте и долготе, задается его высота и длина граней, а также вычисляются физические параметры каждого слоя (процентное соотношение масс составляющих элементов, плотность, давление и температура) с помощью NRLMSISE-00 [2].
На границе определяется модельный источник частиц с заданной интенсивностью и спектральной характеристикой. При прохождении частиц через вещество атмосферы рассчитываются параметры каскадов вторичных КЛ. Математическое описание модуля является чрезмерно громоздким и его описание не входит в рамки данной работы. Визуализация же прохождения протона через атмосферу представлена на рис. 1.
Рис. 1. Визуализация моделирования прохождения единичного протона с энергией 100 ГэВ через слои вещества атмосферы и образования каскада частиц. Хорошо видна концепция «плоской» геометрии. Различными цветами показаны заряды частиц. Синий — положительно заряженные частицы, красный — отрицательно заряженные, зеленые — нейтрально заряженные частицы. Более точную информацию можно получить внутренними методами модели
Методика и результаты
При прохождении сквозь толщу вещества атмосферы Земли первичный протон испытывает ряд самых различных взаимодействий, в результате чего рождаются каскады самых разнообразных вторичных частиц (пионы, каоны, мюоны, электроны, позитроны, нейтроны, гамма-кванты). Характеристики этих частиц на разных высотах атмосферы можно легко получить с помощью соответствующего модуля Яи8С08М1С8. Также этот модуль позволяет получить профили ионизации атмосферы Земли для различных географических координат (в зависимости от геомагнитной жесткости обрезания). Некоторые энергетические спектры и высотные профили вторичной компоненты, а также сравнение экспериментальных данных с модельными расчетами представлены на рис. 2-3.
Рис. 2. Энергетические спектры протонов (слева) и гамма-квантов (справа), полученные в результате моделирования прохождения частиц первичных КЛ со спектром, соответствующим периоду максимума солнечной активности в отсутствие его модуляции СКЛ через атмосферу Земли
Рис. 3. Высотные профили электрон-позитронной (слева) и мюонной (справа)
компонент, полученные в результате моделирования прохождения частиц первичных КЛ со спектром, соответствующим периоду максимума солнечной активности в отсутствие его модуляции СКЛ через атмосферу Земли
Стоит заметить, что классически высотные профили получают методом запуска шаров-зондов с установленными на них детекторами, чувствительными к заряженной компоненте. Суммарный счет можно выразить через формулу:
= N +. + С + _ + Ср + 0,01С,
по11 ее ц ц р I
(1)
где N +е_, С + _, Ср, С — счет, который вносят электрон-позитронная, мюонная,
протонная компоненты и гамма-кванты соответственно. Исходя из этого, суммируя полученные в результате моделирования высотные профили, можно произвести сравнение с экспериментальными данными для отдельных времен. Пример такой верификации представлен на рис. 4.
Рис. 4. Сравнение экспериментальных данных 04.09.2009 (слева) и 21.12.2009 (справа) и данных, полученных в результате моделирования прохождения частиц галактических космических лучей (ГКЛ) через атмосферу Земли и обработанных по формуле (1)
Рис. 5. Высотные профили для различных сортов частиц, представленные
с указанием интервала ошибки вычисления, полученные в результате моделирования прохождения ГКЛ через атмосферу Земли. Ширина линии означает суммарное отклонение от среднего и включает в себя как стандартную ошибку, так и внутреннюю ошибку метода
Также надо отметить, что, несмотря на то, что в названии сказано, что ионизация рассчитывалась только для ГКЛ — это не так. Также было взято событие релятивистских солнечных протонов (солнечных космических лучей — СКЛ). В этом случае для описания энергетической характеристики первичного источника используется спектр протонов, соответствующий «быстрой» фазе события № 5. Этот спектр, модулирующий частицы ГКЛ, представлен на рис. 6. Также на рис. 7-8 представлены результаты расчетов скорости ионизации вещества атмосферы Земли от уровня от 0 до 40 км.
Е 10
Энергия, мэв
Рис. 6. Спектры протонов первичных КЛ от 400 МэВ до 105 МэВ, используемые в расчетах скорости ионизации с помощью RUSCOSMICS
а
б
Рис. 7. Профили ионизации для геомагнитной жесткости обрезания 1 ГВ (а) и 2 ГВ (б), полученные с помощью модуля RUSCOSMICS в результате моделирования прохождения протонов первичных КЛ через атмосферу Земли как без модуляции СКЛ спектра ГКЛ, так и при ее наличии
б
Рис. 8. Профили ионизации для геомагнитной жесткости обрезания 3 ГВ (а) и 5 ГВ (б), полученные с помощью модуля RUSCOSMICS в результате моделирования прохождения протонов первичных КЛ через атмосферу Земли как без модуляции СКЛ спектра ГКЛ, так и при ее наличии
Заключение
Модуль RUSCOSMICS для расчета прохождения через атмосферу Земли протонов космических лучей является полезным, если есть необходимость выполнить количественную оценку потоков вторичных частиц и скорости ионизации. Несмотря на то, что решение таких задач носит фундаментальный характер, на данный момент существует мало инструментов, позволяющих выполнять вычисления подобного рода. Также, в отличие от самого, на наш взгляд, достойного пакета — PLANETOCOSMICS [3], RUSCOSMICS имеет дополнения в виде методов, позволяющие проводить более скоростные вычисления (будут подробнее описаны в дальнейших работах), а также постоянно поддерживается, обновляясь как в платформе GEANT4, так и в базах данных сечений взаимодействий. Существенным недостатком, который мы собираемся устранить в ближайшее время, является отсутствие приветливого интерфейса. Огромное преимущество — наличие базы данных полетов шаров-
зондов, полученной в совместных работах ПГИ (Мурманск — Апатиты) и ФИАН (Москва) позволяющей проводить сравнение модельных результатов с экспериментальными профилями.
Немаловажным является также и то, что мы, как разработчики, имеем постоянную возможность вносить изменения в модуль при наличии новых идей. На данный момент все результаты, полученные с помощью данного модуля (и описание самого модуля), были опубликованы в ведущих журналах ("Astrophysics and Space Sciences Transactions", "Journal of Рhysics", «Известия РАН», «Солнечно-земная физика»), представлены на семинарах и конференциях международного и всероссийского масштаба (COSPAR, ICRC, ВККЛ, БШШФ, Апатитский семинар, ШМУ ПГИ и т. д.), а также задействованы в совместных работах с учеными БАН.
Литература
1. Geant4 — a simulation toolkit / S. Agostinelli et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 2003. 506 (3). 250.
2. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues / J. M. Picone et al. // J. Geophys. Res. 2002. 107(A12). 1468.
3. Butikofer R. PLANETOCOSMICS User Guide.
Сведения об авторе
Маурчев Евгений Александрович
м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: maurchev@pgia.ru
