1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 60, № 6, 2020

Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 6, стр. 704-709

Наземная установка для изучения вариаций космических лучей в городе Нур-Султан

Е. А. Тулеков 1, ***, В. С. Махмутов 2, **, Г. А. Базилевская 2, Ю. И. Стожков 2, А. К. Морзабаев 1, М. В. Филиппов 2, *, В. И. Ерхов 2, А. С. Дюсембекова 1

1 Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева
г. Нур-Султан, Республика Казахстан

2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН)
г. Москва, Россия

*** E-mail: yerzhan_ta@mail.ru
** E-mail: mahmutovvs@lebedev.ru
* E-mail: mfilippov@frtk.ru

Поступила в редакцию 01.03.2020
После доработки 07.04.2020
Принята к публикации 21.05.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Космические лучи, в частности, являются основным фактором ионизации атмосферы, влияют на образование облаков, определяют свойства глобальной электрической цепи. Механизмы атмосферных процессов с участием космических лучей очень сложны и далеки от понимания. Для их исследования необходимы экспериментальные установки, распределенные по всему миру. С этой целью в 2015 г. в Евразийском национальном университете им. Л.Н. Гумилева, в содружестве с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН, был создан космофизический комплекс, состоящий из установки CARPET, нейтронного детектора и электростатического флюксметра EFM-100. В данной статье представлены краткие характеристики установки CARPET и экспериментальные данные, полученные в период 2016–2019 гг. Приведены отдельные результаты анализа характеристик вариаций потоков космических лучей, зарегистрированных на этом комплексе, и сопутствующих условий в земной магнитосфере и в межпланетной среде.

1. ВВЕДЕНИЕ

Исследование физической природы модуляции потоков космических лучей в околоземном пространстве и гелиосфере является фундаментальной задачей современной науки. Следует отметить также, что космические лучи определяют свойства глобальной электрической цепи, играют существенную роль в атмосферных процессах, связанных с погодой и климатом. Поэтому изучение физической природы вариаций потоков вторичных космических лучей на разных временны́х масштабах (суточных, 27-дневных, сезонных, годовых и т.д.) является крайне актуальным. Применение экспериментальных комплексов является необходимым условием для проведения таких исследований. Наземная установка CARPET запущена в конце 2015 г. на Физико-техническом факультете Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева в городе Нур-Султан, Республика Казахстан (51°10′48″ N, 71°26′45″ E, высота 358 м, жесткость геомагнитного обрезания Rc ~ 2.9 ГэВ) [Morzabaev et al., 2018, Philippov et al., 2020]. Она предназначена для непрерывного мониторинга потока вторичных космических лучей (КЛ) на уровне Земли.

Основу установки CARPET (рис. 1) составляют газоразрядные цилиндрические счетчики Гейгера типа СТС-6, которые объединены в 12 детектирующих блоков. Каждый блок содержит 10 счетчиков, в котором между 5 верхними и 5 нижними счетчиками расположен алюминиевый поглотитель (фильтр) толщиной 7 мм [Mizin et al., 2011; Philippov et al., 2020]. Число частиц, прошедших через фильтр и зафиксированное одновременно верхними и нижними счетчиками, регистрируются в канале совпадений – TEL.

Рис. 1.

Общий вид установки CARPET: (а) – внутренняя компоновка составляющих установки; (б) – внешний вид установки с кожухом, интерфейсный блок, компьютер с запущенным программным обеспечением “CARPET монитор”.

Верхний (UP) и нижний (LOW) каналы регистрируют электроны и позитроны с энергиями E > 200 кэВ, протоны с E > 5 МэВ, мюоны с E > > 1.5 МэВ и фотоны E > 20 кэВ (эффективность счета фотонов менее 1%). Канал совпаденийзаписывает более энергичные частицы: электроны с энергией E > 5 МэВ, протоны с E > 30 МэВ и мюоны с E > 15.5 МэВ.

Помимо детектирующих блоков, в состав установки CARPET входит плата питания и телеметрии и интерфейсный блок. Плата питания и телеметрии служит для обеспечения необходимых для работы установки напряжений (5 В, 12 В, 380 В), их контроля, а также для сбора метеорологической информации (телеметрия): об атмосферном давлении и температуре. Интерфейсный блок служит для передачи данных и телеметрии на компьютер. С помощью программного обеспечения “CARPET монитор” на компьютере производится визуализация в реальном времени текущих данных, а также запись суточных файлов с временны́м разрешением 1 мс.

2. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

2.1. Определение барометрической поправки

Наземные установки для исследования КЛ являются детекторами вторичных частиц, образующихся в атмосфере при взаимодействии первичных КЛ с веществом. Следовательно, при анализе экспериментальных данных необходимо учитывать вариации атмосферного давления и температуры, влияющие на показания приборов [Дорман и Фейнберг, 1956]. В данной работе приводятся результаты определения барометрической поправки для установки CARPET. Влияние температурного эффекта будет обсуждаться в будущих работах авторского коллектива.

Методология расчета барометрической поправки для детектора CARPET описана в работах [DeMendonca et al., 2011; Maghrabi et al., 2020; Philippov et al., 2020]. Барометрический коэффициент определяется методом регрессионного анализа с использованием часовых данных темпа счета установки CARPET и среднечасовых данных по атмосферному давлению.

На сегодняшний день (с 2017 г.) на территории ЕНУ функционируют два модуля (комплекта аппаратуры) CARPET. На рисунке 2 приведен график зависимости относительного отклонения темпа счета в канале TEL первого модуля установки от изменения давления по данным за декабрь 2019 г., так как этом месяце не наблюдались активные процессы на Солнце и в межпланетной среде, а также отсутствовали сильные перепады приземной температуры.

Рис. 2.

График зависимости относительного отклонения темпа счета от изменения давления для модуля CARPET1по данным за декабрь 2019 г.

Наклон данной аппроксимирующей прямой является искомым барометрическим коэффициентом. Для канала TEL: β1 = –0.1870 ± 0.0025%/гПа; R2 = 0.8826 для первого модуля и β2 = –0.1826 ± ± 0.0025%/гПа; R2 = 0.8702 для второго модуля. Для канала UP: β1 = –0.0658 ± 0.0026%/гПа; R2 = 0.4653 для первого модуля и β2 = –0.0618 ± ± 0.0017%/гПа; R2 = 0.6280 для второго модуля. Для канала LOW: β1 = –0.0652 ± 0.0022%/гПа; R2 = 0.5490 для первого модуля и β2 = –0.0600 ± ± 0.0015%/гПа; R2 = 0.6636 для второго модуля. Эти коэффициенты использовались далее для поправки исходных экспериментальных данных.

2.2. Вариации космических лучей в период с 2016 по 2019 гг.

На рисунке 3 представлены данные по темпу счета заряженных частиц, зарегистрированных двумя модулями (CARPET1 и CARPET2) наземной установки в сентябре 2017 г. Вариации космических лучей, наблюдавшиеся с 6 сентября 2017 г., были вызваны повышенной солнечной активностью и появлением активной области AR 12 673 на солнечном диске, в которой произошел ряд солнечных вспышек (включая вспышки 6 и 10 сентября класса X9.3 и X8.2 соответственно) [Makhmutov et al., 2019]. Анализ форбуш-понижения космических лучей, зарегистрированного в этот период на двух модулях установки CARPET, приведен в следующем разделе.

Рис. 3.

Вариации темпа счета для модулей CARPET1 и CARPET2 по данным за сентябрь 2017 г.: верхняя панель – данные канала UP; средняя панель – данные канала LOW; нижняя панель – данные канала TEL.Точки соответствуют данным за минуту (без поправки на давление).

Для исследования временны́х вариаций потоков космических лучей, зарегистрированных на установке CARPET за весь период наблюдений 2016–2019 гг., был использован вейвлет-анализ [Bendjoya et al., 1993]. На рисунке 4 (верхняя панель) представлена временнáя динамика скорости счета в канале TEL первого модуля CARPET. В первичные данные введены барометрические поправки. Среднечасовые значения минутного темпа счета показаны точками, сплошной кривой показаны среднесуточные значения. На нижней панели изображены скейлограммы (scalograms) вейвлет-преобразования временнóго ряда среднесуточных данных верхней панели. Сбоку (справа) приведена вертикальная шкала мощности (амплитуды) вариаций: наибольшая амплитуда соответствует черным участкам шкалы и скейлограммы. Горизонтальная белая линия соответствует периодичности 27 сут. В целом, для всего представленного ряда данных измерений на установке CARPET характерно наличие годовой волны (не показана на скейлограмме) и ~26–29-дневных вариаций.

Рис. 4.

Верхняя панель: временнáя динамика темпа счета модуля CARPET1за период с 2016 по 2019 гг. Представлены исправленные на давление данные темпа счета в канале TEL за 1 мин с усреднением за 1 ч, сплошная кривая – данные с усреднением за сутки. Нижняя панель: скейлограммы (scalograms) вейвлет-преобразования временнóго ряда данных, представленного на верхней панели. Горизонтальная белая линия соответствует периодичности 27 сут.

2.3. Форбуш-понижения потоков космических лучей в июле и сентябре 2017 г.

В данном разделе обсуждаются результаты измерений потоков КЛ модулями CARPET1 и CARPET2 детектора в июле и сентябре 2017 г., когда ряд форбуш-понижений интенсивности КЛ был зарегистрирован мировой сетью наземных нейтронных мониторов.

В активной области на Солнце NOAA 2665 (S06 W29) с 14 по 16 июля 2017 г. произошла серия солнечных вспышек, самой мощной из которых была вспышка рентгеновского балла М2.4 14 июля в ~02:15 UTC. По данным измерений на спутнике GOES-13 приход потоков малоэнергичных солнечных протонов (<100 МэВ) зарегистрирован 14 июля в ~03:00 UTC. Эта вспышка вызвала появление межпланетной ударной волны, скорость которой 16 июля составила 625 км/с. Ударная волна вызвала геомагнитное возмущение, начавшееся в ~06–09 UTC 16 июля и продлившееся до 17 июля.

Начало понижения потоков КЛ, зарегистрированное двумя модулями установки CARPET, приходится на первую половину 16 июля (рис. 5, верхняя панель слева), что согласуется с данными измерений на наземных нейтронных мониторах Апатиты (Rc = 0.65 ГВ), Юнгфрау (Jungfraujoch IGY; Rc = 4.49 ГВ) и Алматы (Rc = 6.69 ГВ), приведенными на нижней панели рис. 5 (слева).

Рис. 5.

Верхние графики: темп счета в канале TEL для модулей CARPET1 и CARPET2 для форбуш-понижений потоков КЛ: (а) – в июле 2017 г.; (б) – в сентябре 2017 г. Нижние графики представляют темп счета на нейтронных мониторах: 1 – Апатиты, 2 – Алматы и 3 – Юнгфрау (Jungfraujoch IGY).

Форбуш-понижение потоков космических лучей также наблюдалось в сентябре 2017 г. (рис. 5, cправа). Оно было вызвано высокой солнечной вспышечной активностью в области NOAA 12 673 (S11W16) с 4 сентября по 10 сентября. Солнечные вспышки сопровождались потоками высокоскоростного солнечного ветра и увеличенного межпланетного магнитного поля на орбите Земли. Геомагнитное возмущение в земной магнитосфере наблюдалось с конца 7 сентября по 8 сентября, при этом в течение длительного времени значение планетарного kp-индекса находилось на уровне 8–9, а величина Dst-индекса уменьшалась до –142 нТл.

По измерениям на установке CARPET и по данным сети наземных нейтронных мониторов заметное понижение потоков КЛ началось в первой половине 8 сентября 2017 г. На рисунке 5 (справа) приведены данные измерений на двух модулях установки CARPET (верхняя панель) и нейтронных мониторах Апатиты, Юнгфрау и Алматы.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлено краткое описание и технические характеристики наземной установки для детектирования заряженной компоненты космических лучей CARPET, которая была разработана на Долгопрудненской научной станции ФИАН и установлена в Евразийском национальном университете им. Л.Н. Гумилева в конце 2015 г.

Приведены результаты определения барометрического коэффициента для данной установки, представлен исходный ряд данных с 2016 по 2019 гг., для которого с помощью вейвлет-анализа предварительно определен характерный период вариаций (27 дней).

Проанализированы первые случаи наблюдений форбуш-понижений потоков космических лучей, произошедших в июле и сентябре 2017 г.

Список литературы

  1. – Дорман Л.И., Фейнберг Е.Л. Вариации космических лучей // УФН. Т. 59. № 2. С. 189–228. 1956.

  2. – Bendjoya Ph., Petit J.-M., Spahn F. Wavelet analysis of the Voyager data on planetary Rings. I. Description of the method // Icarus. V. 105. № 2. P. 385–399. 1993. https://doi.org/10.1006/icar.1993.11351993

  3. – De Mendonca R.R.S., Raulin J.-P., Bertoni F.C.P., Echer E., Makhmutov V.S., Fernandez G. Long-term and transient time variation of cosmic ray fluxes detected in Argentina by CARPET cosmic ray detector // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 73. № 11–12. P. 1410–1416. 2011. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.09.034

  4. – Maghrabi A., Makhmutov V.S., Almutairi M., Aldosari A., Altilasi M., Philippov M.V., Kalinin E.V. Cosmic ray observations by CARPET detector installed in central Saudi Arabia – preliminary results // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 200. 105194. 2020. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2020.1051942020

  5. – Makhmutov V.S., Bazilevskaya G.A., Stozhkov Y.I., Philippov M.V., Kalinin E.V. Solar activity and cosmic ray variations in September 2017 // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. V. 83. P. 543–546. 2019. https://doi.org/10.3103/S1062873819050228

  6. – Mizin S.V., Makhmutov V.S., Maksumov O.S., Kvashnin A.N. Application of multithreading programming to physical experiment // Kratk. Soobshch. Fiz. V. 38. № 2. P. 9–17. 2011. https://doi.org/10.3103/S1068335611020023

  7. – Morzabaev A.K., Giniyatova Sh.G., Shakhanova G.A., Makhmutov V.S. Evaluation of CARPET hardware and software potentialities // Bull.Univ. Karaganda. Phys. V. 2. № 90. P. 81–87. 2018.

  8. – Philippov M.V., Makhmutov V.S., Stozhkov Yu.I., Maksumov O.S., Bazilevskaya G.A., Morzabaev A.K., Tulekov Ye.A. Characteristics of the ground-based “CARPET-ASTANA” instrument for detecting charged component of cosmic rays and preliminary analysis of the first experimental data // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A. V. 959. 163 567. 2020. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163567

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал