1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 5, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 712-716

Програмный комплекс RUSCOSMICS как инструмент для оценки скорости ионизации вещества атмосферы Земли протонами космических лучей

Е. А. Маурчев 1, *, Е. А. Михалко 1, А. В. Германенко 1, Ю. В. Балабин 1, Б. В. Гвоздевский 1

1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Полярный геофизический институт”
Апатиты, Россия

* E-mail: maurchev1987@gmail.com

Поступила в редакцию 15.09.2018
После доработки 06.11.2018
Принята к публикации 28.01.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе представлен обзор возможностей использования модуля программного комплекса RUSCOSMICS, предназначенного для расчета прохождения частиц космических лучей (КЛ) через атмосферу Земли. Рассматривается общая информация о современных методах исследований потоков вторичных КЛ, приводятся ссылки на работы других групп. Также описываются ключевые моменты, используемые в методике проведения расчетов, рассматриваются особенности параметризации начальных условий. Приводятся типовые результаты, полученные в ходе моделирования. В заключении подведены итоги текущей работы, а также уделено внимание перспективам проекта.

ВВЕДЕНИЕ

Первичные КЛ состоят из электронов, ядер с атомным номером Z ≥ 2 и протонов, причем доля последних составляет ок. 85–90%. Проходя через атмосферу Земли, эти частицы активно взаимодействуют с ее веществом, при этом в результате реакции неупругих соударений ядерно-активной компоненты преимущественно с ядрами азота и кислорода рождаются каскады вторичных КЛ [1, 2]. Обобщенную формулу канала реакции тогда можно представить в виде соответствующего выражения:

(1)
${\text{nuclon}} + {\text{air}} \to p + n + {{\pi }^{ + }} + {{\pi }^{0}} + {{k}^{ \pm }} + {{k}^{0}}.$

Заряженные частицы первичных и вторичных КЛ также теряют свою энергию на ионизацию окружающего их вещества, а также на радиационные потери:

(2)
$\begin{gathered} {{\left( { - \frac{{\partial E}}{{\partial x}}} \right)}_{{{\text{и о н и з }}.{{e}^{ - }}}}} = \frac{{2\pi }}{{{{\beta }^{2}}}}{{n}_{e}}r_{0}^{2}{{m}_{e}}{{c}^{2}} \times \\ \times \,\,\left( {\ln \frac{{{{m}_{e}}{{c}^{2}}E}}{{{{{\bar {I}}}^{2}}}}\frac{{{{\beta }^{2}}}}{{2(\bar {\beta })}} - \left( {2\sqrt {\bar {\beta }} - 1 + {{\beta }^{2}}} \right)\ln 2} \right. + \\ + \,\,\left. {\bar {\beta } + \frac{1}{8}{{{\left( {1 - \sqrt {\bar {\beta }} } \right)}}^{{{{2}^{{^{{}}}}}}}}} \right), \\ \end{gathered} $
(3)
$\begin{gathered} {{\left( { - \frac{{\partial E}}{{\partial x}}} \right)}_{{{\text{и о н и з }}{\text{.з }}{\text{.ч }}{\text{.}}}}} = \frac{{4\pi {{Z}^{2}}}}{{{{\beta }^{2}}}}{{n}_{e}}r_{0}^{2}{{m}_{e}}{{c}^{2}} \times \\ \times \,\,\left[ {\ln \frac{{2{{m}_{e}}{{c}^{2}}{{\beta }^{2}}}}{{\bar {I}}} - \ln (1 - {{\beta }^{2}}) - {{\beta }^{2}}} \right], \\ \end{gathered} $
где mec2– масса покоя электрона (511 кэВ), β = $v$/c, $\quad\bar {\beta } = 1 - {{\beta }^{2}},$ Z – заряд ядер веществав единицах заряда позитрона, $\bar {I}$ = 13.5 эВ ∙ Z – средний потенциал ионизации атомов среды, ne – плотность электронов в среде, r0– классический электронный радиус, Lr – радиационная длина пробега. Формула 2 справедлива для электронов, а формула 3 – для протонов и других заряженных частиц.

Исследование частиц вторичных КЛ в атмосфере Земли сегодня проводится как экспериментальными методами [3], так и при помощи численных моделей, например [4, 5]. В ПГИ разработан соответствующий модуль RUSCOSMICS [6, 7], позволяющий исследовать особенности развития каскадов в зависимости от состояния источника первичных частиц, а также получать количественные характеристики в виде энергетических спектров, высотных профилей и скорости ионизации вещества. В представленной работе приводится ряд полученных результатов как для галактических КЛ (ГКЛ), так и для солнечных КЛ (СКЛ).

1. МЕТОДИКА

Используемый модуль программного комплекса RUSCOSMICS является полностью самостоятельной моделью, основанной на инструментарии GEANT4 [8] и, соответственно, наследует все его возможности по реализации геометрии, физических процессов и параметризации первичного генератора частиц. Атмосфера Земли может использоваться как в виде столба для некоторого локализованного участка (“плоская” геометрия), так и в глобальном масштабе. При этом в любом случае используется параметризация при помощи NRLMSISE-00 [9]совместно с алгоритмами оптимизации, заключающимися в создании слоев с заданным процентным содержанием вещества. Для глобальной модели также применяется вычисление значений жесткостей геомагнитного обрезания для необходимых точек посредством модели IGRF [10].

Модельный источник первичных КЛ располагается на высоте 80 км и генерирует поток частиц, имеющих направление, перпендикулярное верхней плоскости столба атмосферы, и равномерное случайное распределение по ней. Опытным путем было получено, что учет углового распределения не изменяет конечного результата вследствие нормировки на поток первичных частиц, а лишь уменьшает статистическую точность.

Для расчета взаимодействия частиц с веществом использовался стандартный лист физических процессов QGSP_BERT_HP, рекомендованный разработчиками GEANT4 для решения задач астрофизики КЛ. Сбор необходимой информации производится через детектирующие объемы, расположенные на заданных высотах, в конце каждого события данные записываются в соответствующие гистограммы.

2. ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ИСТОЧНИКА ЧАСТИЦ

В представленной работе были проведены расчеты как для спектра ГКЛ (минимум солнечной активности), так и для СКЛ во время событий GLE69 и GLE70. Основной параметр модельного источника – плотность вероятности генерируемых частиц – получается путем нормировки соответствующего дифференциального энергетического спектра. Если для ГКЛ эти данные вычисляются при помощи действующего ГОСТ 25645.150-90, то в случае СКЛ используется уникальная методика, разработанная в ПГИ г. Апатиты [11–14], согласно которой в спектре присутствуют две компоненты – быстрая (PC) и медленная (DC), которые могут быть выражены через формулы:

(4)
${{J}_{{{\text{PC}}}}} = {{J}_{0}}{\text{exp}}({{ - E} \mathord{\left/ {\vphantom {{ - E} {{{E}_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{E}_{0}}}}),$
(5)
${{J}_{{{\text{DC}}}}} = {{J}_{1}}{{E}^{{ - \gamma }}},$
где J0, E0, J1, γ – коэффициенты, различающиеся в зависимости от номера события GLE. Таким образом, для возрастаний с номерами 69 и 70 были использованы параметры, приведенные в табл. 1.

Таблица 1.  

Параметры дифференциальных энергетических спектров протонов СКЛ для событий GLE69 и GLE70, полученные в работе [12] и используемые как входные параметры генератора первичных частиц соответствующего модуля RUSCOSMICS

GLE Дата Коэффициенты
J0 E0 J1 γ
69 20.01.2005 2.5 · 106 0.49 7.2 · 104 5.6
70 13.12.2006 3.5 · 104 0.59 4.3 · 104 5.7

3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

В результате моделирования взаимодействия протонов первичных КЛ с веществом атмосферы Земли, последующего развития каскадов и прохождения частиц вторичных КЛ были получены высотные профили скорости ионизации. Типовые графики, на которых отображен результат как для ГКЛ, так и для СКЛ в случае разных значений жесткости геомагнитного обрезания, представлены на рис. 1. Также для ГКЛ в период минимума солнечной активности была рассчитана скорость ионизации для глобальной модели атмосферы с шагом сетки 5° и для высот от 0 до 80 км с шагом в 1 км. Характерные графики для высот 12 и 5 км, позволяющие оценить показатель скорости ионизации вещества в зависимости от географических координат, приведены на рис. 2 .

Рис. 1.

Высотные профили скорости ионизации, полученные в результате моделирования прохождения первичных ГКЛ через атмосферу Земли и образования в ней каскадов вторичных КЛ с использованием “плоской” геометрии. На графиках представлены данные для события GLE69 и значений жесткости геомагнитного обрезания 1 (а) и 5 ГВ (б), а также для события GLE70 и значений жесткости геомагнитного обрезания 1 (в) и 5 ГВ (г).

Рис. 2.

Значения скорости ионизации, полученные в результате моделирования прохождения первичных ГКЛ через атмосферу Земли и образования в ней каскадов вторичных КЛ с использованием глобальной геометрии (шаг сетки 5 градусов). Данные, представленные на графиках, соответствуют высотам 12 (а) и 5 км (б) от уровня моря, и позволяют как качественно, так и количественно оценить влияние КЛ в зависимости от географических координат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодня модуль, входящий в программный комплекс RUSCOSMICS и предназначенный для расчета прохождения частиц КЛ через атмосферу Земли, позволяет рассчитывать как основные параметры потоков частиц КЛ, так и их влияние на скорость ионизации окружающего вещества. На основании представленных в этой работе результатов можно сделать количественные и качественные оценки влияния КЛ в зависимости от характера спектра первичных протонов и значения жесткости геомагнитного обрезания. Следует заметить, что в текущий момент первые данные, полученные для глобальной модели для случая ГКЛ во время минимума солнечной активности, собраны в базу и будут представлены в полном объеме на сайте проекта [15]. Также ведется разработка по оптимизации кода программы с целью создания near-realtime модели, способной производить быстрые расчеты для событий GLE.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00626.

Список литературы

  1. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука,1975. 462 с.

  2. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. Уч. пос. М.: Наука, 1972. 670 с.

  3. Stozhkov Yu.I., Svirzhevsky N.S., Bazilevskaya G.A. et al. // Adv. Space Res. 2009. V. 44. I. 10. P. 1124.

  4. Usoskin I.G., Kovaltsov G.A. Mironova I.A. // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. P. D10302.

  5. Velinov P.I.Y., Balabin Yu.V., Maurchev E.A. // Compt. Rend. Acad. Bulg. Sci. 2017. V. 70. № 4. P. 545.

  6. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б. и др. // Изв. 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. № 5. P. 657.

  7. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. // Солн.-земн. физ. 2016. Т. 2. № 4. С. 3; Maurchev E.A., Balabin Yu.V. // Sol.-Terr. Phys. 2016. V. 2. № 4. P. 3.

  8. Agostinelli S., Allison J., Amako K. et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. 2003. V. 506. № 3. P. 250.

  9. Picone J.M. et al. // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. № 12A. P. SIA 15-1.

  10. Thébault E., Finlay C.C., Beggan C.D. et al. // Earth, Planets and Space. 2015. V. 67. P. 79.

  11. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Miroshnichenko L.I. // Adv. Space Res. 2008. V. 41. P. 926.

  12. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. // Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. V. 7. № 4. P. 459.

  13. Perez-Peraza J., Gallegos-Cruz A., Vashenyuk E.V. et al. // Adv. Space Res. 2006. V. 38. I. 3. P. 418.

  14. Perez-Peraza J., Gallegos-Cruz A., Vashenyuk E.V. et al. // Adv. Space Res. 2008. V. 41. P. 947.

  15. www.ruscosmics.ru.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал