Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 11, стр. 1666-1668

ВВЕДЕНИЕ

Космические лучи (КЛ) определяют свойства глобальной электрической цепи и играют существенную роль в атмосферных процессах. Поэтому изучение физической природы вариаций потоков вторичных КЛ на разных временных масштабах (суточных, 27-дневных, сезонных, годовых и т.д.), вызванных солнечной активностью, сейсмической и грозовой активностями и атмосферными процессами является актуальной задачей [1–3]. При этом создание и использование наземных измерительных научных комплексов является необходимым для получения экспериментальной базы данных для таких исследований.

С этой целью в 2015 г. на территории астрономического комплекса КАСЛЕО (CASLEO; Эль-Леонсито, Сан-Хуан, Аргентина), в содружестве с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН, был создан наземный космофизический комплекс, состоящий из детектора КОВЕР (CARPET), трех модулей нейтронного детектора (ND), четырех модулей гамма-спектрометра (GAMMA) и монитора электрического поля (электростатического флюксметра) EFM-100 [3–9].

В статье представлены предварительные результаты анализа совокупности экспериментальных данных, полученных на указанном наземном комплексе во время сейсмоактивных событий, зарегистрированных с середины июня 2015 по начало марта 2020 г. Проведен анализ данных, полученных во время отдельных землетрясений и для совокупной выборки событий.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Характеристики сейсмической активности в районе комплекса КАСЛЕО в период середина июня 2015–начало марта 2020 гг. были получены по данным, представленным на электронном ресурсе [10]. За указанный период было зарегистрировано 251 землетрясение. Для каждого события были определены его время, магнитуда, расстояние от эпицентра до КАСЛЕО (с точностью ~10 км) и глубина залегания гипоцентра. На рис. 1 представлены статистические распределения землетрясений по магнитуде, расстоянию от КАСЛЕО до эпицентра и глубине гипоцентра. Из представленных данных следует, что магнитуда большинства землетрясений находится в диапазоне 4–6 баллов, удаление от КАСЛЕО составляет от 10 до 460 км и гипоцентр находится на глубине от 5 до 210 км. Результаты анализа приведенных распределений, в том числе 2-х пиковой структуры распределения величины глубины гипоцентров землетрясений будут представлены в отдельной работе. В целом, события распределены относительно равномерно по месяцам года (в среднем, 3–5 событий в месяц). Исключением является сентябрь 2015 г., в течение которого произошло 46 землетрясений.

Рис. 1.

Статистические распределения характеристик землетрясений, зарегистрированных в районе астрономического комплекса КАСЛЕО (CASLEO) в период c середины июня 2015 г. по начало марта 2020 г.: по величине магнитуды события (панель а), расстоянию от КАСЛЕО до эпицентра (б) и глубине залегания гипоцентра (в).

Измерения заряженной и нейтральной компонентов КЛ в приземном слое атмосферы проводились с помощью наземного комплекса аппаратуры. Подробное описание перечисленных выше детекторов приведено в работах [3–8]. Приведем их основные характеристики.

Детектор заряженных частиц КОВЕР состоит из 240 газоразрядных цилиндрических счетчиков Гейгера СТС-6, расположенных в 2 слоя по 120 счетчиков, объединенных по логической схеме “ИЛИ”. Слои разделены алюминиевым поглотителем толщиной 7 мм. Данные измерений формируются по трем детектирующим каналам. N₁ (верхний слой счетчиков) и N₂ (нижний слой счетчиков) – интегральный счет (за 0.5 с) заряженных частиц: электронов (позитронов) с энергией Е ≥ 200 кэВ, протонов с Е ≥ 5 МэВ, мюонов c Е ≥ 1.5 МэВ и гамма-квантов с Е ≥ 20 кэВ (эффективность регистрации гамма-квантов меньше 1%). Третий канал – “телескоп” (совпадения импульсов N1 и N2), регистрирует электроны и позитроны с энергией Е ≥ 5 МэВ, протоны с Е ≥ 30 МэВ и мюоны c Е ≥ 15.5 МэВ.

Нейтронный детектор состоит из 3-х идентичных модулей, в каждый из которых входят девять ³He счетчиков СНМ-18, экранированных двумя слоями полиэтилена для понижения энергии быстрых нейтронов до тепловых значений.

Гамма-спектрометр состоит из 4-х детектирующих модулей, в состав которых входят кристалл NaI(Tl) и фотоумножитель R1307 Hamamatsu. АЦП спектрометра обеспечивает 128 уровней квантования сигнала в диапазоне энергии от 40 кэВ до 3 МэВ.

На рис. 2 в качестве примера приведены результаты измерения заряженной и нейтральной компонентов КЛ и электрического поля в приземной атмосфере в период с 21 января 2017 г. (14:50 UT) по 22 января 2017 г. (14:50 UT). Вертикальная линия соответствует времени землетрясения магнитудой 4.7 балла, произошедшего 22 января 2017 г. в 02:50 UT на удалении 50 км от КАСЛЕО. На основе приведенных данных можно отметить следующее: за 5–6 часов до события наблюдалась грозовая активность. Во время грозовой активности зарегистрированы сильные вариации электрического поля (более 20 кВ/м) в течение 1.5 ч, увеличение темпа счета (до ~14%) малоэнергичной вторичной компоненты КЛ (N₁), повышение счета гамма-спектрометра (N_gamma) в каналах 50 кэВ–2 МэВ. Уменьшение темпа счета детектора тепловых нейтронов (N_ND), начавшееся около 22:00 UT, связано с дождевыми осадками. Само землетрясение произошло на фоне увеличенного приземного электрического поля (до ~3 кВ/м) в течение одного часа. Также следует отметить, что спустя ~1 ч 20 мин после землетрясения, детектором EFM-100 зарегистрированы повторные вариации электрического поля амплитудой от ‒20 до 16 кВ/м в течение одного часа.

Рис. 2.

Данные измерений в период 21 января 2017 г. (время отсчитывается с 14:50 UT) по 22 января 2017 г. (14:50 UT): – 30 секундный темп счета N₁ заряженной компоненты, зарегистрированный детектором КОВЕР (а); напряженность приземного электрического поля (30 с данные) (б); темп счета в минуту нейтронного детектора (в); 10 мин данные гамма спектрометра (Ngamma) (г) и изменение атмосферного давления (1 мин данные) (д). Вертикальная линия соответствует времени регистрации землетрясения 22 января 2017 г. (02:50 UT).

Таким образом, приведенные экспериментальные данные предполагают образование протяженной области, в которой наблюдаются вариации напряженности электрического поля на удалении ~50 км от эпицентра землетрясения. Модуль амплитуды этих вариаций превосходит 15 кВ/м. При этом, само землетрясение (в 02:50 UT) наблюдалось в условиях небольшого увеличения электрического поля (до 3 кВ/м). Далее был проведен совместный анализ небольшой произвольной выборки событий, состоящей из 20 землетрясений с магнитудой 3.8–6.4 балла, удаленных от КАСЛЕО на расстоянии 15–90 км. В 15% выбранных событий наблюдались длительные (от 1.5 до 2.5 ч) мощные вариации электрического поля с амплитудой более 20 кВ/м, которые произошли за 4–6 ч до землетрясения. Для исследования вариаций нейтральной и заряженной компонентов КЛ, а также электрического поля в приземной атмосфере в районе КАСЛЕО был использован метод наложенных эпох. Данный метод был применен к указанной выше выборке событий на временном интервале ±12 ч от начала землетрясения. На основании результатов анализа данных установлено, что события наблюдаются в период увеличенного приземного поля (на протяжении 12 ч). При этом нередко сейсмическая активность наблюдается в период повышенной грозовой активности в атмосфере. Дополнительно, за 4.5 ч до события наблюдается длительная (в течение 2.5 ч) вариация малоэнергичной заряженной компоненты КЛ и гамма-излучения. Однако при этом отсутствует увеличение темпа счета нейтронной компоненты. В будущем, будет проведен анализ экспериментальных данных, полученных во время зарегистрированных землетрясений.