Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 3, стр. 365-369

Влияние солнечной активности на характеристики событий возрастания фонового гамма-излучения

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

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

* E-mail: balabin@pgia.ru

Поступила в редакцию 15.10.2021
После доработки 05.11.2021
Принята к публикации 22.11.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проведен сравнительный анализ данных о вариациях электромагнитной компоненты за полный цикл солнечной активности (СА) для выявления особенностей возрастаний гамма-излучения при различных фазах СА. Вариации интенсивности космических лучей регистрируются в Апатитах разными детекторами, охватывающими все основные компоненты вторичных космических лучей: нуклонную, электронно-мюонную и электромагнитную (гамма-излучение).

ВВЕДЕНИЕ

Эффект возрастания гамма-излучения при осадках был открыт в лаборатории космических лучей Полярного геофизического института (ПГИ) в 2009 г. [1]. С тех пор продолжается его пристальное изучение [2, 3]. Насущная потребность его изучения в том, что выявлен дополнительный механизм взаимодействия вторичных космических лучей (ВКЛ) с атмосферой. Этот механизм, по всей вероятности, отражает влияние метеорологических процессов (помимо давления и температуры) на потоки ВКЛ в атмосфере.

Электромагнитная компонента (гамма-излучение) ВКЛ производится в атмосфере несколькими процессами [4]: распад мезонов, при котором образуются непосредственно гамма-кванты высокой энергии (десятки и сотни МэВ), тормозное излучения легких заряженных частиц (электронов и позитронов), также образующихся при распаде мезонов, и аннигиляция позитронов. При распространении в атмосфере гамма-кванты с высокой вероятностью рождают электрон-позитронную пару, которая затем также производит тормозное гамма-излучение. В атмосфере возникает каскад [5]: квант – легкие частицы – новые кванты – новые легкие частицы – и так далее, так что на земную поверхность из атмосферы поступает в основном гамма-излучение умеренных энергий (до 5–10 МэВ).

По мере накопления данных на ст. Апатиты возникали вопросы о природе и механизме открытого явления, которые можно было решить только созданием новых точек наблюдений в других климатических и геофизических условиях. К настоящему времени имеются шесть станций (от п. Баренцбург на Шпицбергене до п. Нейтрино на Северном Кавказе), на которых выполняется мониторинг потоков гамма-излучения в приземном слое атмосферы. Используются однотипные детекторы на основе сцинтилляционных кристаллов, разработанные в ПГИ десятки лет назад и использовавшиеся во многих экспериментах. Были проведены различные эксперименты (подробнее о них рассказано в [13]), и установлено, что возрастания гамма-излучения при осадках наблюдаются круглый год на всех станциях. Эти возрастания не связаны с загрязнением осадков радионуклидами и регистрируются только в электромагнитной компоненте, отсутствуют в заряженной. За прошедшее время на ст. Апатиты (как наиболее долго работающей) накоплена огромная база данных событий возрастания (более 900 событий) электромагнитного излучения различной амплитуды и длительности, позволяющая провести сравнительный анализ их параметров на протяжении цикла солнечной активности с 2010 по 2020 г.

Солнечный 11-летний цикл активности проявляется в модуляции потока космических лучей [4]. Он легко обнаруживается в данных нейтронных мониторов или мюонных телескопов как 11-летняя вариация. Выполнение мониторинга фонового гамма-излучения, приходящего из атмосферы, на протяжении десятка лет показало наличие подобной вариации. В этом нет ничего необычного, поскольку гамма-излучение возникает в атмосфере как один из компонентов ВКЛ [4, 5]. Гамма-излучение возникает в атмосфере в результате распада различных короткоживущих частиц. Также легкие заряженные частицы производят тормозное гамма-излучение при движении в атмосфере. Особенностью фонового гамма-излучения в атмосфере является его непрерывный спектр, имеющий степенную зависимость от энергии, и отсутствие характеристических линий элементов.

Как было отмечено выше, мониторинг потоков фонового гамма-излучения выявил интересный эффект – возрастание потока излучения при осадках. Этот эффект наблюдается на всех станциях от Шпицбергена до Кавказа, проявляется круглый год. Амплитуда возрастания достигает в отдельных случаях 100% относительно уровня хорошей погоды накануне, длительность зависит от длительности осадков и порой достигает нескольких суток.

Наличие большой базы данных по событиям возрастаний на протяжении 2010–2020 г. позволяет провести исследование и ответить на вопрос: проявляется ли солнечная активность в характеристиках событий возрастаний: их амплитуды, частоты событий, выделившейся энергии.

ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

На всех станциях измерения проводятся с помощью сцинтилляционного детектора, разработанного в ПГИ для исследований рентгеновского излучения в стратосфере. Используется кристалл NaI(Tl) размером ∅62 × 20 мм. Имеются выходные каналы >20, >60, >100 и >200 кэВ, в наших исследованиях используются только два канала >20 и >100 кэВ. Для исключения влияния гамма-излучения от земли и различных объектов детекторы помещены в стаканы, сложенные из свинцовых кирпичей размером 200 × 100 × 50 мм. Глубина стакана примерно в полтора раза больше высоты детектора, так что прием излучения производится из сектора в верхней полусфере, в который не попадают наземные объекты. Для калибровки детекторов использовались линии америция-241 и цезия-137. Детекторы гамма-излучения располагаются в строениях с легкой крышей (типа чердака) в термостабилизированных боксах, чтобы снизить температурные колебания внешней среды. Температура кристалла является одной из непрерывно контролируемых величин, и она в течение года изменяется не более, чем на 2°С, что для задач мониторинга потоков гамма-излучения является хорошим показателем.

На рис. 1 приведены вариации потоков космических лучей по данным нейтронного монитора (НМ), бессвинцовой секции НМ и гамма-детектора. Бессвинцовая секция НМ чувствительна к нейтронам с энергиями от тепловых (0.025 эВ) до 1 МэВ. В данных бессвинцовой секции четко наблюдается годовая вариация, связанная с сезонными изменениями на поверхности земли и атмосферы [5]. У НМ, который чувствителен к нуклонам с энергией >50 МэВ [4], сезонной вариации не наблюдается, а имеющиеся на профиле вариации связаны с изменениями солнечной активности.

Рис. 1.

Примеры 11-летней вариации, связанной с солнечной активностью. Данные нейтронного монитора (а). Данные бессвинцовой секции нейтронного монитора (б). Данные гамма-детектора на ст. Апатиты, где верхний график (черным цветом) соответствует потоку квантов Е > 20 кэВ, а нижний (синий) – Е > 100 кэВ, красной линией на обоих графиках показан текущий базовый уровень (в).

Сезонная вариация в потоках гамма-излучения наибольшая, достигает 25% в Апатитах. По-видимому, это обусловлено сложением нескольких эффектов от сезонных изменений в атмосфере, и в первую очередь связано с атмосферным температурных эффектом [4, 6]. “Бахрома” на профиле гамма-детектора является теми самыми событиями возрастания гамма-излучения при осадках, но сильно усредненными. Хотя сезонная зависимость числа событий и амплитуды заметна на глаз, для надежных выводов требуется в первую очередь устранить в данных гигантскую сезонную вариацию. На рис. 2. показан результат удаления из данных этой вариации. Устранение сезонной вариации осуществлено методом сглаживания и фильтрации данных. Полученная чистая сезонная вариация затем вычиталась из исходных данных. Разность является превышением потока гамма-излучения над текущим базовым уровнем. Эта разность рассматривается как дополнительный поток, обусловленный локальным состоянием атмосферы. Отметим, что базовый уровень вычислялся не как средний за несколько лет, а именно средний для данного года и текущего момента (почему и назван текущим базовым уровнем). Такой метод обеспечил выделение дополнительного потока с меньшей ошибкой, поскольку сезонная вариация каждый год имеет свои особый профиль (см. рис. 1) в соответствии с особенностями состояния атмосферы каждый год. Все дальнейшие операции проводились с этим дополнительным потоком (разностью).

Рис. 2.

Вариации потока гамма-излучения после удаления сезонной вариации. Этот поток назван дополнительным к базовому. Канал >100 кэВ.

Как видно из рис. 1в, события возрастания гамма-излучения случаются десятки раз в год (“бахрома” над красными линиями), причем, и амплитуда и частота событий увеличиваются в теплый период. Амплитуда возрастаний отсчитывается от текущего базового уровня (уровень хорошей погоды непосредственно перед событием).

Дополнительными измерениями было установлено, что во время возрастаний не наблюдается изменений спектра, а происходит только пропорциональное увеличение потока. Для этого параллельно в общую систему сбора данных был включен измеритель дифференциального спектра гамма-излучения. Он создан на кристалле NaI(Tl) размером ∅150 × 100 мм, имеет рабочий диапазон 0.1–10 МэВ. Именно на этом спектрометра было точно установлено, что какие-либо характеристические линии отсутствуют (кроме неустранимой линии калий-40) в спектре гамма-излучения как в ясную погоду, так и при возрастании [7, 8]. Зная форму спектра, можно вычислить среднюю энергию, приносимую одним гамма-квантом и вызывающего один импульс в детекторе. Таким образом, счет детектора пересчитывается в энергию, выделившуюся в детекторе от дополнительного потока гамма-излучением за установленное время. Такая замена дает возможность пользоваться интегральной величиной, а не средней, хотя в ряде случаев они могут совпадать. На рис. 3. приведен результат: суммарная выделившаяся за месяц энергия, принесенная дополнительными гамма-квантами. В отличие от рис. 2, явно выражена зависимость выделившейся энергии от фазы солнечной активности. События возрастания амплитудой более 50–60% отмечались почти каждый год, в амплитудном распределении зависимости от фазы цикла не заметно (см. рис. 2). Однако, при переходе к величине выделившейся энергии (рис. 3а) такая зависимость становится явной.

Рис. 3.

Выделившаяся дополнительная энергия, связанная с событиями возрастания, за период 2010–2020 гг. Использовано месячное накопление. Период 2013–2016 гг. соответствует максимуму солнечной активности (а). Средние годовые профили выделившейся энергии для периода высокой солнечной активности (2013–2016, линия 1) и для периода низкой солнечной активности (2010–2012 и 2017–2020, линия 2). Получены методом наложения эпох для соответствующих периодов (б). Стандартное отклонение составляет ~1.5 единиц шкалы для обоих графиков. Оно не показано, чтобы не загромождать рисунок.

В среднем годовом профиле выделенной энергии (рис. 3б) также заметны различия для периода высокой активности Солнца (2013–2016 годы) и слабой активности (2010–2012 и 2017–2020). С мая по январь наблюдается явное превышение среднего выделения энергии в период слабой активности Солнца. А в период февраль-апрель количество выделившейся энергии не зависит от фазы цикла и находится на минимуме.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Отдельные события возрастания в летний период каждый год случаются амплитудой от 50 до 100%, однако, уже по рис. 2 можно заметить, что “бахрома” в периоды малоактивного Солнца “гуще и выше”, чем в период высокой активности. При этом сам базовый уровень испытывает годовые колебания около 30%, что маскирует возможные небольшие вариации другой природы. Разработанная методика позволяет выделить дополнительный поток, создаваемый событиями возрастаний, и обнаруживает, что действительно интенсивность событий возрастания зависит от 11-летнего солнечного цикла, снижаясь в период максимума солнечной активности (2013–2016) и возрастая в периоды малой активности Солнца. Это касается как пиковых выделений энергии, так и среднего годового профиля за несколько лет. Причем, наибольшие различия приходятся на вторую половину года (лето и осень).

В целом такая зависимость не вызывает удивления. Поток космических лучей, приходящий на Землю, имеет 11-летнюю вариацию, причем, максимум активности Солнца приходится на минимальный поток космических лучей. Поскольку гамма-излучение, возникающее в атмосфере, производится ВКЛ, вероятно, оно будет иметь те же вариации, что и ВКЛ. Однако, более сильные годовые вариации, связанные с сезонными изменениями атмосферы, маскируют более слабые, связанные с 11-летним циклом. Примененная методика позволила выделить отдельно вариацию, связанную с 11-летней солнечной активностью. Пока такие длинные ряды данных имеются для одной станции. Было бы полезно установить, как зависят вариации от геофизических условий, и проанализировать данные других станций. В настоящее время измерения фонового гамма-излучения выполняются на архипелаге Шпицберген (морской арктический регион), в Ростове-на-Дону (степная равнинная область), в Восточных Саянах и на Кавказе (высокогорная область), но пока ряды данных на этих станциях короткие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наличие в Апатитах данных о потоках гамма-излучения на протяжении всего 24-го цикла солнечной активности (2010–2020) позволило провести поиск вариаций, не связанных с сезонными изменениями атмосферы. Обнаружено, что дополнительный поток гамма-квантов, создаваемых событиями возрастания при осадках, уменьшается в период максимума солнечной активности в 2013–2016 гг. Вероятнее всего, это изменение связано с общим уменьшением потока ВКЛ при максимуме солнечной активности.

Список литературы

  1. Germanenko A.V., Balabin Yu.V., Vashenyuk E.V. et al. // Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. V. 7. No. 4. P. 471.

  2. Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б., Вашенюк Э.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2013. Т. 77. № 5. С. 639; Balabin Y.V., Germanenko A.V., Gvozdevsky B.B., Vashenyuk E.V. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2013. V. 77. No. 5. P. 572.

  3. Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б., Вашенюк Э.В. // Геомагн. и аэроном. 2014. Т. 54. № 3. С. 376.

  4. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975. 402 с.

  5. Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. М.: Изд-во МГУ, 1988. 320 с.

  6. Дорман Л.И. Метеорологические эффекты космических лучей. М.: Наука, 1972. 210 с.

  7. Balabin Yu.V., Germanenko A.V., Gvozdevsky B.B., Vashenyuk E.V. // J. Phys. Conf. Ser. 2013. V. 409. Art. No. 012243.

  8. Germanenko A.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B., Vashenyuk E.V. // J. Phys. Conf. Ser. 2013. V. 409. Art. No. 012241.

Дополнительные материалы отсутствуют.