Космические исследования, 2022, T. 60, № 6, стр. 479-485
Вариации космических лучей в 2021 г. по данным наблюдений экспериментального комплекса Евразийского национального университета
А. К. Морзабаев 1, В. С. Махмутов 2, 3, Е. А. Тулеков 1, *, В. И. Ерхов 2, М. В. Филиппов 2
1 Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева
Нур-Султан, Казахстан
2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
Москва, Россия
3 Московский физико-технический институт
Москва, Россия
* E-mail: yerzhan_ta@mail.ru
Поступила в редакцию 28.02.2022
После доработки 02.05.2022
Принята к публикации 04.05.2022
- EDN: SNYWXU
- DOI: 10.31857/S0023420622060073
Аннотация
В данной работе исследуются вариации вторичных космических лучей совместно с изменениями характеристик приземного электрического поля и метеорологических параметров приземной атмосферы. Данные наземного комплекса, установленного в Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева (ЕНУ), позволяют проводить исследования природы вариаций космических лучей на разных временных масштабах и могут качественно дополнить мировой банк данных наряду с данными существующей сети наземных детекторов потоков вторичных космических лучей. Экспериментальные данные комплекса размещены в открытом доступе на сайте университета https://enu.kz.
1. ВВЕДЕНИЕ
В процессах, происходящих в атмосфере, влияющих на климат и погоду космические лучи представляют важную роль и обуславливают свойства глобальной электрической цепи Земли. Исследование физической природы вторичных космических лучей, а также их возможного влияния на атмосферные процессы на разных временных масштабах является, в связи с этим, крайне актуальным.
Одна из фундаментальных задач изучения физики атмосферы – исследование атмосферного электричества. Принято считать, что все проявления атмосферного электричества и его взаимосвязи с галактическими космическими лучами и метеоусловиями обусловлены, в основном, электрическим полем (включая условия “fair weather”). Непрерывное наблюдение характеристик атмосферного электрического поля особенно актуально для исследования влияния конвекции на электрическую проводимость в приземном атмосферном слое, зависимости от интенсивности потока космических лучей, электрических процессов, происходящих в атмосфере, свойств глобальной электрической цепи.
2. МЕТОДЫ
В 2015 г. в Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева (ЕНУ), в содружестве с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН, был создан научный космофизический комплекс [1, 2], состоящий из двух детекторов CARPET, Нейтронного детектора [3] и электростатического флюксметра EFM-100 (Boltek, США).
EFM-100 предназначен для исследования атмосферно-электрических характеристик вблизи поверхности Земли и мониторинга электрического поля атмосферы [4]. В основу работы этого устройства положен принцип действия электростатистического генератора: в проводнике, находящимся в переменном электрическом поле, возникают индуцированные заряды. Величина индукционного тока прямо пропорциональна напряженности поля. Он также регистрирует разряды гроз и способен детектировать высокую напряженность электрического поля, которая предшествует первым разрядам молний.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Динамика измерений экспериментальных данных комплекса ЕНУ и типичные ряды данных электрического поля, полученные на других станциях, показывают характерную периодичность поведения электрического поля в условиях “fair weather”, которая обусловлена воздействием потоков космических лучей, изменением баланса ионов во время заката и восхода Солнца и др. В формировании атмосферного электрического поля важную роль играет космические лучи, оказывающие ионизирующее воздействие [5].
Как видно на рис. 1, величина атмосферного электрического поля возрастает во время восхода Солнца при проявлении эффекта солнечного терминатора. При этом, особо отмечается вечерний солнечный терминатор.
Рис. 1.
Вариации электрического поля по данным комплекса ЕНУ: верхний график – данные о вариациях напряженности приземного электрического поля за 12.09.2021 с усреднением за 1 мин, нижний график – суточные вариации напряженности приземного электрического поля, полученные с помощью метода наложения эпох по данным за сентябрь 2021 г. (при условии “fair weather”).
На рис. 2 и 3 представлены графики некоторых случаев регистрации резкого повышения темпа счета детекторов CARPET при регистрации гроз флюксметром EFM-100. Дополнительное сопоставление метеоданных и данных EFM-100 показывает, что значительные вариации электрического поля происходят не только во время грозовой активности, но и при наличии плотной (мощной) облачности.
Рис. 2.
События регистрации увеличения потоков космической лучей во время изменения электрического поля в период 28.08.2021 (минутные значения, скорректированные на давление, сглаживание кривой по 30 точкам, прямоугольник серого цвета – период осадков).
Рис. 3.
Увеличение счета N1, N2 для случаев грозовой и предгрозовой активности, зарегистрированное 11 и 17-го сентября 2021 г. (поправленные на давление, усреднение 30 мин, прямоугольник серого цвета отмечает период осадков).
Начиная с июля 2021 г. один из двух модулей установки (CARPET 2) смонтирован на крыше космофизического комплекса ЕНУ возле детектора EFM-100. Другой модуль установки функционирует внутри помещения (CARPET 1). Такая конфигурация аппаратуры позволяет получить дополнительную информацию по динамике потока общеионизирующей компоненты вторичных космических лучей: были зафиксированы возрастания потоков частиц в дни, характеризуемые резкими, кратковременными изменениями напряженности приземного электрического поля, грозовой и предгрозовой активностью.
События июля 2021 г., связанные с резким изменением параметров приземного электрического поля и характеристики изменений потоков частиц, приведены в табл. 1: для каждого события указаны дата и интервал времени наблюдения (UTС), амплитуды возрастаний темпа счета детектора CARPET для двух модулей по всем трем каналам (верхний – N1, нижний – N2, телескоп – N12) и нейтронного детектора (ND) относительно спокойного невозмущенного уровня. Указан диапазон изменения напряженности электрического поля (ΔЕ), по данным измерений электрического поля флюксметром EFM-100. Метеорологические условия для приведенных событий определены по данным метеостанции (UACC) – аэропорт г. Нур-Султан.
Таблица 1.
Сводные данные по событиям июля 2021 г.
| Дата | Время (UTС) | КОВЕР, A% | НД, A% | ΔE, кВ/м | Метеоусловия (UTС) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CARPET 1 | CARPET 2 | гроза | ливни, дожди | облака, высота | ||||||||
| N1- Up | N2-Low | N12-Tel | N1- Up | N2-Low | N12-Tel | |||||||
| 6.VII.2021 | ~04.00–07.00 | ~2.1 | ~ 1.1 | – | ~1.2 | ~1.0 | ~2.1 | – | ~–7.5…+10.5 | ~04.45–05.20 | ~02.30–03.00, ~05.00–05.30 | ~900–1500 м |
| 8.VII.2021 | ~18.30–22.30 | ~1.2 | ~1.2 | – | ~1.5 | ~1.5 | – | – | ~–19.5…+12.5 | ~13.05– 20.30 | ~17.30–21.00 | ~900–1500 м |
| 10.VII.2021 | ~00.00–05.00 | ~1.9 | ~1.3 | – | ~2.4 | ~2.3 | – | – | Нет данных | ~00.00– 01.30 | ~00.00–00.10 | ~1380 м |
| 14.VII.2021 | ~00.00–14.30 | ~2.1 | ~2.1 | – | ~17.8 | ~16.2 | – | – | ~–1.5…+0.1 | – | ~00.00–01.30, ~02.30–04.00, ~05.00–05.30, ~06.00–09.00, ~10.00–10.30, ~12.00–13.00 | ~270–900 м |
| 16.VII.2021 | ~00.00–04.30 | – | – | – | ~4.3 | ~4.1 | ~2.4 | – | ~–7.5…+2.5 | – | ~00.00–02.00, ~02.50–03.10, ~07.30–08.00 | ~180–1290 м |
| 17.VII.2021 | ~19.00–23.30 | ~1.1 | ~2.1 | – | ~7.4 | ~6.8 | ~4.0 | – | ~–16.5…+8.5 | – | ~18.00–19.30, ~20.30–21.00, ~22.30–23.00 | ~1200 м |
Всего в июле 2021 года зафиксировано шесть событий возрастания скорости счета модулей CARPET 1, CARPET 2 в каналах N1, N2, N12. Из которых три события зафиксированы до перемещения модуля CARPET 2 на крышу лабораторного корпуса (события 06.07.2021, 08.07.2021 и 10.07.2021). При перемещении модуля CARPET 2 на крышу лабораторного корпуса изменилась структура получаемых данных, за счет снятия эффекта экранирования потока, в основном низкоэнергичных частиц для данного модуля. Также стоит отдельно отметить, что по данным установки ND возрастания темпа счета ни для одного из событий зафиксированы не были.
Событие 08.07.2021
На рис. 4 для события 08.07.2021 приведены данные темпа счета модулей CARPET 1, CARPET 2 по каналам N1, N2 с поправкой и без поправки на атмосферное давление и величины напряженности электрического поля с секундным разрешением.
Рис. 4.
Графики изменения значений счета модулей CARPET 1, CARPET 2 по каналам N1, N2 для события от 08.07.2021 (скорректированные на давление, усреднение 30 мин, прямоугольник серого цвета – период осадков).
Грозовая и предгрозовая активность анализировалась по данным метеостанции (UACC) – аэропорт г. Нур-Султан. Грозовая активность зафиксирована в период с ~13.05 до ~20.30 (UTC). За этот период зарегистрировано 18 грозовых событий.
В период регистрации превышения темпа счета CARPET 1 и CARPET 2 наблюдалась облачность в диапазоне высот ~900–1500 метров (разорванная облачность (60–90%), кучево-дождевые облака) и осадки ~17.30–21.00 UTC (слабые ливни, дождь, гроза).
Как было отмечено выше, для изучения физических свойств атмосферного электрического поля необходимо исследовать его взаимосвязь с гелиофизическими воздействиями Солнца и вариациями космических лучей. При этом, представляется интересным сравнить и установить корреляцию между Ez и интенсивностью потока космических лучей. Так, в работе [6] отмечено увеличение интенсивности космических лучей в атмосфере Земли, сопровождающееся ростом облачности. Это связано с возможным влиянием вторичных космических лучей на формирование индуцированных аэрозолей, перераспределением ядер конденсации в электрическом поле атмосферы и образованием мезосферных и стратосферных облаков. Связь потока космических лучей с другими величинами особенно хорошо проявляется во время понижений его интенсивности, в частности в периоды регистрации Форбуш-понижений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенный анализ полученных предварительных экспериментальных данных наблюдений, показывает, что установки экспериментального комплекса ЕНУ им. Л.Н. Гумилева позволяют исследовать природу вариаций космических лучей [7], а также их связь с атмосферными процессами на разных временных масштабах.
Сбор и автоматическое сохранение данных детектора заряженных частиц CARPET, Нейтронного детектора (ND) и флюксметра EFM-100 на базе ЕНУ в г. Нур-Султан является необходимым фактором в изучении геофизических процессов и в решении многих практических задач.
Данные наземного комплекса также позволяют проводить долговременные измерения и могут качественно дополнить общемировой банк данных наряду с данными существующей сети наземных детекторов.
Список литературы
Philippov M.V., Makhmutov V.S., Stozhkov Yu.I. et al. 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. 2020. V. 959. P. 163567. https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163567
Тулеков Е.А., Махмутов В.С., Базилевская Г.А., Стожков Ю.И., Морзабаев А.К., Филиппов М.В., Ерхов В.И., Дюсембекова А.С. // Наземная установка для изучения вариаций космических лучей в городе Нур-Султан. Геомагнетизм и аэрономия, 2020. Т. 60. № 6. с. 704–709. (Tulekov E.A., Makhmutov V.S., Bazilevskaya G.A. et al. Ground-based Instrument for the Study of Cosmic Ray Variation in Nur-Sultan // Geomagnetism and Aeronomy. 2020. V. 60. № 6. P. 693–698. https://doi.org/10.1134/S001679322006013410.1134/S0016793220060134)https://doi.org/10.31857/S0016794020060139
Филиппов М.В., Махмутов В.С., Стожков Ю.И. и др. Наземная установка для детектирования нейтральной компоненты космических лучей “Нейтронный детектор” // Приборы и техника эксперимента. 2020. № 5. С. 96–103. (Philippov M.V., Makhmutov V.S., Stozhkov Yu.I., and Maksumov O.S. // Instrum Exp Tech. (2020), V. 63. № 3. P. 388–395.https://doi.org/10.1134/S002044122003003310.1134/S0020441220030033)https://doi.org/10.31857/S0032816220050298
Tulekov Ye.A., Morzabaev A.K., Makhmutov V.S. et al. Variations of cosmic rays in the period 2016–2019 according to observations of the ENU experimental complex // Bulletin of L.N. Gumilyov ENU. Physics. Astronomy Series. 2020. V. 133. № 4. P. 79–95. https://doi.org/10.32523/2616-6836-2020-133-4-79-85
Tulekov Ye.A., Morzabaev A.K., Makhmutov V.S. et al. Study of the electric field variation based on preliminary observations at the ENU cosmophysical complex in 2020 // Bulletin of the Karaganda University. 2021. V. 102. № 2. P. 693–698. https://doi.org/10.31489/2021Ph2/25-32
Лапшин В.Б., Паньшин Е.А., Сыроешкин А.В. Гелиогеофизические процессы и климат // Мир измерений. 2013. № 2. С. 7–10.
Tulekov Ye.A., Morzabaev A.K., Makhmutov V.S. The Forbush-decreases in cosmic ray fluxes and Solar-proton events in July and September 2017 // Recent Contributions to Physics. 2021. V. 77. № 2. P. 10–17. https://doi.org/10.26577/10.26577/RCPh.2021.v77.i2.02
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Космические исследования
Пн.-пт.: 10.00-19.00