Космические лучи (КЛ) представляют собой поток заряженных частиц высоких энергий из космического пространства, которые взаимодействуют с верхними слоями земной атмосферы и генерируют поток вторичных частиц. Вариации космических лучей, регистрируемые на поверхности Земли, несут информацию о различных солнечных, гелиосферных и атмосферных явлениях. Одним из ярких примеров влияния солнечной активности на космические лучи является форбуш-эффект (ФЭ), который представляет собой резкое понижение интенсивности КЛ, вызванное отклонением заряженных частиц неоднородностями межпланетного магнитного поля (ММП). Этот эффект получил название по имени американского физика С. Форбуша, который в период с 25 по 30 апреля 1937 г. одновременно на 2-х станциях — в Челтнеме (Мэрилэнд, США) и Хуанкайо (Перу) впервые обнаружил понижение потока космических лучей при их регистрации в ионизационных камерах во время геомагнитных бурь [1]. Часто форбуш-эффект называют форбуш-понижением (ФП). Такое понижение интенсивности КЛ может быть обусловлено отклонением частиц первичного космического излучения различными крупномасштабными неоднородностями: магнитными полями облаков солнечной плазмы, которые образуются при корональных выбросах масс (КВМ) во время активных процессов на Солнце (рис. В.1) — ударными волнами, которые формируются при движении вращающихся вместе с Солнцем высокоскоростных потоков солнечного ветра (СВ) из корональных дырдругими явлениями в гелиосфере. Более общее определение ФЭ было дано в работе [2], в которой авторы определили форбуш-эффект, как изменение плотности и анизотропии первичных космических лучей, обусловленное крупномасштабными распространяющимися возмущениями СВ.
Форбуш-эффекты наблюдаются различными установками, регистрирующими КЛ: нейтронными мониторами (НМ) — мюонными телескопамимюонными годоскопамиспутниковой аппаратуройдругими детекторами (в том числе мюонными), которые входят в состав установок по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ).
Рисунок В. 1. Схема модуляции космических лучей, связанной с КВМ (слева) [3, 4].
Пример ФП по данным нейтронного монитора ИЗМИРАН [5] (справа).
Исследования форбуш-эффектов на поверхности Земли ведутся в основном с помощью наземных нейтронных мониторов. Этот подход является практически стандартным и чувствителен к вариациям КЛ относительно низких энергий, которым соответствуют большие амплитуды наблюдаемого эффекта. Нейтронные мониторы объединены в единую сеть, которая позволяет проводить глобальную съемку вариаций космических лучей по всему земному шару с помощью установок, расположенных в различных географических точках.
В последние годы непрерывный мониторинг космических лучей наземными детекторами, который проводится уже более полувека, изменился качественно, и его возможности существенно расширились (рис. В.2) [6].
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004.
Рисунок В. 2. [6]: Рост числа станций КЛ, публикующих данные в Интернете в реальном времени. Вид представления: 0 и 1 — цифровое и графическое, 1-отладка, 2 — только цифровое, 3- только графическое.
В работе [6] отмечено, что интернет позволяет, наряду с данными локальных детекторов, оперативно собирать и обрабатывать данные удаленных станций КЛ. Это дает возможность определять характеристики КЛ не ретроспективно, а в режиме реального времени. Кроме того, эти характеристики можно анализировать совместно с другими регулярно обновляемыми рядами солнечных, межпланетных и геофизических данных.
Для изучения энергетических характеристик ФП также используется сеть наземных нейтронных мониторов, которые размещены на различных географических широтах, то есть имеют различные жесткости геомагнитного обрезания. Воздействие магнитного поля на заряженные частицы космических лучей зависит от величины магнитной жесткости частицы, которая определяется выражением: о Рс.
Я = —, (В1.1) е где р — импульс частицы, с — скорость света, 2е — заряд частицы. Единицы измерения жёсткости — вольты (гигавольты).
Магнитное поле Земли допускает приход на данную геомагнитную широту в определенном направлении только тех частиц, жесткость которых превышает определенную величину (ЯПОр — пороговая жесткость). Значения пороговой жесткости для каждой геомагнитной широты дает теория геомагнитных эффектов. Известно, что над каждой точкой на Земле пространство можно разделить на три области: главный конус, конус Штермера и область пенумбры. Для частиц с заданной жесткостью все направления, лежащие внутри главного конуса, разрешены, все направления, расположенные вне конуса Штермера, — запрещены, а в области пенумбры разрешенные и запрещенные направления чередуются, образуя в достаточной мере запутанную картину. Как правило, пороговая жесткость лежит внутри пенумбры [7].
На рис. В. З показано распределение НМ по поверхности Земли и приведены геомагнитные жесткости обрезания для вертикального направления прихода частиц. orn/Stit.
Hafele.kar Moscow Kiev Ji^H Kiel.
Dourbes Gif/Yvette-a Jungfrau^och'^g.
Cosmic Ray Neutron Monitors, 2003.
Turku Apatity.
Magnetic Equator.
Selected lines of constant vertical cutoff rigidity (Labelled in GV) se Bay.
Washington .Durham.
K. R. Pyle 7/97 eol 1/03.
Рисунок В. З. Расположение НМ на поверхности Земли (линиями показаны пороговые жесткости) [8].
Изучение форбуш-понижений на различных геомагнитных широтах позволяет исследовать зависимость величины ФП от жесткости геомагнитного обрезания. Эту зависимость обычно аппроксимируют выражением Ry. При описании различных ФП или их совокупности значения у имеют большой разброс от 0.4 до 1.4. В среднем значение у, по-видимому, близко к 1 [9]. Полученные оценки величины у используются для изучения различных гелиосферных параметров. Так в работе [10] по данным наземных и спутниковых измерений интенсивности космических лучей исследованы вариации жесткостного спектра протонов в энергетическом диапазоне от 15 МэВ до десятков ГэВ. Определены параметры модельного жесткостного спектра KJ1 за каждый час наблюдений, и по их значениям проведена оценка характеристик электромагнитных полей солнечной короны и гелиосферы, ответственных за мощное спорадическое явление в ноябре 2004 г.
Исследования временных изменений показателя амплитудного спектра КЛ проводились с использованием данных трех нейтронных мониторов (Calgary, Halekala, Thule) и мюонного телескопа Нагоя во время форбуш-эффекта 9 сентября 2005 года рис. В.4 [11]. Результаты анализа, проведенного авторами этой статьи, показывают, что показатель спектра жесткости KJ1 во время ФП уменьшается, то есть в минимуме ФП спектр становится более жестким.
Date, Year 2005, September.
Рисунок B.4. [11] - Динамика степенной зависимости спектра жесткости для нейтронных мониторов Calgary, Halekala, Thule и мюонного телескопа Нагоя во время ФЭ 9 сентября 2005 года.
Более всестороннее рассмотрение форбуш-эффектов и их связи с солнечной и геомагнитной активностью проведено в статье [12]. Для этого создана база транзиентных явлений в космических лучах и межпланетной среде, которая непрерывно пополняется данными о новых событиях. На основе этих данных исследуются зависимости величины форбуш-эффектов (амплитуда, %) от различных внутренних и внешних характеристик, а также выделены различные группы событий. В работе рассмотрены рекуррентные (вызванные потоками высокоскоростного солнечного ветра из корональных дыр) и спорадические (связанные с корональными выбросами масс) события. Исследованы группы событий с внезапным и постепенным началом (рис. В.5).
УтВт (характеристика возмущения солнечного ветра).
Рисунок В. 5. [12]: Зависимость величины форбуш-эффекта от параметра УтВт (характеристики возмущения солнечного ветра).
В статье [12] показано, что полученные зависимости величины форбуш-эффектов от параметров межпланетных возмущений, индексов геомагнитной активности и т. д. существенно различаются для выделенных групп (с внезапным началом магнитной бури — ББС, и без него). Наиболее вероятно, что эти различия обусловлены различными источниками возмущений солнечного ветра.
Несколько работ посвящено прогнозированию геомагнитных бурь с использованием космических лучей. В работе [13] рассматривается использование вариаций КЛ, зарегистрированных комплексом установок Арагацкой обсерватории, для предсказания магнитных бурь. Сравнительный анализ момента начала нерегулярных вариаций КЛ, регистрируемых Нор-Амбердским НМ, и времени внезапного начала бури показал, что нерегулярные вариации КЛ в большинстве случаев происходят за несколько часов до магнитных бурь, что указывает на возможность прогнозирования опасных проявлений солнечной активности.
Работе [6] предложен метод «кольца станций», использующий высокоширотные мониторы в достаточно узком кольце широт. Авторы этой работы отмечают, что различия вариаций КЛ, регистрируемых нейтронными мониторами, определяются значениями их долготы, и это позволяет просто и наглядно представлять долготную зависимость вариаций, а также выделять предповышения и предпонижения темпа счета, предшествующие многим форбуш-эффектам. Такие явления обычно появляются перед приходом к Земле межпланетной ударной волны (иногда за 20 часов и ранее). Дальнейшие перспективы такого подхода связываются с усовершенствованием модели вариаций КЛ и методов анализа данных, а также с привлечением данных мюонных телескопов.
Исследования ФП в потоке мюонов имеют следующие особенности: во-первых, мюоны чувствительны к более высоким, чем нейтроны, энергиям первичных космических лучей (ПКЛ), что открывает возможность изучения гелиосферных возмущений, ответственных за модуляцию высокоэнергичных ПКЛво-вторых, что более важно, мюоны сохраняют направление движения первичных частиц, что позволяет получать пространственно-угловые картины модуляций космических лучей в околоземном пространстве и изучать их динамику в широком диапазоне зенитных и азимутальных углов с помощью одной установки. В то же время, исследования ФП в потоке мюонов имеют и некоторую специфику: меньшие амплитуды падения интенсивности КЛ из-за более высоких первичных энергий, необходимость учета влияния температуры атмосферы на поток мюонов.
Одним из первых постоянно действующих мюонных телескопов является счетчиковый многоканальный телескоп на горе Норикура [14], который дает возможность одновременной регистрации интенсивности мюонов сразу по многим направлениям. В дальнейшем была создана сеть мюонных телескопов.
В работе [15] рассматривается возможность предсказания геомагнитных бурь с помощью сети мюонных детекторов. Проведено систематическое исследование в космических лучах прекурсоров геомагнитных бурь. Для анализа было выбрано 14 мощных магнитных бурь с Кр > 8 и 25 больших магнитных бурь с Кр > 7. После исключения из анализа 17 событий, для которых сеть мюонных детекторов имеет плохое покрытие направлений межпланетного магнитного поля, было определено, что для 15 из оставшихся 22 событий (68% из отобранных или 38% от общего числа) в космических лучах идентифицируются прекурсоры с типичными временами от 6 до 9 часов до внезапного начала магнитной бури. Основной вывод работы состоит в том, что сеть мюонных детекторов может быть использована для предсказания космической погоды. Однако существующая сеть имеет большие пробелы в покрытии направлений над атлантическим и европейским регионами. Из-за этого недостатка не представилось возможным анализировать предикторы для 17 бурь (42%). Поэтому был сделан вывод, что необходимо добавление новых детекторов для улучшения предсказаний космической погоды.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что было предпринято много попыток как исследования энергетических спектров ФП, так и поиска предикторов вызываемых ими геомагнитных возмущений. Однако использование для этих целей сети нейтронных мониторов и мюонных телескопов не позволяет в полной мере решать эти задачи, так как из-за вращения Земли детекторы, размещенные в разных географических зонах, регистрируют межпланетные возмущения и вызванные ими эффекты в космических лучах в разное время, и их данные относятся к различным фазам развития возмущений.
Новые возможности для исследований пространственно-угловых вариаций потока мюонов открылись после создания установок нового типа — мюонных годоскопов (МГ), обладающих широкой апертурой и высоким угловым разрешением (1 — 2°) и способных в непрерывном режиме регистрировать поток КЛ в виде двумерных «снимков-матриц» одновременно со всех направлений верхней полусферы. Принципиальным отличием широкоапертурных мюонных годоскопов от многонаправленных мюонных телескопов является переход от дискретной регистрации углового распределения мюонного потока в отдельных угловых ячейках, определяемых конструкцией детектора, к практически непрерывной, что дает возможность детектировать и анализировать изображения верхней полусферы над годоскопом и динамику их изменений в «мюонном свете» с помощью одного детектора.
Первый мюонный годоскоп ТЕМП [16] был создан в МИФИ в 1995 году. На нем были опробованы различные методы дистанционного изучения физических процессов, происходящих в атмосфере Земли и околоземном пространстве. Анализ полученных данных показал существование заметных корреляций между поведением мюонной компоненты и различными процессами в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли [17]. Результаты исследований на МГ ТЕМП были обобщены в работе [18]. Однако ТЕМП имел всего лишь две координатные плоскости, что не позволяло корректно восстанавливать треки мюонов, сопровождаемых другими частицами (в основном 5-электронами). Это приводило к потере значительного числа регистрируемых событий (до 30%), а иногда и к ошибочной реконструкции треков.
Для дальнейшего развития методов мюонной диагностики был создан мюонный годоскоп УРАГАН [19, 20], имеющий восемь координатных плоскостей и значительно большую площадь (около 46 кв. м) по сравнению с годоскопом ТЕМП (9 кв. м). В настоящее время это единственная в мире координатно-трековая установка для исследования мюонной компоненты космических лучей на поверхности Земли в широком диапазоне зенитных углов.
Создание мюонного годоскопа УРАГАН позволило на новом уровне подойти к исследованию вариаций мюонов космических лучей во время гелиосферных возмущений, в том числе форбуш-понижений [21]. Высокая точность и достоверность угловой реконструкции и статистическая обеспеченность данных дают возможность перейти к разработке методов решения обратной задачи: слежение за динамическими процессами в гелиосфере по зарегистрированным возмущениям потока мюонов космических лучей во время форбуш-понижений.
Актуальность.
Решение этой задачи определяется необходимостью развития методов раннего обнаружения гелиосферных возмущений, вызванных солнечной активностью, которые приводят к различным геоэффективным событиям. Поэтому разработка новых подходов к исследованиям ФЭ в потоке мюонов с использованием новой аппаратуры — мюонных годоскопов, является весьма актуальной задачей физики космических лучей и солнечно-земной физики.
Цель работы.
Разработка и развитие методов исследования форбуш-эффектов в потоке мюонов космических лучей по данным мюонного годоскопа УРАГАН.
Научная новизна.
Разработанные методы обработки данных мюонных годоскопов позволили выявить качественно новые закономерности в развитии форбуш-понижений в потоке мюонов космических лучей: впервые с помощью одной установки и в рамках единого подхода определены интегральные, энергетические, пространственно-угловые и временные характеристики форбуш-понижений по данным мюонного годоскопавпервые получены мюонографии форбуш-понижений в потоке мюонов (патент на изобретение № 2 406 919) — впервые введена в методику анализа ФП горизонтальная проекция вектора относительной анизотропии потока мюонов и показано, что ее изменения могут служить предиктором геоэффективных событийобнаружены корреляции между проекциями вектора относительной анизотропии потока мюонов на направления север-юг и восток-запад.
Достоверность.
Экспериментальные результаты получены на трех независимо работающих супермодулях мюонного годоскопа УРАГАН, которые демонстрируют очень хорошую идентичность всех наблюдаемых явлений.
Амплитуды форбуш-понижений, измеренные на мюонном годоскопе и нейтронном мониторе, находятся в хорошем согласии с коэффициентом корреляции 0.72.
Корректность разработанных методов анализа форбуш-понижений в потоке мюонов подтверждается тем, что всем выявленным ФП с амплитудой выше 0.5% соответствуют гелиосферные возмущения различного типа, зарегистрированные независимыми установками.
Анализ горизонтальной проекции вектора относительной анизотропии потока мюонов (гл) во время ФП позволил выявить периоды различных нестационарных процессов в гелиосфере с эффективностью около 95%.
Практическая значимость.
Разработанные методы комплексного анализа данных по исследованию вариаций потока мюонов космических лучей во время форбуш-понижений, зарегистрированных мюонным годоскопом, могут быть использованы для анализа форбуш-понижений, регистрируемых другими детекторами.
Полученные энергетические, угловые и временные характеристики форбуш-понижений в потоке мюонов космических лучей существенно расширяют информативность наземных наблюдений и могут быть использованы для проверки моделей прохождения космических лучей с энергиями выше 10 ГэВ через гелиосферу и околоземное пространство, а также в прикладных задачах, связанных с дистанционным мониторингом гелиосферных возмущений.
Способ и устройство для получения мюонографий могут быть использованы при проектировании новых мюонных годоскопов и анализе их экспериментальных данных.
Личный вклад.
Автор участвовал в разработке и создании мюонного годоскопа УРАГАН, проведении и обеспечении длительного эксперимента в период с 2005 года по настоящее время. Автор внес определяющий вклад в разработку методов исследования форбуш-понижений по данным мюонных годоскопов. Автором разработаны алгоритмы для комплекса программ обработки и анализа вариаций потока мюонов во время форбуш-понижений, а также унифицированные формы (паспорта) на исследуемые события. Автором получены интегральные, энергетические, пространственно-угловые и временные характеристики форбуш-понижений в потоке мюонов космических лучей в области энергий выше 10 ГэВ, проведен их анализ. Автором проанализированы корреляции между характеристиками ФП и параметрами гелиосферных возмущений в исследуемые периоды и оценен прогностический потенциал данных по анизотропии потока мюонов. Автором подготовлены статьи и представлены доклады по результатам исследований ФП по данным мюонного годоскопа УРАГАН.
Автор защищает.
1. Разработанные методы исследования различных характеристик форбуш-понижений по измерениям потока мюонов в годоскопическом режиме.
2. Интегральные, энергетические, пространственно-угловые и временные характеристики форбуш-понижений, зарегистрированных в потоке мюонов космических лучей на МГ УРАГАН в период с 2006 по 2011 гг.
3. Результаты анализа полученных характеристик: амплитуд ФП, показателей степени энергетической зависимости амплитуды падения интенсивности космических лучей в области энергий 10−30 ГэВ, их временной зависимости на разных фазах развития ФП, горизонтальных проекций вектора относительной анизотропии потока мюонов во время ФП и корреляционных зависимостей между его проекциями на направления север-юг и восток-запад.
4. Результаты сопоставления характеристик вариаций потока мюонов, регистрируемых в годоскопическом режиме, с различными параметрами состояния околоземного пространства до и во время ФП.
Апробация.
Результаты работы были доложены на 22 международных и российских конференциях: Международной конференции по космическим лучам (ICRC 2005,.
2007, 2009, 2011), Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS 2006,.
2008, 2010, 2012), Всероссийской конференции по космическим лучам (BKKJ1 2006, 2008, 2010, 2012), Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики (2007, 2008, 2009, 2010), Научной сессии НИЯУ МИФИ (2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012), опубликованы в их трудах, а также в девяти статьях в журналах из перечня ВАК: «Приборы и техника эксперимента», «Известия РАН. Серия физическая», «Краткие сообщения по физике» и «Journal of Physics: Conference Series» .
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем диссертации: 133 страниц, 100 рисунка, 12 таблиц, 55 наименований цитируемой литературы и 2 приложения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Разработаны методы исследования характеристик форбуш-понижений по измерениям потока мюонов в годоскопическом режиме, которые имеют универсальный характер, сводят к минимуму субъективный фактор при определении основных параметров форбуш-понижений и дают дополнительную информацию для их изучения:
— метод определения характеристик ФП по интегральному темпу счета и для различных диапазонов зенитных углов;
— метод анализа энергетических характеристик ФП по зенитно-угловому изменению потока мюонов;
— метод анализа пространственно-угловых характеристик потока мюонов во время ФП.
— апробирование способа получения мюонографий форбуш-понижений.
2. Впервые с помощью одной установки и в рамках единого подхода к определению интегральных, энергетических, пространственно-угловых и временных характеристик форбуш-понижений по данным мюонного годоскопа УРАГАН за 2006 — 2011 гг. получены:
— основные параметры форбуш-понижений по интегральному темпу счета и для пяти зенитно-угловых интервалов: 0 — 17°, 17 — 26°, 26 — 34°, 34 — 44° и более 44°, которые соответствуют среднелогарифмическим энергиям первичных частиц, дающих вклад в изменение темпа счета мюонного годоскопа во время ФП, в диапазоне 10−30 ГэВ;
— показатели степени энергетической зависимости амплитуды падения интенсивности космических лучей в указанном диапазоне энергий;
— временные зависимости показателей энергетических спектров форбуш-понижений на разных фазах их развития;
— уникальные мюонные снимки (мюонографии) форбуш-понижений;
— значения горизонтальной проекции вектора относительной анизотропии потока мюонов (rh), характеризующей величину бокового смещения углового распределения потока мюонов;
— корреляции между проекциями вектора относительной анизотропии потока мюонов на направления север-юг и восток-запад.
3. Исследование полученных характеристик форбуш-понижений, зарегистрированных на МГ УРАГАН в период с 2006 по 2011 гг., показало, что:
— зависимости амплитуды падения интенсивности потока мюонов от энергии первичных частиц в области 10−30 ГэВ согласуются со степенным характером энергетического спектра модуляции первичных космических лучей со средним показателем, а = -0.97±0.41 (среднеквадратичный разброс);
— не наблюдается существенных изменений в поведении показателя энергетического спектра форбуш-понижений на разных фазах их развития;
— мюонографии ФП дают хорошее качественное описание изменений пространственно-углового распределения потока мюонов во время этих событий в режиме реального времени;
— горизонтальная проекция вектора относительной анизотропии потока мюонов (гЛ) во время ФП позволяет выявлять периоды увеличения анизотропии потока мюонов, вызванные развитием различных нестационарных процессов в гелиосфере с эффективностью около 95%.
4. Сопоставление полученных характеристик вариаций потока мюонов, регистрируемых в годоскопическом режиме, с различными параметрами состояния околоземного пространства до и во время ФП показало, что:
— наибольшие корреляции наблюдаются между амплитудой падения ФП и параметрами В (Я = 0.57) и /тВт (Я = 0.55) и между гл и Dst (/? = -0.52) и АЕ (К = 0.50);
— для прогностического применения разработанных методов целесообразно использовать скорость изменения гл за выбранный интервал времени;
— изменения величины горизонтальной проекции вектора относительной анизотропии потока мюонов для 13 изученных ФП, в среднем, опережают изменения в характеристиках солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и магнитосферы Земли на 10−12 ч. и могут быть использованы для прогнозирования времени прихода гелиосферного возмущения в околоземное пространство.
Пользуясь представившейся возможностью, хочу выразить искреннюю и глубокую признательность своему научному руководителю и учителюпрофессору Петрухину Анатолию Афанасьевичу — за постоянное внимание, помощь и поддержку в работе на протяжении всей моей деятельности в Научно-образовательном центре НЕВОД, где выполнен весь объем работ, представленных в диссертации.
Особую благодарность хочу выразить главному научному сотруднику Кокоулину Ростиславу Павловичу, ведущему научному сотруднику Яшину Игорю Ивановичу и профессору Ворогу Владимиру Викторовичу за плодотворное сотрудничество, ценные советы, творческие дискуссии, критические замечания и постоянный интерес к работе.
Хочу выразить благодарность доценту Дмитриевой Анне Николаевне, ведущему инженеру Шутенко Виктору Викторовичу и ассистенту Яковлевой Елене Ивановне за крайне ценные и полезные дискуссии, советы и помощь при разработке методов анализа экспериментальных данных.
Отдельную благодарность хочу выразить В. В. Шутенко, К. Г. Компанийцу и Д. В. Чернову за огромный вклад в обеспечение непрерывного функционирования мюонного годоскопа УРАГАН, проведение эксперимента и получение экспериментальных данных.
Также хочу поблагодарить молодых коллег И. И. Астапова, А. Ю. Кузовкову, Ю. Н. Мишутину и О. А. Ситько за большую помощь при обработке экспериментальных данных.
Особо хочу отметить вклад так рано ушедшего из жизни Д. А. Тимашкова, с которым мне посчастливилось тесно работать на начальной стадии разработки подходов к анализу данных мюонного годоскопа УРАГАН.
От всего сердца хочу поблагодарить всех сотрудников НОЦ НЕВОД за теплую и творческую атмосферу в большом и дружном коллективе.
