ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 5, с. 649-651
УДК 537591.15
КОРРЕЛИРОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗНЫХ КОМПОНЕНТ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВО ВРЕМЯ ГРОЗ И СОПУТСТВУЮЩИЕ ЭФФЕКТЫ © 2013 г. А. С. Лидванский, Н. С. Хаердинов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований РАН, Москва E-mail: lidvansk@lebedev.ru
Показано, что наблюдаемые в эксперименте на установке КОВЕР БНО ИЯИ РАН сильные вариации космических лучей во время гроз имеют различное происхождение. Особо выделен один тип событий, в которых имеют место одновременные возмущения интенсивности мюонной и электронно-фотонной компонент космических лучей. Приводятся факты корреляции этих возмущений с вариациями геомагнитного поля, что интерпретируется как проявление единого физического процесса в верхней атмосфере, детали которого обсуждаются.
DOI: 10.7868/S0367676513050360
ВВЕДЕНИЕ
Тот факт, что вариации вторичных космических лучей во время гроз связаны с сильным электрическим полем (измеряемым близко к поверхности земли), был впервые доказан в пионерских экспериментах А.Е. Чудакова с сотрудниками в Баксанском ущелье в начале 1980 г. Ссылки на эти эксперименты (и на более ранние попытки, инициированные гипотезой Вильсона, обнаружения ускоренных электрическим полем частиц) можно найти в [1]. В новой версии того же эксперимента [2, 3], начатого в 2000 г и продолжающегося до настоящего времени, получен очень большой массив данных по вариациям разных компонент вторичных космических лучей. В частности, измерены экспериментально кривые регрессии интенсивность—приземное поле для мягкой компоненты космических лучей (электроны, позитроны и гамма-кванты) в диапазоне 10—30 МэВ и для мюонов при трех пороговых энергиях (1 ГэВ, 100 МэВ и останавливающиеся мюоны). Показано, что во всех случаях полученные зависимости описываются полиномами второго порядка, при этом для мягкой компоненты линейный коэффициент отрицателен, а квадратичный положителен. Для мюонов оба коэффициента отрицательны и сильно зависят от порога по энергии (с увеличением энергии они уменьшаются). Кроме этих регулярных вариаций интенсивности космических лучей с полем, наблюдаются яркие события, не связанные прямо с величиной приземного поля: сильные возрастания мягкой компоненты и вариации интенсивности мюонов, которые бывают как положительными, так и отрицательными.
РАЗНЫЕ ТИПЫ ЯРКИХ СОБЫТИЙ
Возрастания мягкой компоненты с самого начала приписывались генерации убегающих электронов в сильном поле грозовых облаков. Экспериментальная зависимость регулярных вариаций, полученная за три сезона наблюдений, была опубликована в [3], аналитический расчет ожидаемого эффекта транс -формации энергетического спектра заряженных частиц в приземном поле был выполнен в [4]. Сравнение эксперимента с расчетом показало, что решение кинетического уравнения для одномерного случая удовлетворительно описывает данные только в диапазоне приземных полей ±7 кВ • м-1, при больших значениях поля эксперимент значительно превышает расчет, особенно в области отрицательного поля, соответствующего ускорению позитронов вблизи земли, и этот избыток был приписан регистрации гамма-квантов от электронов, ускоренных в области сильного поля противоположного знака высоко над установкой. Предельная трансформация спектра в этом сильном поле была рассмотрена в [5], где было показано, что во время гроз наблюдаются вариации интенсивности электронно-фотонной компоненты, происхождение которых невозможно объяснить только трансформацией спектра вторичных частиц космических лучей в сильных грозовых полях. Необходима дополнительная генерация частиц. Для ее объяснения был предложен механизм "циклической" генерации частиц в грозовых полях, рассмотренный в [6].
Он заключается в том, что позитроны, рожденные в парах тормозными квантами от ускоренных в поле электронов, могут разворачиваться из-за сильного кулоновского рассеяния и ускоряться тем же полем в обратном направлении. Таким образом, создается петля положительной обратной
650
ЛИДВАНСКИЙ, ХАЕРДИНОВ
Б, кВ • м-1
20 10 0 — 10 —20 —30 —40 АЯ 25 20 15 10 0 —5 л , . V ___¿Х^А*-.^..
1 1 1
/N0, % т & У | \ . - Г-к' / * л с7 , 1 ,
20 ч 00 м 20 ч 05 м 20 ч 10 м 20 ч 15 м
Рис. 1. Рекордное возрастание интенсивности мягкой компоненты в диапазоне 10-30 МэВ во время грозы 11 октября 2003 г. (нижний график). На верхнем графике — напряженность приземного поля. Стрелками показаны молнии, влияющие на процесс генерации дополнительных частиц. Расстояние до них оценивается как 4.4 и 3.2 км.
связи, приводящая к экспоненциальному росту плотности частиц в ограниченном объеме. Минимальное поле, при котором возможен такой процесс, всего лишь на 30% превышает критическое поле теории пробоя на убегающих электронах и энергия частиц при этом близка к 10 МэВ. Одним из событий, для которых пришлось привлекать такой механизм, является рекордное по величине возрастание мягкой компоненты во время грозы 11 октября 2003 г., показанное на рис. 1. В [5] отмечено, что возрастание интенсивности мягкой компоненты во время этой грозы в принципе могло бы быть результатом трансформации электрон-позитронного спектра в поле порядка критического. Однако для этого поле должно быть расположено довольно близко — ниже вершин близлежащих гор. С одной стороны, этой интерпретации противоречит прямая оценка расстояния до области ускорения сделанная по молниям ассоциированным с этим событием.
С другой стороны, оценка высоты области генерации сделанная для этого события на основании его спектра [7, 11], разумно согласуется с расстоянием, определенным по молниям (3—4 км). Заметим, что как это событие, так и второе по величине эффекта возрастания событие 7 сентября 2000 г. [2, 3], не дают почти никаких эффектов в мюонной компоненте. Таким образом, можно считать, что они образуют отдельный класс событий, для которых область генерации лежит в нижней части облачного слоя, но все же достаточно высоко (примерно на уровне нулевой изотермы). Другим классом можно считать такие события, когда, напротив, эффект наблюдается только в мюонах. Таким явля-
Рис. 2. Сложное событие во время грозы 18 июля 2008 г. Интервал усреднения данных 30 с. Сверху вниз показаны приземное электрическое поле, интенсивность мягкой и жесткой компонент (отклонения от средних значений), Л-компонента геомагнитного поля и электрический ток дождя.
ется, например, рекордное по величине и длительности понижение интенсивности мюонов 24 сентября 2007 г., опубликованное в [8]. Однако в других случаях (как, например, в событии 18 июля 2008 г., представленном на рис. 2), очевидно, имеет место одновременное возмущение интенсивности мягкой и жесткой компонент. Более того, в [10] приведено событие 15 октября 2007 г., когда одновременное изменение этих компонент космических лучей сопровождалось геомагнитными пульсациями (измерения магнитного поля выполнены глубоко под землей и на большом расстоянии от установки, регистрирующей космические лучи). И событие на рис. 2 обладает такой же особенностью.
СЛОЖНЫЕ СОБЫТИЯ С КОРРЕЛИРОВАННЫМИ ЭФФЕКТАМИ
Возмущения интенсивности мюонов детально изучались в [9], где было показано, что наблюде-
КОРРЕЛИРОВАННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗНЫХ КОМПОНЕНТ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
651
ние "аномальных" возмущений мюонной интенсивности во время гроз - вещь достаточно обычная. В той работе приведены статистические данные о мюонных событиях. Характерная длительность таких возмущений, имеющих как положительную, так и отрицательную полярность, Т = 8 мин. Особой разницы в распределении амплитуд разной полярности не наблюдается, но существует тенденция к большему значению амплитуд для отрицательных возмущений. Важно, что амплитуды обеих полярностей ограничены величиной около 1%. При интерпретации вариаций мюонов предполагалось, что они связаны с изменением высоты грозового облака, в частности с подъемом его верхней границы, несущей значительный заряд выше эффективного уровня генерации мюонов. Это предположение становится еще более вероятным, если учесть, что в той же области (выше уровня генерации мюо-нов) находится и источник, где ускоряются электроны, гамма-кванты от которых достигают уровня наблюдения. Это показано в [11], где проанализированы спектры нескольких событий этого типа. Таким образом, события подобные приведенному на рис. 2, образуют отдельный тип, в основе которого лежит сложный физический механизм, имеющий место в стратосфере во время грозы. В [12] показано, что при амплитуде мюонной вариации в 1% напряженность поля в области, соединяющей тропосферу с ионосферой, может превышать порог для пробоя на убегающих электронах. Именно эти убегающие электроны, интенсивность которых весьма велика (по оценкам, до 107 м-2 • с-1) генерируют гамма-кванты, наблюдаемые как возрастания интенсивности мягкой компоненты на уровне наблюдения. Возникающий после ионизации среды ток создает наблюдаемые пульсации магнитного поля.
ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ
События, представленные на рис. 1 и рис. 2, имеют наименьшую и наибольшую высоту среди всех возрастаний мягкой компоненты рассмотренных в [11]. В последнем случае высота даже неразумно велика, что свидетельствует о неполной надежности метода определения высоты по эволюции заложенного спектра. Тем не менее нет сомнения, что реальная высота очень велика и, вероятно, гораздо выше уровня генерации мюо-нов. Одновременное наличие сильной отрицательной вариации мюонов вполне согласуется с этим предположением. Амплитуда этой вариации (1%) близка к максимально возможной (причины ограниченности эффекта обсуждаются в [12], где построена аналитическая модель, связывающая величину этой амплитуды с разностью потенциалов в стратосфере и линейными или угловыми размерами области, где существует это поле). В этой области величина поля выше критической,
так что может иметь место генерация потока убегающих электронов в виде разряда между ионосферой и верхней частью грозового облака. Ток, инициированный этим разрядом, генерирует магнитные пульсации, видные на рис. 2. На этом рисунке показаны данные только одной ком
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.