научная статья по теме МОДУЛЯЦИЯ СВОЙСТВ ВОДЫ ВАРИАЦИЯМИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ Математика

Текст научной статьи на тему «МОДУЛЯЦИЯ СВОЙСТВ ВОДЫ ВАРИАЦИЯМИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 429, № 6, с. 816-820

= ГЕОФИЗИКА

УДК 577: 524.1+57.033

МОДУЛЯЦИЯ СВОЙСТВ ВОДЫ ВАРИАЦИЯМИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

© 2009 г. М. Б. Винниченко, Н. К. Белишева, член-корреспондент РАН В. К. Жиров

Поступило 26.01.2009 г.

Связь между вариациями интенсивности нейтронной компоненты космических лучей (КЛ) у поверхности Земли и состоянием биологических систем была показана на клеточных культурах, периферической крови, микрофлоре, высших растениях [1—6]. Однако до сих пор механизм воздействия КЛ на биологические объекты недостаточно ясен. Предполагается, что ионизирующая радиация может воздействовать на биологические мишени как непосредственно, так и опосредованно — через продукты радиолиза воды [7, 8]. Косвенным образом на такую возможность указывают данные о зависимости рН, ферментативных и буферных систем крови от вариаций нейтронной компоненты КЛ [9], а также результаты наших предварительных исследований по сопоставлению колебаний свойств воды с вариациями в скорости нейтронного счета [10]. В данной работе представлен анализ зависимости колебаний свойств воды от вариаций геомагнитного поля (ГМП) и КЛ.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Эксперименты по исследованию динамики свойств жидкой воды проводили в НИИФ им. В.А. Фока СПбГУ, Петергоф (59.53° N 29.54° Е). При выборе метода исследования мы руководствовались следующими условиям:

исследуемый объект (кювета с водой) должен быть максимально экранирован от воздействия внешних электрических, электромагнитных и тепловых полей;

измерения должны быть бесконтактными и не использовать в качестве зондирующих электрические и электромагнитные поля;

Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока

Санкт-Петербургского государственного университета Полярно-альпийский ботанический сад-институт Кольского научного центра

Российской Академии наук, Кировск Мурманской обл.

энергия, привносимая в образец в процессе измерения, должна составлять не более 10-1 от энергии, инициирующей эффект;

измерения, теоретически, должны быть чувствительны к вариациям плотности потока тепловых и медленных нейтронов.

Для оценки возможного эффекта воздействия КЛ на свойства воды нами был выбран метод измерения эдс термопары, поскольку, как мы полагаем, рассеяние нейтронов в воде могло бы привести к детектируемому изменению температуры образца.

В качестве экрана для защиты образца от электрических и электромагнитных полей и резких изменений внешней температуры использован калориметр — алюминиевый сосуд Дьюара емкостью 15 л, заключенный в объем, заполненный теплоизолятором. Внутрь сосуда Дьюара помещали запаянную, термоизолированную кварцевую ампулу с дегазированной водой под давлением собственных паров объемом 5 см3 с внутренним капилляром, в котором находился спай дифференциальной термопары медь—константан (тер-моэдс 47.5 мкВ/К). В тот же сосуд Дьюара помещали тело сравнения — латунный цилиндр с эффективной теплоемкостью, равной теплоемкости ампулы с водой, в котором находился второй спай дифференциальной термопары (рис. 1). Выбор материала обусловлен тем, что сечение нейтронов материала тела сравнения (латуни) намного меньше сечения тепловых и медленных нейтронов в воде. Постоянная времени теплообмена между спаями термопары составляла т ~ 0.7 ч. Выводы термопары в виде экранированной витой пары соединялись с измерительной системой — полуавтоматическим мостом Р345 класса 0.001, выходной сигнал которого записывался на входе У планшетного электронного потенциометра Н307. На вход Хподавалось линейно меняющееся во времени напряжение со скоростью 1 шкала прибора за 5 сут (рис. 1). В контрольных экспериментах кювету с водой заменяли латунным или парафиновым блоком.

Поскольку вариации ДГ в условиях эксперимента могли быть обусловлены только внешними источниками колебаний, обладающими необхо-

H2O Латунь

Рис. 1. Схема регистрации изменения разности температуры ампулы с водой и латунного цилиндра. 1 — ампула с водой; 2 — латунный цилиндр; 3 — полуавтоматический мост постоянного тока Р345 для измерения термоэдс термопары; 4 — двухкоординатный электронный потенциометр для регистрации изменения разности температур АТ ампулы с водой и латунного цилиндра (по оси Х — время, по оси У — разность температур).

димой проникающей способностью, мы сочли, что такими источниками могут быть вариации ГМП и вторичные компоненты КЛ. Для оценки вариаций ГМП и потоков КЛ в околоземном пространстве использовали данные геостационарных спутников GOES-8 (75°W) и GOES-10 (135°W): значения векторов магнитного поля, направленного параллельно оси вращения спутника (Hp), в направлении к центру Земли (HE), перпендикулярного к Hp и HE (HN), вектора полного магнитного поля (Htot). Данные о потоках высокоэнергичных частиц с энергиями, достаточными для инициации каскадов вторичных нуклонов, достигающих поверхности Земли на широте Санкт-Петербурга (750 МэВ): а-частиц с энергиями 2560-3400 МэВ и более 3400 МэВ, протонов с энергиями более 700 Мэв, получены с сайта Space Physics Interaction Data Research National Geophysical Data Centre. Данные о локальных вариациях ГМП (значения X-, Y- и Z-компонент) у поверхности Земли были получены на сайтах маг-нитовариационных станций в Финляндии, ближайших к месту проведения экспериментов: Sur-lary (44.68°N, 26.25°E) и Nurmijarvy (60.51°N, 24.66°E). Вариации вторичных компонент КЛ у поверхности Земли оценивали на основании скорости счета нейтронов по данным наземных станций нейтронного монитора: Юнгфрау-Иох (Jungfraujoch, 46.32°N, 7.08°E), Москва, ИЗМИРАН (55.28°N, 37.19°E), Апатиты (67.57°N, 33.4°E), Иркутск (52.28° N, 104.02° E). Для выявления связи между колебаниями свойств воды и вариациями КЛ, прибытие которых на определенную долготу зависит от местного времени [11], все данные сопоставляли между собой с учетом универсального (UT) и локального (LT), местного времени. Коэффициенты корреляции были получены на значениях сглаженных кривых (три последовательных сглаживания по пяти точкам) с применением матричного анализа в стандартном пакете программы Statistica 6.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Измерения показали, что изменения температуры ампулы с водой относительно тела сравнения АТ носят отчетливо выраженный суточный периодический характер с пиком максимальных значений около 5.80ь ± 0.49 по иТ и 7.4Ь ± 0.4 по ЕГ. Сигнал в случае совмещения спаев термопары или замены кюветы с водой на латунный или парафиновый блок не имел периодического характера и практически совпадал с нулевым ходом моста Р345. Амплитуда вариаций АТ в среднем составляла 0.02°С при точности измерения температуры 2 ■ 10-4 К. Сопоставление колебаний АТпо местному времени с вариациями всех векторов ГМП, детектируемых на геостационарной орбите спутниками GOES-8 и GOES-10, показало, что между ними существует значимая корреляция р < 0.05 (табл. 1). В качестве примера на рис. 2 приведено сопоставление кривых колеба-

Таблица 1. Коэффициенты корреляции между значениями АТ, векторами ГМП на орбите спутников GOES-8, GOES-10 и локальными вариациями ГМП ^иг1агу, Мигшуагуу)

Компоненты геомагнитного поля, нТл GOES-8 GOES-10

He -0.53 -0.34

HN 0.48 0.63

Hp 0.51 0.50

Htot 0.37 0.53

Surlary Nurmijarvy

X -0.41 -0.49

Y 0.08 0.10

Z —0.20 0.00

Примечание. Выделенные значения — уровень значимости p < 0.05.

818

ВИННИЧЕНКО и др.

Рис. 2. Суточные колебания свойств воды, оцененные по разности температуры АТ (1), в период с 29.04 по 03.05.1999 г. (начало записи 22ь00т иТ или 00ь00т КГ) и вариации векторов магнитного поля Земли Ядг (2) и Нр (3), измеренных на геостационарной орбите спутниками GOES-10 и GOES-8 соответственно по местному времени. По оси абсцисс — часы с момента начала записи АТ, по оси ординат — нормированные значения.

ний АТ и вариаций вектора Нр (GOES-8) и Нм (GOES-10). Однако, несмотря на хорошее соответствие кривых колебаний АТ и вариаций компонент ГМП по данным двух спутников, причиной колебаний свойств воды должны быть наземные агенты. Поэтому мы сопоставили значения АТ также с локальными вариациями трех компонент ГМП по данным двух финских магнитова-риационных станций Surlary и Мштщагуу (табл. 1).

Анализ показал, что между колебаниями АТ и локальными вариациями ГМП, по данным станций Surlary и Мигтуагуу, только с Х-компонентой имеется значимая отрицательная корреляция (р < < 0.05), тогда как с другими компонентами ГМП значимых корреляций прир < 0.05 найдено не было (табл. 1). Отсюда следует, что локальные вариации ГМП не являются причиной суточных колебаний свойств воды в условиях нашего эксперимента. Корреляция же колебаний свойств воды с вариациями ГМП на орбите спутников показывает, что и вариации ГМП, и колебания АТ имеют общую причину, связанную с положением Земли относительно Солнца по местному времени.

В качестве второго кандидата на причину возникновения суточных колебаний АТ мы рассмотрели вариации потоков КЛ, модулируемых ГМП. Строение полного магнитного поля, в котором движутся частицы КЛ, обусловливает характер планетарного распределения КЛ и его временную зависимость от ГМП, изменения которого влияют на жесткость обрезания и асимптотические направления прихода частиц в данный пункт [11].

Мы проанализировали связь по местному времени между значениями АТ и потоками высокоэнергичных частиц, измеренных на спутниках GOES-8 (75° ^ и GOES-10 (135° Временной ход АТ и вариации потоков высокоэнергичных частиц, измеренных на GOES-8, показаны на рис. 3.

Коэффициенты корреляции между значениями АТ, вариациями потоков частиц в околоземном пространстве и скоростями счета нейтронных мониторов на поверхности Земли приведены в табл. 2. Видно, что АТ имеет позитивные связи с вариациями а-частиц в диапазоне энергий 2560— 3400 Мэв (GOES-10), с а-частицами с энергиями более 3400 МэВ и протонами с энергиями более 700 МэВ (GOES-8), р < 0.05.

Сопоставление по местному времени скоростей счета нейтронных мониторов в Юнгфрау-Иох, Апатитах, Москве (ИЗМИРАН) и Иркутске и значений АТ не выявило между ними значимых корреляций, так же как и между скоростью счета нейтронных мониторов и потоков а-частиц в околоземном п

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Математика»