ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 3, с. 422-424
УДК 523.165
НАБЛЮДЕНИЕ ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
© 2009 г. Р. Р. Мендонса1, Ж.-П. Ролан1, В. С. Махмутов2, Ю. И. Стожков2, А. Н. Квашнин2,
О. С. Максумов2, С. В. Мизин2, Г. Фернандез3
E-mail: vms1@fian.fiandns.mipt.ru
В работе представлены результаты измерений космических лучей прибором КОВЕР (CARPET) на станции Эль Леонсито (астрономический комплекс CASLEO, Сан Хуан, Аргентина, Rc ~ 11.8 ЕВ) в период 2006-2008 гг. Основное внимание уделено наблюдению вариаций космических лучей во время изменения электрического поля в приземной атмосфере.
ВВЕДЕНИЕ
В апреле 2006 г. на станции Эль Леонсито (El Leoncito, астрономический комплекс CASLEO, Сан Хуан, Аргентина, координаты 30° S, 69° W, высота 2550 м, жесткость геомагнитного обрезания Rc ~ ~ 11.8 ЕВ), была установлена первая часть комплексной установки по измерению космических лучей - прибор КОВЕР (CARPET, рис. 1). КОВЕР был разработан и изготовлен в ФИАНе в рамках программы международного научного сотрудничества между ФИАН и Университетом Маккензи (CRAAM; г. Сан-Пауло, Бразилия). Данные, получаемые на приборе, позволяют исследовать природу вариаций космических лучей, вызванных процессами на Солнце, в межпланетной среде и в земной магнитосфере на разных временных масштабах. В данной работе представлены результаты наблюдений космических лучей во время гроз и вариаций электрического поля в приземной атмосфере.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Установка КОВЕР состоит из 24 блоков газоразрядных цилиндрических счетчиков Еейгера СТС-6, расположенных на плите размером ~1.5 х х 1.5 м (рис. 1). Диаметр счетчика 1.9 см, длина 9.8 см, а толщина стальных стенок счетчика соответствует 0.05 г ■ см-2. Каждый блок (верхний левый угол рис. 1), в свою очередь, состоит из пяти верхних счетчиков (UP) и пяти нижних счетчиков (LOW), разделенных алюминиевым поглотителем толщиной 7 мм (2 г ■ см-2). Электроника прибора позволяет задать временное разрешение записи данных в диапазоне от 250 мс до 10 с и проверить работоспособность каждого блока счетчиков. В рабочем режиме съем информации за время интегрирования
1 Университет Макензи, CRAAM, Cан-Пауло, Бразилия.
2 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва.
3 Центр радиоастрономии, CASLEO, Сан Хуан, Аргентина.
500 мс проводится по трем каналам: 1) канал N1 соответствует суммарному счету 120 верхних счетчиков во всех 24 блоках; 2) канал N2 - суммарный счет 120 нижних счетчиков; 3) канал N12 регистрирует суммарный счет совпадений сигналов, зарегистрированных в каждом блоке счетчиков. Энергетические пороги регистрации частиц составляют в каналах 1 и 2 - для электронов Е > 200 кэВ, для протонов Е > 5 МэВ и Е > 20 кэВ для фотонов (эффективность регистрации фотонов счетчиком < 1%). В третьем канале (канал совпадений N12) регистрируются в основном электроны с энергией Е > 5 МэВ, протоны Е > 30 МэВ и мюоны с Е > 20 МэВ. Следует отметить, что в приземном слое и на небольших высотах основной вклад в показания 3-го канала дают вторичные мюоны, а 1-й и 2-й каналы регистрируют в основном электронно-фотонную компоненту вторичных космических лучей.
Непрерывные наземные измерения электрического поля атмосферы в месте нахождения установки КОВЕР проводятся с января 2008 г. после установки и запуска электростатического флюкс-метра ЕБМ-100. Кроме того, для анализа доступны метеорологические данные (температура и влажность воздуха, атмосферное давление и уровень осадков), поступающие с метеостанции Бурек, входящей в астрономический комплекс САБЬЕО.
НАБЛЮДЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
И ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
Предварительный анализ экспериментальных данных, полученных на установке КОВЕР с апреля 2006 г. по июнь 2008 г. показал, что поток космических лучей на границе атмосферы за 2 года увеличился на 1.6%, что, по-видимому, обусловлено продолжающимся спадом уровня солнечной активности. Амплитуда сезонной вариации интенсивности КЛ составляет ~5%, и максимум этой ва-
НАБЛЮДЕНИЕ ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
423
риации приходится на период локальной зимы (июль-август), а минимум - на летний период (январь-февраль). Небольшое возрастание счета прибора было зарегистрировано во время солнечного протонного события 6 декабря 2006 г., вызванного вспышкой на Солнце, которая произошла 6 декабря 2006 г. в 18:29 ИТ и имела балл Х6.5/3В.
Особый класс событий, характеризующийся возрастанием темпа счета КОВРА (как правило, в каналах N1 и N2) в течение десятков минут, наблюдался во время грозовой активности, сопровождающейся выпадением осадков и (или) вариациями электрического поля в атмосфере. Следует отметить, что изучению вариаций потоков космических лучей, вызванных атмосферными процессами, посвящен значительный ряд работ, например [1-6].
В период 2006-2008 гг. в отсутствие межпланетных и геомагнитных возмущений на установке КОВЕР зарегистрировано более 100 случаев возрастаний темпа счета частиц в каналах N1 и N2 на 10-30% в течение десятка минут и более. Анализ этих событий показал, что в ~70% случаев они наблюдались во время дождя, причем не удается установить корреляцию между величиной выпадения осадков и величиной возрастания счета N1 и N2, и в ~30% случаев возрастания N1 и N2 с амплитудой до 25-30% наблюдались в отсутствие осадков. При этом прибором ЕЕМ-100 зарегистрированы длительные изменения величины напряженности электрического поля Е. На рис. 2 приведен пример такого класса событий, зарегистрированного 27-28 февраля 2008 г. Видно, что увеличение темпов счета N1 и N2 началось в ~21 ИТ, когда флюксметр ЕЕМ-100 зарегистрировал приход грозовой облачности: направление электрического поля изменилось на противоположное, и его величина (по модулю) длительное время превышала 20 кВ • м-1. Атмосферные осадки 27-28 февраля отсутствовали. Наличие эффекта только в каналах N1 и N2 свидетельствует об увеличении в это время потоков электронов и фотонов с энергией десятки-сотни кэВ в приземном слое.
Для оценки возможности ускорения электронов в приземном электрическом поле нами были проведены расчеты с использованием программного комплекса веаПА Численное моделирование процесса распространения в атмосфере проведено для электронов с первоначальной энергией в диапазоне Е0 = 100 кэВ-5 МэВ при наличии электрического поля напряженностью 20-100 кВ • м-1. Расчеты показали, что отдельные электроны с Е0 > 1 МэВ могут ускоряться до энергии в несколько МэВ, образуя при этом вторичную, менее энергичную электронно-фотонную компоненту. Хотя число таких электронов незначительно, их достаточно для объяснения наблюдаемого на КОВРЕ увеличении счета N1 и N2 на десятки процентов.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 № 3 2009
Рис. 1. Установка КОВЕР состоит из 24 блоков газоразрядных счетчиков СТС-6 (цифрами от 0 до 23 указаны номера блоков). Схема отдельного блока счетчиков приведена в левом верхнем углу: в каждом блоке пять верхних счетчиков (UP) и пять нижних счетчиков (LOW) разделены алюминиевыми поглотителями толщиной 7 мм (2 г • см-2).
N12 + 65, N2 + 10, N1 + 25
-30-■-1-■-1-■-1-■-1—
18:00 20:00 22:00 00:00 02:00
UT
Рис. 2. Пример возрастания счета КОВРА во время вариации приземного электрического поля 27 (18:00 ИТ) -28 февраля (03:00 ИТ) 2008 г. Сверху вниз: темп счета верхних счетчиков (N1), нижних счетчиков (N2), числа совпадений (N12). Данные N1, N2 и N12 осреднены за 1 минуту. Для удобства сравнения данных счет N1 увеличен на 25, счет N2 увеличен на 10, а N12 - увеличен на 65 единиц.
Внизу приведены секундные данные измерений напряженности приземного электрического поля прибором ЕЕМ-100.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе представлены результаты измерений космических лучей прибором КОВЕР, установленном на станции Эль Леонсито (астрономический комплекс САБЬЕО, Сан Хуан, Аргентина,
424
МЕНДОНСА и др.
Яс ~ 11.8 ГВ) в период 2006-2008 гг. Предварительный анализ экспериментальных данных показал увеличение потока космических лучей на границе атмосферы на 1.6% за последние 2 года. Определена амплитуда (~5%) сезонной вариации интенсивности КЛ. Основное внимание уделено возрастаниям темпа счета на КОВРЕ во время грозовой активности, сопровождающейся выпадением осадков и (или) вариациями электрического поля в приземной атмосфере.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке авторов по грантам РФФИ № 08-0291006, 08-02-00054, 07-02-01019, 08-02-10018, по программе Президиума РАН "Нейтринная физика", а также грантов № 06/04402-02 (БАРЕБР, Бра-
зилия) и 305605/2007-0 (CNPq, MACKPESQUISA, Бразилия).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nishikawa T., Tamagawa Y., Miyajima M. // Proc. IRPA 10 conf. Hiroshima. 2001. P-1a-29.
2. Ichiji T, Hattori T. // Proc. IRPA 11 conf. Hiroshima. 2004. P-4a-288.
3. Stozhkov Y.I., Svirzevsky N.S., Makhmutov V.S. // Proc. workshop on Ion-Aerosol-Cloud Interaction (IACI), April 2001. CERN. 2001. P. 23.
4. Chubenko A.P., Amurina I.V., Antonova V.P. // Phys. Lett. A. 2003. V. 309. № 1-2. P. 90.
5. Lydvansky A.S. // J. Phys. G. 2003. V. 29. P. 925.
6. Лидванский A.C., Хаердинов HC. // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71. № 7. С. 1052.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 < 3 2009
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.