ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 6, с. 884-887
УДК 537.591.15
ПУЛЬСАЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, СВЯЗАННЫЕ С ВАРИАЦИЯМИ ИНТЕНСИВНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВО ВРЕМЯ ГРОЗ © 2011 г. К. Х. Канониди1, А. С. Лидванский2, Л. Е. Собисевич3, Н. С. Хаердинов2
E-mail: lidvansk@lebedev.ru, khaerdinovns@yandex.ru
Обнаружено, что наблюдаемые во время гроз сильные вариации интенсивности вторичных космических лучей, ранее интерпретированные как следствие циклической генерации электронов и позитронов в сильном электрическом поле, в некоторых случаях сопровождаются отчетливо видимыми пульсациями геомагнитного поля. Эксперимент проводится на установке Ковер для исследования широких атмосферных ливней космических лучей, используемой как детектор частиц. Установка находится в Баксанском ущелье (Северный Кавказ). Магнитные измерения выполнены с помощью высокоточной магнитовариационной станции, расположенной глубоко под землей в штольне Баксанской нейтринной обсерватории на расстоянии около 4 км от установки Ковер.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование вариаций интенсивности вторичных космических лучей на установке Ковер БНО ИЯИ РАН во время гроз [1] привело к выводу о существовании, кроме регулярных вариаций, коррелирующих с приземным электрическим полем, значительных спорадических изменений интенсивности [2, 3].
Спорадические изменения интенсивности для мягкой компоненты сводятся только к возрастаниям, которые могут продолжаться в течение нескольких минут (как правило, не больше 10 мин) достигая максимальной амплитуды превышения над фоном 20—30% [4]. Для некоторых возрастаний мягкой компоненты наблюдались резкие обрывы интенсивности связанные с разрядами молний. Некоторое время они даже именовались предмолниевыми возрастаниями [3, 5]. Однако впоследствии оказалось, что наблюдаются возрастания мягкой компоненты и без каких-либо эффектов от молний. Хотя, конечно, такая яркая особенность, как резкий скачок интенсивности одновременно с разрядом молнии, представляет собой прекрасную сигнатуру события, особенно если амплитуда возрастания невелика. Возрастания интенсивности мягкой компоненты были зарегистрированы также в некоторых других экспериментах [6—10].
Возрастания мягкой компоненты были интерпретированы нами ранее как следствие процесса генерации частиц в электрическом поле грозового облака. Модель такого механизма была предложена в [11]. Он
1 Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН им. Н.В. Пушкова (ИЗМИРАН), Троицк.
2 Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН, Москва.
3 Учреждение Российской академии наук Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Москва.
заключается в возникновении положительной обратной связи и циклической генерации частиц в цепочке процессов: ускорение электронов — тормозное излучение — рождение электрон-позитронной пары — разворот позитрона (из-за кулоновского рассеяния) в тормозящем его электрическом поле и ускорение в противоположном направлении — тормозное излучение — рождение пары — разворот электрона и его ускорение. Критическая величина поля для такого процесса всего лишь на 30% превышает критическое поле, фигурирующее в теории пробоя на убегающих электронах (216 кВ • м-1 на уровне моря) и совпадающее с минимумом кривой ионизационных потерь. И достигается это критическое поле при энергии электронов и позитронов около 10 МэВ.
В событии, которое представлено в данной работе, наблюдаются практически одновременно возрастание интенсивностей мягкой и жесткой компонент. Кроме того, почти в то же время высокочувствительная магнитовариационная станция, расположенная глубоко под землей в нескольких километрах от установки Ковер, зарегистрировала пульсации геомагнитного поля. Указания на то, что грозы могут быть источником таких пульсаций были получены ранее (см., например, [12]). Цель настоящей работы — представить прямое экспериментальное доказательство возбуждения геомагнитных пульсаций во время грозы и обратить внимание на тот факт, что экспериментально наблюдаемые возрастания интенсивности вторичных космических лучей дают ключ к пониманию механизма возбуждения этих пульсаций.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Установка Ковер для исследования широких атмосферных ливней космических лучей Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН содержит 200 м2 сцинтилляторов под бетонной крышей, эф-
фективная толщина которой 29 г • см-2. Эта часть установки (собственно Ковер) используется в данном эксперименте как детектор одиночных частиц с порогом 30 МэВ, соответствующим минимуму в спектре энерговыделений. Если принимать во внимание ионизационные потери в крыше, это дает порог по энергии для жесткой компоненты космических лучей около 100 МэВ. В составе жесткой компоненты есть небольшая примесь других частиц, но мюоны преобладают (более 80%).
Мягкая компонента измеряется в шести выносных пунктах с очень тонкой крышей. В каждом из этих пунктов расположено по 9 м2 сцинтилляторов (всего 54 м2). Для этих неэкранированных сцинтил-ляционных детекторов с помощью двух интегральных дискриминаторов с порогами 10 и 30 МэВ выделяется мягкая компонента в этом энергетическом диапазоне. В составе мягкой компоненты есть малая примесь мюонов из-за краевого эффекта, но около 80% ее составляют электроны, позитроны и гамма-кванты. Темп счета для мягкой и жесткой компонент составляет примерно 40000 и 4000 с-1 соответственно. В состав установки для изучения широких атмосферных ливней входит также мюонный детектор (его полная площадь и темп счета 175 м2 и 19000 с-1 соответственно) с пороговой энергией мюонов 1 ГэВ. На стадии предварительного анализа проводилась диагностика информации для выявления вариаций аппаратурного происхождения, и данные поправлялись на известные вариации, связанные с давлением и взаимным влиянием разных компонент.
В эксперименте ежесекундно измеряются атмосферное давление Р, напряженность приземного электрического поля Б, и электрический ток дождя I. Измеритель электрического поля вращательного типа помещен на крыше здания, где расположен сцинтилляционный Ковер. Измерительный электрод этого инструмента представляет собой секторный вращающийся пропеллер, соединенный с землей через нагрузку. Выше электрода находится неподвижный экран с секторными вырезами, которые позволяют измерительному электроду на время стать неэкранируемым для измерений. Измеряется амплитуда переменного потенциала на нагрузке (пропорциональная действующему электрическому полю). Чтобы исключить влияние заряженных капель дождя, инструмент имеет в своем составе зонт, помещенный выше измерительного электрода и вращающийся вместе с ним. Скорость вращения и размеры измерителя подобраны так, чтобы измерительный электрод покидал открытый сектор, прежде чем дождевые капли в свободном падении пройдут расстояние между зонтом и электродом и достигнут последнего.
В настоящей работе использованы также данные магнитовариационной станции, установленной в
лаборатории № 1 Северо-Кавказской геофизической обсерватории. Эта лаборатория расположена в отдельной камере (боковой вырубке штоль-ни"Вспомогательная") БНО ИЯИ РАН на расстоянии 4100 м от входа в штольню. Трехкомпонентная цифровая магнитовариационная станция [13] расположена на бетонном постаменте в центре камеры и ориентирована по магнитному меридиану. Она выполнена на основе кварцевых магнитных датчиков системы Боброва и предназначена для непрерывной регистрации трех составляющих (к, й, и I) вектора магнитной индукции. Регистрация каждой компоненты осуществляется отдельным датчиком. Частотный диапазон от 0 до 1 Гц, а случайная погрешность измерения при длительности измерения не менее 3 секунд 0.1 нТл. Относительная нестабильность показаний во времени 1-2 нТл в год, а динамический диапазон ±2000 нТл.
СОБЫТИЕ 15 ОКТЯБРЯ 2007 г.
Гроза 15 октября 2007 г. в Баксанском ущелье продолжалась почти сутки. Точнее, даже более суток продолжался дождь, тогда как собственно гроза, т.е. сильная электрическая активность, состояла из нескольких эпизодов. Во время последнего из них имело место сильное возмущение интенсивности мягкой компоненты вторичных космических лучей, которая представлена на рис. 1 (второй график сверху). Это возмущение представляет собой возрастание с максимумом 3.5% примерно с 18:35 до 18:45 местного времени при том, что статистическая точность для мягкой компоненты на рис. 1, где исходные данные, полученные с односекундным разрешением, усреднены по 4-секундным интервалам, составляет 0.3%. В жесткой компоненте примерно в то же время наблюдается возрастание с максимумом, превышающим 0.8% при статистической ошибке 0.1% (второй график снизу на рис. 2). Этот пик интенсивности мюонов предваряют два понижения интенсивности примерно такой же амплитуды и длительности (точнее, длительность одного из этих понижений примерно вдвое больше, но возможно, оно является двойным и понижений на самом деле три).
В целом событие не выглядит необычным. По амплитуде наблюдаемых эффектов оно даже довольно среднее. Если здесь максимальное возрастание мягкой компоненты едва превышает 5% (при наилучшем временном разрешении), то в ранее опубликованных событиях 7 сентября 2000 г. [1, 2] и 11 октября 2003 г. [4] зарегистрированы максимальные возрастания превышающие 20 и 30% соответственно.
Однако замечательная особенность рассматриваемого события - наличие пульсаций геомагнитного поля. На рис. 1 приведены все три компоненты магнитного поля, измеренные на большом расстоянии
886
КАНОНИДИ и др.
■ ■ ...............................
16 17 18 19 20 час
16 17 18 19 20 час
Рис. 2. Два верхних графика повторяют данные рис. 1. Далее приведена интенсивность мюонов с порогом по энергии около 100 МэВ, а на нижнем графике представлена Л-компонента магнитного поля с вычтенным трендом суточной волны. Видна периодичность с примерно часовым периодом и пульсации с характерным периодом около 100 с в районе одновременного возрастания интенсивности мягкой и жесткой компонент.
Рис. 1. Грозовое событие 15 октября 2007 г. Интервал усреднения 4 с. Сверху вниз показаны напр
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.