ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 5, с. 625-627
УДК 539.126.33:551.51
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭФФЕКТ В ПОТОКЕ МЮОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ: МЕТОДЫ УЧЕТА И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ © 2013 г. А. Н. Дмитриева, И. И. Астапов, А. А. Ковыляева, Д. В. Панкова
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: ANDmitriyeva@mephi.ru
Рассматриваются упрощенные варианты коррекции потока мюонов на температурный эффект: метод эффективного уровня генерации мюонов и метод среднемассовой температуры атмосферы. Оценка точности коррекции проводилась по данным мюонного годоскопа УРАГАН (Москва, Россия). Отличие между данными, скорректированными при помощи дифференциальных по высоте температурных коэффициентов и при помощи упрощенных методов, не превышает 1—1.5%. Рассмотренные методы можно использовать для быстрой предварительной корректировки экспериментальных данных, а также для решения обратной задачи — оценки параметров атмосферы по данным мюонного годоскопа.
DOI: 10.7868/S0367676513050165
ВВЕДЕНИЕ
Мюоны образуются в результате взаимодействия частиц первичных космических лучей (КЛ) с ядрами воздуха в верхних слоях атмосферы, сохраняют направление их движения и способны донести информацию о процессах в межпланетном магнитном поле до поверхности Земли. Для изучения вариаций потока мюонов, вызванных внеатмосферными процессами, необходимо вводить поправки на метеорологические эффекты. Поправка на барометрический эффект достаточно проста, так как необходимо знать только значение давления на уровне регистрации. Температурный эффект вызывается изменением температуры по всей высоте атмосферы АТ(Н) = Т(Н) — Т0(Н), где Н — глубина атмосферы, Т(Н) и Т0(Н) — текущий и стандартный профили атмосферы соответственно. Наиболее точна поправка на температурный эффект ЛМТ, рассчитанная при помощи дифференциальных по высоте температурных коэффициентов (ДТК) №Т(Н) [1]:
фект (см. также [2]). В первом методе предполагается, что основная часть мюонов N образуется на некотором эффективном уровне генерации НЭУГ, высота которого зависит от температурного профиля атмосферы:
эуг
= А + а эугНэуг; АМт = а эуг^^эуг, где А — константа, аЭУГ — коэффициент линейного фита.
Во втором методе рассматривается зависимость потока мюонов от среднемассовой температуры атмосферы АТСМ:
Д^СМ =
аСМДТСМ,
А Тем =
J(Т(h) - T0(h))dh/X.
В расчетах в качестве стандартной модели атмосферы Т0(Н) использовалась модель атмосферы СССР [3]. Методы тестировались по данным мюонного годоскопа УРАГАН [4] (Москва, географические координаты 37°40' Е, 55°39' N высота 173 м над уровнем моря).
ANT = N 0100% | (й)Д
о
где N — стандартный поток мюонов на уровне регистрации X. Однако этот метод достаточно сложен. Кроме того, температурный профиль атмосферы измеряется метеорологическими зондами только 2 или 4 раза в сутки.
В данной работе рассматриваются более простые методы коррекции на температурный эф-
МЮОННЫИ ГОДОСКОП УРАГАН
УРАГАН [4] — широкоапертурный прецизионный мюонный годоскоп, предназначенный для исследования процессов в атмосфере и гелиосфе-ре, вызывающих вариации потока мюонов на поверхности Земли. Годоскоп состоит из отдельных супермодулей (СМ), каждый из которых имеет площадь 11.5 м2. Супермодули регистрируют мю-оны с малой пространственной и угловой погрешностью (1 см и меньше 1° соответственно) в
0
626
ДМИТРИЕВА и др.
1 1 1 1 1 1 1
15.5 16.0 5
- Нэуг, км
10
Л7см, К
1480 1460 1440 1420 1400 1380 1360 1480 1460 1440 1420 1400 1380 1360 1.5 1.0-| 0.5 0-0.5 --1.0 -1.5
01.06.2010 01.06.2011 01.12.2010 01.12.2011 Дата
Рис. 1. а и б — зависимости объединенного темпа счета СМ УРАГАН (черные точки) от высоты Нэуг и от АГсм, прямые — линейные фиты; в — разница между данными, скорректированными при помощи метода ДТК, и данными, скорректированными при помощи метода эффективного уровня генерации (серый цвет), и по методу среднемассовой температуры атмосферы (черный цвет).
широком интервале зенитных углов (0°—80°). Для оценки точности рассматриваемых методов учета температурного эффекта использовался объединенный среднечасовой темп счета ре-
17
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
^ 16 ч
НЭУГ
г
_1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
40 30
20 ^ 10 ^
0 ^
-10
-20
14 13
01.06.2010 01.06.2011 01.12.2010 01.12.2011 Дата
Рис. 2. Сравнение высоты уровня давления 100 мбар Нэуг (ось слева) и среднемассовой температуры атмосферы АТСм (ось справа), полученных по данным МГ УРАГАН (линии), с данными прямых измерений при помощи метеорологических зондов (точки).
конструированных событий трех СМ с коррекцией на барометрический эффект за период с июня 2010 г. по февраль 2012 г. Для интегрального темпа счета барометрический коэффициент составляет ~0.18%/мбар. Сезонные изменения потока мюонов космических лучей, вызванные температурным эффектом, составляют ~8%.
Для расчетов использовался температурный профиль атмосферы, получаемый по данным запусков метеорологических зондов Центральной аэрологической обсерватории (г. Долгопрудный) [5]. Максимальный коэффициент корреляции темпа счета мюонов наблюдается для уровня давления 100 мбар, который и был выбран в качестве эффективного уровня генерации. Корреляции объединенного темпа счета супермодулей УРАГАН с высотой НЭУГ и ДТСМ показаны на рис. 1а и 1б. Символами показаны экспериментальные данные, прямыми — линейные фиты. Значения полученных коэффициентов: о.эуг = — 3.90 ± 0.01%/км и аСМ = —0.234 ± 0.001%/К, коэффициенты корреляции равны —0.93 и —0.95 соответственно.
На рис. 1в показана разница между данными, скорректированными при помощи метода ДТК [6], и данными, скорректированными методом эффективного уровня генерации (серый цвет) и методом среднемассовой температуры атмосферы (черный цвет). Различие между данными, скорректированными при помощи ДТК и другими методами, слабо зависит от времени года и не превышает 1—1.5%.
Рассмотренные корреляции также использовались для оценки высоты уровня генерации мю-онов и изменений среднемассовой температуры атмосферы. На рис. 2 приведено сравнение высоты уровня давления 100 мбар (ось слева) и средне-массовой температуры атмосферы (ось справа), полученных по данным МГ УРАГАН (для каждого часа), с данными прямых измерений при помощи метеорологических зондов (2 раза в день), которое показывает хорошее согласие.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 77 № 5 2013
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ЭФФЕКТ В ПОТОКЕ МЮОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
627
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Различие между данными, скорректированными при помощи ДТК и упрощенными методами, не превышает 1—1.5%. Таким образом, последние можно использовать для быстрой предварительной корректировки. Рассмотренные методы также можно использовать для оценки высоты уровня генерации мюонов и среднемассовой температуры атмосферы по данным МГ УРАГАН. При этом параметры атмосферы можно оценивать ежечасно, в то время как метеорологические зонды запускаются лишь 2 раза в сутки.
Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД в рамках ведущей научной школы НШ-6817.2012.2 при поддержке гранта Президента РФ для молодых российских ученых МК-4659.2011.2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дорман Л.И. Метеорологические эффекты космических лучей. М.: Наука, 1972.
2. Беркова М.Д., Белов А.В., Ерошенко Е.А., Янке В.Г. // Изв. РАН. Сер. физ. 2011. Т. 75. № 6. С. 869; Berko-va M.D., Belov A.V., Eroshenko E.A., Yanke V.G. // Bull. Russ. Acad. Sci.: Physics. 2011. V 75. № 6. P. 820.
3. Глаголев Ю.А. Справочник по физическим параметрам атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970.
4. Барбашина Н.С. и др. // ПТЭ. 2008. № 2. С. 26.
5. Центральная аэрологическая обсерватория (Россия, Долгопрудный): http://www.cao-rhms.ru/in-dex.html
6. Dmitrieva A.N. et al. // Astropart. Phys. 2011. No. 6. V.34. P. 401.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ
том 77 № 5 2013
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.