ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 721-723
УДК 551.521.64;524.1:550.385
ВАРИАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ ИЗОБАРИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ © 2015 г. В. Л. Янчуковский, С. А. Сюняков, В. С. Кузьменко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизическая служба Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск E-mail: vjanch@gs.nsc.ru
Временные вариации интенсивности космических лучей представляют собой суперпозицию эффектов различной природы, включая и атмосферные эффекты. Последние обусловлены в первую очередь изменениями температуры и плотности атмосферы. Показано, как по данным непрерывной регистрации космических лучей получать информацию о вариациях температуры различных изобарических уровней атмосферы.
DOI: 10.7868/S0367676515050464
Наблюдаемые вариации интенсивности космических лучей содержат информацию о спектре модуляции первичного потока в межпланетном пространстве, об изменениях жесткости геомагнитного обрезания, вызванных возмущениями в магнитосфере, об изменениях плотности и температурного режима атмосферы. Для анализа наблюдаемых вариаций космических лучей и разделения их на составляющие различной природы необходимы многоканальные системы наблюдений, информационные каналы которых значительно различались бы по своим параметрам.
Многоканальный наблюдательный комплекс в Новосибирске [1] обеспечивает получение информации о вариациях интенсивности космических лучей в области энергий от 3 до 200 ГэВ с различных азимутальных направлений под различными углами к зениту. Вариации интенсивности, регистрируемой каналом п комплекса в пункте с на уровне к0 атмосферы, связаны с первичным спектром Б (К), жесткостью геомагнитного обрезания Кс, температурой Т атмосферы и атмосферным давлением Н, следующим образом:
AL
(Vt)= (R,t)W„ (R,h)dR -AR (t)Wn (Rc,h) J D
+ < exp
Jвn(h)dh
h0
- 1
+ Jwn (70,he,h)AT(h,t)dh, (1)
где Wn(R, Н0) — функция энергетической чувствительности канала п или коэффициент связи согласно определению [2]; рп (к) — барометрический коэффициент канала п; п (Т0,к0, к) — функция плотности температурных коэффициентов, отражающая вклад слоев атмосферы в создание интегрального температурного эффекта интенсивности; АТ (к) — временные вариации температуры атмосферы в зависимости от высоты. Решение системы уравнений (1) представлено нами в [3], и на примере многолетних наблюдений с помощью комплекса показана возможность мониторинга первичного потока космических лучей, жесткости геомагнитного обрезания, плотности и среднемассовой температуры атмосферы. Таким образом, становятся известны основные составляющие вариаций интенсивности, в том числе
и составляющая, обусловленная изменениями температурного режима атмосферы. Знание температурной составляющей вариации интенсивности мюонов, регистрируемых в каналах комплекса, и распределения плотности температурных коэффициентов интенсивности мюонов в атмосфере, которые были найдены нами методом главных компонент ранее [4], позволяет перейти к задаче оценки вариаций температуры на различных изобарах атмосферы.
Нахождение высотного профиля температуры атмосферы Т(Н) с помощью космических лучей сводится к решению системы интегральных уравнений вида
AI
(T, n) = J w (n, h)AT (h)dh
(2)
»
c
ЯНЧУКОВСКИИ и др.
722
к
или — (Т,п) = (п,к)Т(к)сСк — (п,к)Т(к)Ск,
о
поскольку АТ (к) = Т (к) - Т (к).
Здесь ^ (Т, п) — температурная составляющая вариаций интенсивности мюонов, регистрируемых каналом п телескопа, w (п, к) — распределение плотности температурных коэффициентов для канала
п, а к „ (п, к)Т (к)С к = О (п) — постоянная для каждого из каналов п величина. Функции м>п(к), найденные нами ранее [4], и Т(к) заданы таблично для определенных значений к. Если воспользуемся линейной интерполяцией между узлами интерполирования к, то интеграл в выражении (1) для
каждого из каналов п можем представить суммой из т интегралов (т — число интервалов, в которых к меняется от к (т) до к(т)):
к(т)
У | м>„ (т, к)Т(т, к)с1к, (3)
т к0(т)
где
w (п, к) = ат (п) + Ьт (п) к, (4)
Т (т, к) = Ст + Стк. (5)
Система интегральных уравнений (2) преобразуется в систему линейных уравнений.
Для каждого из п каналов запишем
У Г [ат + Ьтк][Ст + СщНСН
*—'т Кш
или
У{с
ат(кт к0т) + Ц Ьт(кт к0т)
Введем обозначения
Тогда
+ Ст
1 ат(кт к0т) + Ц Ьт(кт к0т)
1 2 2 ат(кт - к0т) + 2 Ьш(НШ - к0т)
2 ат(кш - к0т) + 1 Ьш(Нш - кот)
- Ат,
= Вт.
(6) (7)
У (СтАт + СтВт) = С^ Ат + С^ + Н^ Ащ] + (С2[В2 + к £ Ат] + .. . + ^-1^-1 + Нп-хУ Ат] + ^ВЩ, (8)
и=1
п=2
п=3
п-1
т
т
т
так как С2 = С1 + Ск1, Ст = Ст-1 + Сщ-Нш-Х.
В результате уравнение вариаций интенсивности для канала п будет иметь вид
Мт (п) + б (п) = СхУ Ат + С1[В1 + к1 У Ат] + ... + Ст-1[Вт-1 + кт-хУ Ат] + СтВт. (9)
и=1 т=2
т
т
Для определения константы О (п) используем это же выражение (5), в котором искомые параметры сх и Сх,.,.Ст заменяем постоянными значениями, найденными для среднегодового высотного распределения температуры атмосферы. Параметры с0 (т) и С0 (т) характеризуют средний (среднегодовой) высотный профиль температуры атмосферы.
В анализе были использованы данные непрерывных (часовых) измерений интенсивности космических лучей многоканальным комплексом в Новосибирске за период 2006—2008 гг. Результаты, полученные из решения системы уравнений (9),
представлены на рисунке. Слева на рисунке указаны изобары, справа — температура на изобарах. Сплошная линия — результаты анализа вариаций интенсивности мюонов, точки — данные аэрологического зондирования. Периодичность аэрологического зондирования 2 раза в сутки.
Таким образом, непрерывные наблюдения за вариациями космических лучей, проводимые на станциях космических лучей, оснащенных мю-онными телескопами, позволяют получать информацию о вариациях температуры атмосферы в реальном времени.
Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН: проект 10.3 "Космические лу-
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015
ВАРИАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ РАЗЛИЧНЫХ ИЗОБАРИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ АТМОСФЕРЫ
723
о VO о 2 CN
' -'У ; ' jj ¿/SC
к ]20°СЧ^
-60 -55 -55 -55 -55 U
о
яГ £
-50 fr Г л о С
-35 S о Н
20
10
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I_I I I I I I I I I
2006 2007 2008 Годы
Вариации температуры на различных изобарических уровнях атмосферы по данным космических лучей (сплошная кривая) и результатам аэрологического зондирования (точки).
чи в гелиосферных процессах по наземным и стратосферным наблюдениям" в рамках программы № 10 "Фундаментальные свойства материи и астрофизика".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Янчуковский В.Л. //Солнечно-земная физика. Новосибирск: Наука, 2010. Вып. 16. С. 107.
2. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы гстрофизики космических лучей. М.: Нгукг, 1975. С. 359.
3. Yanchukovsky V.L., Kuz'menko V.S. Antsyz E.N. // Geomagnetism and Aeronomy. 2011. V 51. № 7. P. 893.
4. Янчуковский В.Л., Кузьменко В.С. // Изв. РАН. Сер. физ. 2013. Т. 77. № 5. С. 634; Yanchukovsky V.L., Kuz'menko V.S. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2013. V.77. № 5. P. 569.
0
0
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5
2015
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.