Изучение вариаций потока мюонов космических лучей во время грозовых возмущений

А. С. МИХАЙЛЕНКО, А. Н. ДМИТРИЕВА, А. А. ПЕТРУХИН,

М. С. СОКОЛОВ, Д. А. ТИМАШКОВ, В. В. ШУТЕНКО, И. И. ЯШИН

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ИЗУЧЕНИЕ ВАРИАЦИЙ ПОТОКА МЮОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

ВО ВРЕМЯ ГРОЗОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Представлены результаты эксперимента по непрерывной регистрации пространственно-угловых вариаций потока мюонов с помощью мюонного годоскопа УРАГАН и рассмотрены возможные пути исследования связей между динамическими атмосферными явлениями и вариациями потока мюонов космических лучей.

Мониторинг опасных атмосферных явлений, таких, как грозы и ураганы, всегда являлся актуальной задачей. Несмотря на существование сети метеорологических станций и метеорологических спутников, многие локальные погодные возмущения до сих пор не удается обнаруживать заблаговременно. Поэтому в настоящее время разрабатывается новая методика мониторинга процессов в атмосфере с помощью детекторов, чувствительных к мюонной компоненте космического излучения.

Мюоны космических лучей представляют собой элементарные частицы с высокой проникающей способностью, поток которых формируется в верхних слоях атмосферы под действием первичного космического излучения и чувствителен к изменениям основных термодинамических параметров атмосферы [1]. Для регистрации вариаций потока мюонов на поверхности Земли используются детекторы нового типа – мюонные годоскопы, способные регистрировать мюоны одновременно с различных направлений небесной полусферы. Мюонный годоскоп УРАГАН [2], созданный в Научно-образовательном центре НЕВОД (НИЯУ МИФИ) в 2005 году, представляет собой широкоапертурный многослойный координатный детектор, состоящий из четырех отдельных супермодулей общей площадью 45 м2, которые регистрируют около 5500 мюонов в секунду.

Установка УРАГАН была запущена в режиме постоянной регистрации в 2006 году и на сегодняшний день общее время работы составило более 30 тысяч часов. Каждую минуту УРАГАН набирает данные по зенитно-азимутальному распределению потока мюонов и записывает их в специальную структуру – кадр. За время проведения эксперимента набрано около 2 млн. кадров, содержащих уникальную информацию о пространственно-угловых вариациях мюонов космических лучей. Обработка этих данных позволяет получать так называемые снимки неба в «мюонном свете», которые представляют собой карту относительных вариаций потока мюонов с различных направлений небесной полусферы. При анализе гроз использовались пятиминутные снимки, при этом интенсивности потока мюонов были скорректированы на барометрический тренд.

Для сопоставления данных УРАГАН с фактической погодой ведется погодная история, в которой фиксируются различные параметры атмосферы в районе расположения мюонного годоскопа. К сожалению, метеоданные о грозах в московском регионе недостаточно полны. Широкомасштабный мониторинг грозовой активности, проводимый традиционными методами, потребовал бы значительного увеличения количества метеостанций и обслуживающего персонала. С другой стороны, спутниковые наблюдения пока не в состоянии непрерывно регистрировать уровень грозовой активности в заданном регионе, особенно если размеры региона невелики. С целью получения наиболее полной картины о грозовой активности в период май–август 2009 года было использовано несколько источников данных, каждый из которых служил для косвенной проверки других. Такими источниками являлись: спутниковые снимки и синоптические карты, выставляемые на различных метеорологических интернет-ресурсах [3-5], показания барометрического датчика УРАГАН, а также визуальные наблюдения грозовых процессов в районе расположения установки. Всего с помощью этих источников за 2009 год было выделено 20 грозовых событий.

На рис. 1 представлен график атмосферного давления во время грозового события в ночь с 14 по 15 июля 2009 года. На графике виден характерный пик, который по времени совпадает с прохождением грозового облака и с данными о максимальной молниевой активности грозового возмущения в окрестностях установки УРАГАН. Такой пик в давлении носит название «грозового носа» и его появление сопровождает подавляющее большинство грозовых событий. Величина пика может варьироваться от 0.5 мбар до нескольких мбар в зависимости от мощности грозового возмущения и от общих погодных условий. В данном случае пик двойной: первый максимум приходится примерно на 19:30, второй максимум наблюдается примерно в 20:30. На рис. 2 представлен усредненный пятиминутный интегральный по супермодулям темп счета установки УРАГАН, скорректированный на барометрический тренд. Такой график автоматически выставляется в режиме реального времени на странице сайта НОЦ НЕВОД, посвященной установке УРАГАН [6]. Темп счета представлен в относительных единицах, так как нормирован на среднегодовое значение темпа счета установки. Видно, что в темпе счета наблюдается двойной минимум, пики которого в пределах 15–20 минут совпадают с «грозовым носом». Пики в атмосферном давлении объясняются в основном тем, что грозовое событие сопровождается локальными возмущениями в атмосфере с образованием более плотных областей воздуха, которые и являются причиной появления минимумов в темпе счета, так как поток мюонов вынужден проходить большее количество вещества, взаимодействовать с ним и в итоге поток мюонов, проходящих через такие области, уменьшается.

Рис. 1. График атмосферного давления 14–15 июля 2009 г.

Рис. 2. Пятиминутный темп счета установки 14–15 июля 2009 г.

Хотя интегральный темп счета установки хорошо реагирует на грозовое событие, но использование данных о пространственно-угловых вариациях потока мюонов может дать дополнительную информацию о развитии и перемещении грозовых возмущений. При записи минутного кадра УРАГАН производится реконструкция всех зарегистрированных треков (восстановление направления прилета частицы) и заполняются матрицы, в которые вносится информация о пространственно-угловом распределении потока мюонов. Таких матриц – три основных типа, различающихся тем, по каким угловым характеристикам происходит определение границ ячейки матрицы (размер матриц 91´91 ячеек):

§ M(θ, φ) – по зенитному θ и азимутальному углам φ, размер ячейки фиксирован в единицах градусов Δθ =1°, Δφ = 4°;

§ M(θY, θX) – по проекционным углам θY и θX, размер ячейки фиксирован в градусах ΔθXY = 2°;

§ M(tgθY, tgθX) – по тангенсам проекционных углов θY и θX, размер ячейки фиксирован в тангенсах проекционных углов ΔtgθXY = (tg80°) / 45.5.

Угловая матрица M(tgθY, tgθX) является наиболее подходящей для формирования оперативных изображений, так как такая матрица проецируются на уровень генерации мюонов без искажений. Для определения среднего значения количества событий в ячейках матрицы целесообразно использовать суточную статистику. Это обеспечивает отслеживание медленных трендов и сглаживание суточных колебаний интенсивности потока мюонов, обусловленных вращением Земли. При исследовании вариаций атмосферного происхождения от локальных возмущений, которые характеризуются значительно меньшими временными масштабами, более удобными являются пятиминутные интервалы. Одна из проблем мюонной диагностики заключается в том, что модуляции потока мюонов вызывают как гелиосферные процессы, так и процессы в атмосфере, и необходимо разделять влияние этих разных по природе генераторов возмущений. Задача облегчается тем, что, как правило, гелиосферные процессы продолжительны по времени, а атмосферные возмущения протекают сравнительно быстро, поэтому выбор соответствующей временной сетки позволяет уже на стадии подготовки данных провести разделение возмущений в потоке мюонов, вызванных гелиосферными и атмосферными причинами. После усреднения за сутки, нормировки и устранения шумов с помощью фурье-фильтрации, получаются снимки неба в «мюонном свете». На рис. 3 можно видеть пример таких снимков для грозового события 14–15 июля 2009 года. Справа от снимка находится шкала, которая позволяет судить о величине отклонений в потоке мюонов с различных направлений от среднесуточного значения в единицах среднеквадратичного отклонения. Во время спокойной атмосферы практически не наблюдается отклонений от среднего значения. В данном случае четко видны возмущения, максимум которых приходится на период времени с 21:00 до 21:10, что хорошо совпадает со вторым минимумом в интегральном темпе счета мюонов на рис. 2.

Рис. 3. Матрицы-кадры грозового события 14–15 июля 2009 г.

Для дальнейшего анализа грозовых событий используются вариации анизотропии потока мюонов. Интенсивность потока мюонов в общем случае зависит как от зенитного, так и от азимутального углов, причем эта зависимость может меняться со временем. Если скалярной характеристикой потока во времени является число событий, то векторной характеристикой может служить вектор анизотропии – нормированная на число событий сумма единичных векторов, каждый из которых имеет направление, полученное при реконструкции трека отдельного события. Вектор анизотропии указывает среднее направление с наибольшей интенсивностью потока мюонов. Длина вектора зависит от формы углового распределения потока и диапазона используемых для вычисления углов. Среднее направление вектора анизотропии, естественно, очень близко к вертикальному. Однако во время грозовых возмущений наблюдаются довольно сильные отклонения от среднего значения. На рис. 4 представлены графики длины вектора анизотропии и длины проекций этого вектора на взаимно перпендикулярные оси, ориентированные по сторонам света. На верхнем рисунке четко видны пики в абсолютной величине анизотропии, хорошо коррелирующие с минимумами в темпе счета установки (см. рис. 2). Второй, более высокий пик по времени совпадает с максимумом возмущений в «мюонном свете» на рис. 3. В проекциях вектора анизотропии (нижние рисунки) эти возмущения не так заметны, но определенно присутствуют и приходятся на то же время, что и на верхнем графике.

Рис. 4. Длина вектора анизотропии и его проекций для грозового события 14–15 июля 2009 г.

Таким образом, показано, что поток мюонов чувствителен к локальным грозовым возмущениям. Полученный результат свидетельствует о перспективности применения космических лучей в качестве инструмента для дистанционного мониторинга атмосферных явлений. Анализ данных мюонного годоскопа для грозовых событий лета 2009 года показал, что примерно в 80% событий наблюдается реакция потока мюонов на прохождение грозовой ячейки, причем как в общем темпе счета, так и в зенитно-азимутальных характеристиках потока мюонов.

Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД при поддержке Рособразования, Роснауки и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на годы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Метеорологические эффекты космических лучей. М.: Наука, 1972.

2.  , , и др. // ПТЭ. 2008. № 2. С.26.

3.  Сервер "Погода России" [Электронный ресурс]: Лаборатория информационной поддержки космического мониторинга / Институт космических исследований РАН. – Режим доступа к ресурсу: http://meteo. *****/win/wcarch/html/r_day_stn. sht? num=1262

4.  Wetterkarten [Электронный ресурс]: Карты погоды / Институт метеорологии и климатологии. Институт технологий Карлсруе. – Режим доступа к ресурсу http://www. wetter3.de

5.  Met Office [Электронный ресурс]: Инфракрасные спутниковые снимки / Британская служба погоды. –Режим доступа к ресурсу: http://www. metoffice. gov. uk

6.  Real-time muon hodoscope URAGAN data [Электронный ресурс]: Научно-образовательный центр НЕВОД / Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ". – Режим доступа к ресурсу: http://nevod. *****/English/graph. htm