Сезонные вариации в различных компонентах вторичных космических лучей в приземном слое полярной атмосферы

ФИЗИКА СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫХ СВЯЗЕЙ

УДК 551.521.64

А. В. Германенко

СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ В РАЗЛИЧНЫХ КОМПОНЕНТАХ ВТОРИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ ПОЛЯРНОЙ АТМОСФЕРЫ

Аннотация

Представлены результаты мониторинга различных компонент вторичных космических лучей в приземном слое полярной атмосферы. В ходе мониторинга в части компонент была обнаружена годовая вариация. Предложен механизм возникновения данной вариации.

Ключевые слова:

вторичные космические лучи, гамма-излучение, годовая вариация.

A. V. Germanenko

SEASONAL VARIATIONS IN THE VARIOUS COMPONENTS

OF SECONDARY COSMIC RAYS IN THE POLAR ATMOSPHERE GROUND

LEVEL

Annotation

The results of the monitoring of the various components of the secondary cosmic rays in the surface layer of the polar atmosphere have been presented. The monitoring showed annual variation in the different components. A mechanism of this variation has been proposed.

Keywords:

secondary cosmic rays, gamma radiation, annual variation.

Введение

В лаборатории космических лучей в течение нескольких лет ведется непрерывный мониторинг различных компонентов вторичных космических лучей. Для этого была создана комплексная система мониторинга радиационного фона в различных видах излучений: нейтронной компоненты, низкоэнергичной заряженной и низкоэнергичной электромагнитной компонент [1-3]. На атмосферу Земли из космического пространства падает поток первичных космических лучей. Влетая в атмосферу Земли и сталкиваясь с ядрами атомов, частицы первичного потока вызывают каскад ядерных реакций. Именно эти вторичные частицы и достигают нижних слоев атмосферы и поверхности Земли. Среди них имеются электроны, мюоны, гамма-кванты и нейтроны. Эти частицы регистрируются экспериментальным комплексом мониторинга излучения, созданным в рамках нашей работы.

Комплексная установка мониторинга вторичных космических лучей

К настоящему времени помимо стандартного нейтронного монитора (НМ) в состав комплекса в Апатитах входят детекторы гамма-квантов на сцинтилляционных кристаллах (СД), бессвинцовая секция нейтронного

9

монитора (БСНМ), детектор заряженной компоненты (ДЗК) и детектор тепловых нейтронов (ДТН). Сцинтилляционные детекторы регистрируют гамма-излучение в диапазоне энергий от 20 кэВ до 5 МэВ, НМ чувствителен к нейтронам с энергиями более 50 МэВ [4], БСНМ - к нейтронам с энергиями сотни кэВ - единицы МэВ, ДТН - тепловые нейтроны, ДЗК регистрирует все заряженные частицы (мюоны, электроны, позитроны) с энергиями более 2 МэВ. С помощью сцинтилляционного детектора и многоканального амплитудного анализатора непрерывно ведутся измерения дифференциального спектра гамма излучения с временным разрешением в 30 мин. Данные со всех приборов поступают в общую систему регистрации [1]. Подобная система, пока в усечённом виде, установлена в Баренцбурге (арх. Шпицберген). На данный момент она состоит из трёх секций стандартного нейтронного монитора и сцинтилляционного гамма-детектора. Анализ данных, полученных на этих установках за последние несколько лет, позволил выявить наличие сезонных вариаций в некоторых компонентах космических лучей.

Сезонные вариации излучения

Рентгеновский фон в приземном слое атмосферы имеет сезонные колебания, что приводит к годовой вариации в этой компоненте излучений. Она наблюдается как в Апатитах, так и на станции в Баренцбурге (арх. Шпицберген). Вариации счёта гамма-детекторов в обоих пунктах регистрации за 2009-2014 гг представлены на рис.1. Как видно из графика, поток гамма-излучения увеличивается весной - летом, достигая максимума в июле - августе, и падает зимой, достигая минимума в марте (Апатиты) и в апреле - мае (Баренцбург). В Апатитах амплитуда годовой вариации составляет ~25 %, в то время как в Баренцбурге она доходит до 50 %. На рис.2 показана среднегодовая вариация гамма-излучения, вычисленная методом наложения эпох. Вариация имеет выраженный несимметричный характер: достаточно широкий плоский максимум на протяжении теплого сезона и спад на протяжении осени - зимы с резким ростом в весенний период. При этом в Баренцбурге спад начинается раньше, а рост позже.

Рис.1. Сравнение годовых вариаций счёта детекторов гамма-излучения в Апатитах

и на станции Баренцбург

10

Рис.2. Среднегодовая вариация гамма-излучения в приземном слое атмосферы на станциях Апатиты и Баренцбург, вычисленная методом наложения эпох за 2009-2014 гг.

Отметим, что обе станции располагаются далеко от зон тектонических разломов, а Баренцбург находится еще и в зоне вечной мерзлоты. Эти факторы указывают, что выделение радона из почвы минимально или вообще отсутствует и, соответственно, не может служить причиной вариации. Против радоновой гипотезы также говорит факт отсутствия подобной вариации в заряженной компоненте. В работе [5] приводится подробное описание дополнительно выполненных экспериментов, подтверждающих отсутствие вклада в эти вариации каких-либо радионуклидов-загрязнителей природного или антропогенного характера.

Наличие комплекса регистрации различных вторичных компонентов космических лучей позволяет исследовать годовые вариации во всех компонентах и сравнить их. На рис .3 показаны готовые вариации, полученные методом наложения эпох, для ст. Апатиты для всех имеющихся детекторов. Годовая вариация на нейтронном мониторе (НМ) отсутствует, наблюдается лишь убывающий тренд. Он связан с 11 -летним циклом солнечной активности, минимум которой пройден в 2009 г. Других существенных вариаций на НМ не наблюдается. Именно так и должно быть, НМ имеет конструкцию, сводящую влияние локальных условий к минимуму. Поведение бессвинцовой секции нейтронного монитора (БСНМ) в целом совпадает с НМ (имеется спад, присутствуют такие же флуктуации, связанные с космическими факторами), однако каждый год в холодный сезон возникает провал счета БСНМ.

11

Рис.3. Среднегодовая вариация на всех имеющихся детекторах: сцинтилляционном гамма-детекторе

С началом теплого сезона уровень возвращается к НМ. Это наглядное влияние на БСНМ местных условий и локальных параметров среды. В холодный период с появлением снежного покрова поток альбедных нейтронов из почвы уменьшается (снег - вещество с высоким содержанием протонов, что обеспечивает эффективное замедление нейтронов и меньший их выход в атмосферу) и БСНМ регистрирует только нейтроны, падающие из верхней полусферы, как и НМ. Отсутствие же влияния снега на НМ объясняется как раз наличием внешнего полиэтиленового слоя, обеспечивающим защиту НМ от альбедных нейтронов и других локальных причин.

Годовая вариация на детекторе тепловых нейтронов (ДТН) в целом повторяет БСНМ, имеет большую амплитуду, но подвержена другим дополнительным факторам, что несколько маскирует годовую вариацию. Годовая вариация на детекторе заряженной компоненты (ДЗК), как и на НМ, отсутствует.

Примечательно, что профили годовой вариации сцинтилляционного детектора (СД) и БСНМ не просто совпадают по фазе, но практически полностью повторяют друг друга. У БСНМ в теплый период года наблюдается несколько скошенное плато. Скос его определяется тем же трендом, что и у НМ, а спад осенью-зимой и резкий подъем весной совпадают с СД.

Столь точное и явное совпадение профилей годовых вариаций на двух различных детекторах указывает общую причину, влияющую на эти компоненты вторичных космических лучей. Такие большие годовые вариации трудно объяснить вариациями температуры атмосферы.

12

Предположительно, природа этой вариации та же, что и возрастаний -электрическое поле. Помимо годовых вариаций на СД наблюдаются возрастания (до 50 % в отдельных событиях), связанные с осадками [2, 3]. Совокупность фактов, полученных во время наблюдений этих возрастаний, указывает, что они могут быть связаны с эффектом доускорения заряженных частиц (электронов и мюонов) в электрических полях дождевых облаков [6]. В этом случае годовая вариация, по-видимому, будет обусловлена вариацией глобального электрического поля в атмосфере Земли, в то время как возрастания при осадках - с локальными вариациями электрического поля в облаках. Для полного выяснения этой связи требуются дальнейшие и более полные и комплексные исследования не только космических лучей, но и атмосферных процессов.

Заключение

В ходе мониторинга различных компонент вторичных космических лучей у поверхности земли обнаружена годовая вариация. Она наблюдается в рентгеновском диапазоне 20 кэВ - 5 МэВ, а также в нейтронной компоненте до энергий в единицы МэВ. Одной из возможных причин может быть вариации электрического поля в атмосфере.

Литература

1. Вариации естественного рентгеновского фона в полярной атмосфере / Ю. В. Балабин, А. В. Германенко, Б. Б. Гвоздевский, Э. В. Вашенюк // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 3. С. 376-386.

2. Features of the flux of gamma-radiation in the lower atmosphere during precipitation / A. V. Germanenko, Yu. V. Balabin, B. B. Gvozdevsky, E. V. Vashenyuk // J. of Phys. Conf. Ser. 2013. Vol. 409. 012241.

3. Variations of gamma radiation spectra during precipitations / Yu. V. Balabin, A. V. Germanenko, B. B. Gvozdevsky, E. V. Vashenyuk // J. of Phys. Conf. Ser. 2013. Vol. 409. 012243.

4. Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975. 402 с.

5. High-energy photons connected to atmospheric precipitations // A. V. Germanenko, Yu. V. Balabin, B. B. Gvozdevsky, L. I. Schur, E. V. Vashenyuk // Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. Vol. 7. P. 471-475.

6. Rust W. D., Trapp R. J. Initial balloon soundings of the electric field in winter nimbostratus clouds in the USA // Geophys. Res. Lett. 2002. Vol. 29. P. 1959-1962.

Сведения об авторе

Германенко Алексей Владимирович,

младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, germanenko@pgia.ru

13