Перспективы проведения научных исследований в Антарктиде с использованием привязных аэростатов

УДК 537.591.15

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОВЕДЕНИЯ НАУЧНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ В АНТАРКТИДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИВЯЗНЫХ АЭРОСТАТОВ

Р. А. Антонов1, С. И. Никольский, М. И. Панасюк1, Т. И. Сысоева, С. П. Черников

Излагается программа исследований по фундаментальной физике, планируемая на ближайшие антарктические экспедиции; представлены характеристики воздухоплавательных средств, обеспечивающих проведение физических исследований; изложена суть нового метода изучения космических частиц предельно высоких энергий, заключающегося в регистрации световых пятен-вспышек, образуемых на снежной поверхности потоком черепковского света, который генерируется электронами ШАЛ космического излучения.

Уникальные природно-климатические условия Антарктиды дают возможность эффективного проведения ряда научных экспериментов. В данной работе представлены исследования, планируемые в 47 и 48 антарктических экспедициях по фундаментальной физике в 2002 году на станции Новолазаревская. Утверждена программа исследований на 2002 - 2003 годы, состоящая из четырех основных направлений.

1. Изучение космических лучей предельно высоких энергий (свыше 1020 эВ). Поток таких частиц очень мал. Планируется использовать новый, оригинальный метод, основанный на идее, выдвинутой академиком А. Е. Чудаковым - регистрировать с боль шой высоты в ночное время световые пятна-вспышки, образуемые на покрытой снегом поверхности Земли потоком черенковского света, который генерируется электронами широких атмосферных ливней космического излучения.

ЧШИЯФ МГУ.

2. Исследование спектров нейтронов от солнечных космических лучей спектрометром ГРАНАТ, позволяющим одновременно определять:

энергетический спектр нейтронов с энергией 0.8 — 50 МэВ\ энергетический спектр гамма-квантов с энергией 0.02 — 20 МэВ; интегральный поток заряженных частиц (в том числе и протонов с энергией больше 10 МэВ).

Прототип такого прибора ГРАНАТ-С работал на орбитальной станции "Мир".

3. Определение опасности радиационнного поражения экипажей и пассажиров, высотных самолетов.

Работы, перечисленные в п.п. 2 и 3, проводятся в основном в период полярного дня.

4. Исследование процессов в озонном слое атмосферы Земли.

Работы проводятся круглогодично.

Для подъема научной аппаратуры в Антарктиде на первом этапе работ будут использоваться привязные аэростаты (ПА) двух типов. Привязной аэростатный комплекс ПАК-60, предназначен для подъема небольших грузов. Он включает в себя пленочный аэростат объемом около 60 ж3, стальной привязной трос диаметром 1.6 мм и ручную лебедку для подъема - спуска аэростата и корректирования высоты наблюдений. Масса аэростата - 18 кг, погонная масса троса - 12.3 г/м, длина троса - 1200 л. Аэростат позволяет обеспечить подъем полезного груза массой до 15-20 кг на максимальную высоту 1 км.

Возможна длительная (в течение нескольких суток) стоянка аэростата на любой промежуточной высоте.

Подъем контейнера с научной аппаратурой массой 80 - 90 кг предполагается осуществлять на специально разрабатываемом аэростате с объемом оболочки 250 300 м3. В качестве привязного троса будет использован синтетический канат, имеющий длину 1500 м и погонную массу 10 г/м. Создаваемый аэростат обеспечит возможность подъема груза 80 - 90 кг на рабочую высоту 1-1.2 км и будет качественно отличаться от существующих в настоящее время. При его разработке использованы новые конструктивные решения, позволяющие значительно улучшить аэродинамические характеристики аэростата и устойчивость работы на заданной высоте. Для изготовления оболочки ПА применяются новые материалы, благодаря которым появилась возможность существенно упростить технологию сборки и повысить качество изготовления аэростата, а следовательно, и его надежность.

Подъем и спуск привязных аэростатов может осуществляться при скорости ветра у поверхности земли до 10 м/с] допустимая скорость ветра на рабочей высоте - не менее 20 м/с.

Одним из экспериментов 48-й антарктической экспедиции на станции Новолазаревская планируется изучение первичного космического излучения предельно высоких энергий с использованием нового, ранее в мировой практике не применявшегося, ме тода, предложенного академиком А. Е. Чудаковым [1]. В условиях Антарктиды этот метод может оказаться особенно эффективным.

Основные сведения об энергетическом спектре и ядерном составе космических лучей в области энергий свыше 1015 — 1016эВ получаются путем регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ), образующихся в результате взаимодействия первичных частиц с ядрами атомов воздуха. Одним из калориметрических методов определения энергии первичной частицы является измерение интенсивности черенковского света, генерируемого частицами ШАЛ в атмосфере. Полный поток черенковского света ШАЛ дает сведения о суммарной энергии, растраченной потоком электронов на ионизацию атмосферы, составляющей значительную и вполне определенную долю энергии первичных протонов и ядер космического излучения, а регистрация формы пространственного распределения черенковского света дает сведения о глубине максимума развития ШАЛ в атмосфере.

В предлагаемом варианте эксперимент выглядит следующим образом. Компактная установка поднимается в ночное время на большую высоту над покрытой снегом поверхностью Земли и регистрирует освещенность черенковским светом заснеженной поверхности. Величина обозреваемой площади зависит от высоты подъема установки и может достигать 1000 км2 при высоте подъема 30 -40 км. Этот фактор является существенным ввиду малости потока регистрируемых частиц. Первые измерения с использованием подобной методики были проведены на Тянь-Шаньской высокогорной станции ФИАН, Тянь-Шаньской обсерватории ГАИШ [2] и на Вольской экспедиционной базе ФИАН [3] (эксперимент СФЕРА).

Основные трудности при проведении измерений черенковского света ШАЛ связаны с требованиями высокой прозрачности атмосферы и отсутствием облачности. Антарктида является идеальным местом для проведения подобных измерений. Длительный период полярной ночи, полное отсутствие загрязненности атмосферы аэрозолями, большие площади, покрытые снегом, весьма ограниченная облачность в зимний период, приемлемые ветровые и температурные условия в районе Российской станции Новолазарев-

Краткие сообщения по физике ФИ АН

номер 12, 2001 г.

екая. Учитывая это, ФИАН совместно с НИИЯФ МГУ планирует проведение подобных измерений на станции Новолазаревская, начиная с 48-й Российской Антарктической Экспедиции (РАЭ).

Имеющиеся в рассматриваемой области экспериментальные данные об энергетическом спектре получены в предположении, что характер взаимодействия частиц в области ультравысоких и предельно высоких энергий не отличается существенным образом от изученного в экспериментах на ускорителях. К тому же, в больших наземных установках ШАЛ расстояния между пунктами регистрации вынужденно делаются большими, так что центральная часть ливней не регистрируется. На Тянь-Шаньской установке, которая могла хорошо регистрировать плотность потока ливневых частиц вблизи оси, получены данные, свидетельствующие о том, что значительная доля ливней имеет очень узкое пространственное распределение ("молодые ливни", обусловленные прохождением первичных протонов в глубину атмосферы). На основе этих данных был получен спектр числа электронов с изломом в области энергий ~ 1017 э В [4]. Измеряемый наземными установками спектр может быть искажен, например, если в значительной доле взаимодействий, начиная с какой-то высокой энергии, существенно увеличивается множественность рождения адронов. В планируемой начальной серии измерений установка будет подниматься с помощью привязного аэростата на высоту 0.5 - 1.2 км. Величина энергетического порога в случае использования создаваемой в настоящее время установки СФЕРА-2 составит ~ 1015 эВ при высоте подъема 0.5 км и ~ 1016 эВ - при высоте 3 км. Число событий, которое может быть зарегистрировано за время 20-ти суточной экспозиции (500 часов), приведено в таблице.

Е, эВ 1015 1016 1017 1018

N(> Е), при Н = 0.5 км 105 2 • 104 2- 102 2

АГ(> Е), при Я = 1 км 4 • 106 8 • 104 8- 102 8

N(> Е), при Н = 3 км - 8 • 105 8 • 103 80

В первых экспериментах особое внимание будет уделено изучению распределения черенковского света на разных расстояниях от оси ливня, а также изучению ливней, приходящих под различными зенитными углами и проходящих через различную толщину атмосферы. В этой серии измерений могут быть получены данные в области энергий космического излучения 1015 — 1018 эВ. В планируемом эксперименте при подъ еме установки СФЕРА-2 на один километр величина поверхности, чувствительной к

регистрации черенковского света, составит 1 км2 при разрешении освещенности снежной поверхности 100 х 100 м2 и, соответственно, ~ 100 разрешаемых участков освещенной поверхности. Такая установка может измерять пространственное распределение черенковского света в индивидуальных ливнях в широком интервале расстояний от оси ливня. Ранее подобных измерений в мировой практике не проводилось.

Данная работа поддержана грантом РФИИ 01-02-16080.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч у д а к о в А. Е. Экспериментальные методы исследования космических лучей сверхвысоких энергий. Материалы Всесоюзного симпозиума - Якутск, 1972, с. 69.

[2] А н т о н о в Р. А., Петрова Е. А., Федоров А. Н. Вестник МГУ, сер. 3, физика, астрономия, 36, N 4, 102 (1955).

[3] Antonov R. A., Chernov D. V., К о г о s t е 1 е v а Е. Е., et al. Ргос. 27th ICRC, Hamburg, 1, 59 (2001).

[4]Вильданова Л. И., Дятлов П. А., Нестерова Н. М. и др. Известия РАН, сер. Физ., 58, N 12, 79 (1994).

Поступила в редакцию 17 января 2002 г.