Исследование связи между вариациями гамма-излучения и электрическими полями в приземном слое атмосферы

УДК 551.521.64

А. В. Германенко, Ю. В. Балабин, Е. А. Михалко, А. А. Торопов

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ВАРИАЦИЯМИ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

Аннотация

Представлены результаты мониторинга приземного гамма-излучения и вариаций электрических полей в атмосфере. В ходе мониторинга обнаружена корреляция между вариациями гамма-излучения и напряженностью электрических полей. Таким образом, электрическая природа возрастаний гамма-излучения по-прежнему возможна, наблюдения ее не опровергают, однако отсутствие четкой связи между ними указывает, что электрическое поле в нижнем слое атмосферы не является определяющим фактором.

Ключевые слова:

приземное гамма-излучение, электрические поля, вариации интенсивности.

A. V. Germanenko, Yu. V. Balabin, E. A. Mikhalko, A. A. Toropov

CONNECTION BETWEEN VARIATIONS OF GAMMA-RADIATION

AND ELECTRIC FIELDS IN THE GROUND LAYER OF THE ATMOSPHERE

Abstract

The results of monitoring of surface gamma radiation and variations of electric fields in the atmosphere are presented. During the monitoring a correlation was found between the variations of gamma radiation and the intensity of the electric fields, so the electrical nature of the increase in gamma radiation is still possible, observations of it are not refuted. However the absence of a clear connection between them indicates that the electric field in the lower layer of the atmosphere is not the determining factor.

Keywords:

surface gamma radiation, electric field, variations of intensity. 1. Введение

В ходе проведения в 2016 г. совместных с ИКФИА экспериментов на станциях космических лучей в Якутске и Тикси были установлены детекторы гамма-излучения, разработанные в III И. Детекторы поставлены в режим непрерывного мониторинга фонового гамма-излучения, приходящего из атмосферы. На этих станциях также производится мониторинг напряженности электрического поля с помощью электростатических флюксметров Boltex EFM-100. Наблюдаемые много лет возрастания гамма-фона при осадках [1-3] могут быть связаны с электрическими полями, присутствующими в дождевых облаках, а также между облаками и землей. Включение флюксметров в паре с детекторами гамма-излучения позволяет проверить эту гипотезу.

2. Оборудование

Используемые в работе детекторы созданы на основе кристалла №1(Т1), имеют эффективный диапазон 20-400 кэВ. Аналогичные детекторы применялись в наших работах ранее. Детекторы установлены в свинцовый экран толщиной не менее 5 см (использованы свинцовые кольца от нейтронного монитора), экранирующий фоновое гамма-излучение от земли и обеспечивающий детектору вертикальную направленность конуса приема. Детектор с экраном находятся в термобоксе с электрическим подогревом, обеспечивающим температурную стабильность детектора. Сам термобокс установлен на крыше лаборатории. Там же на крыше установлен флюксметр. Также регистрируются атмосферное давление и скорость ветра. Детектор гамма-излучения имеет четыре интегральных выхода с пороговыми значениями регистрации > 20, > 60, > 100, > 200 кэВ. Сам термобокс и общий вид места его установки показаны на рис. 1. В качестве системы регистрации для гамма-детектора выступает микроконтроллер ATmega 2560 с дополнительными модулями энергонезависимой памяти и часами точного времени.

Рис. 1. Станция Тикси: слева — общий вид размещения детектора гамма-излучения на крыше лаборатории космических лучей, справа — вид на детектор в термобоксе

3. Наблюдения и эксперименты

Эффект возрастания гамма-излучения при осадках был открыт в ПГИ в лаборатории космических лучей и подвергнут пристальному изучению [1-3]. Необходимость его изучения объясняется тем, что обнаружен дополнительный вид взаимодействия космических лучей и атмосферы, причем напрямую связанный с метеорологическими процессами в нижней атмосфере. Исследование нового эффекта может быть важным в аспекте влияния космических лучей на метеопроцессы, погоду, климат.

В течение ряда лет были проведены эксперименты и установлено, что возрастания гамма-излучения при осадках наблюдаются круглый год на всех станциях, где проводятся наблюдения, и достигают амплитуды 50-70 % от базового уровня. Эти возрастания не связаны с радиоактивным загрязнением осадков, происходят только в электромагнитной компоненте космических лучей и отсутствуют в заряженной.

За прошедшие годы детекторы были установлены в нескольких местах: в Апатитах (67° с. ш.), в Баренцбурге (78° с. ш.), в Якутске (62° с. ш.), в Тикси (71° с. ш.), в Ростове (47° с. ш.). Однако только в Тикси параллельно с детектором гамма-излучения установлен измеритель электрического поля, поэтому данные этой станции позволяют рассмотреть и проверить гипотезу электрического поля, которая в настоящее время является основной при объяснении явления и разработке физического механизма. Суть ее следующая. Легкие энергичные заряженные частицы (электроны и позитроны) возникают во всей толще атмосферы в результате взаимодействия космических лучей с веществом (воздухом). Основными процессами, производящими эти частицы, являются: распад мюонов и пи -мезонов, рождение пар. Присутствие этих частиц в атмосфере на всех высотах показывают прямые измерения, выполненные на шарах-зондах [4]. Энергичные электроны и позитроны, двигаясь в атмосфере, теряют часть своей энергии на ионизацию, часть — на тормозное излучение (гамма-кванты). При наличии электрического поля внутри облака такие частицы будут также приобретать энергию (при соответствующей полярности поля), которая также будет расходоваться на ионизацию и тормозное излучение.

Таким образом, при наличии электрического поля должен происходить увеличенный расход энергии на тормозное излучение, т. е. будет наблюдаться эффект возрастания гамма-излучения. Этот процесс дополнительного набора энергии в электрических полях облаков высокоэнергичными легкими частицами был назван доускорением. Здесь важно отметить, что доускорение действует только на частицы, у которых имеется достаточная энергия (десятки мегаэлектронвольт). Ускорить частицы малых энергий данное электрическое поле не способно. Также эффект доускорения следует отличать от эффекта убегающих электронов, возникающего при напряженностях ~200 кВ/м [5].

Именно поэтому важны параллельные измерения гамма -излучения и электрического поля, которые помогут обнаружить корреляцию между указанными величинами. Оптимальным было бы измерение электрических полей в дождевых облаках, но это слишком дорогой метод. Пока же оказались доступны наземные измерения. Как показывают расчеты, эффект в 10 % возрастания гамма-излучения может обеспечить электрическое поле уже при ~2 кВ/м.

На ст. Тикси флюксметр (электрометр) и остальные датчики включены в режиме мониторинга. За время работы неоднократно отмечались возрастания гамма-излучения от 10 % и выше. Точно так же отмечены многочисленные возрастания напряженности электрического поля в приземном слое атмосферы, доходящие до 10-20 кВ/м. Отметим, что такие напряженности не обязательно сопровождаются облачностью. Они отмечаются и при ясной ветреной погоде. Подобный эффект известен [6]. Сильные электрические поля возникают в процессе электризации снежинок при сильных ветрах с поземкой и метелях.

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00

Время, ит

Рис. 2. Небольшое возрастание гамма-излучения (синие точки — минутные значения, красная линия — сглаженные данные) отмечено 6-8 иТ 09.10.2016. И в это же время напряженность электрического поля меняет полярность, становится положительной, достигая 1 кВ/м. Давление можно считать постоянным в этот период

Рис. 3. Отличный пример: 25-26 декабря 2016 на слабом фоне (~200 В/м) во время метели электрическое поле выросло до 8 кВ/м, в это же время возрастание гамма-излучения достигло ~ 10 %

На рис. 2-4 представлены характерные случаи. Они подтверждают основные предположения. Например, что сильные электрические поля могут возникать при метелях и поземке. Однако в целом прямой связи между напряженностью электрического поля в приземном слое атмосферы и возрастаниями гамма-излучения наблюдения не показывают. Отмечаются события, при которых электрическое поле у земли сильное, а возрастания гамма-излучения нет. Также нет явной корреляции между напряженностью электрического поля и амплитудой возрастания. Подобное указывает на то, что электрическое поле в нижнем слое атмосферы не является тем определяющим фактором.

Рис. 4. Сложный случай: электрическое поле возрастает до 20 кВ/м около 5 ит и 21 ит, а в середине суток поле слабое, падает до 1 кВ/м, но возрастания гамма-излучения отмечаются как в 5 ИТ и 21 ИТ, так и в середине дня при слабом поле

4. Заключение

Собранные данные и предварительный их анализ указывают на присутствие связи между вариациями интенсивности приземного гамма -излучения и напряженностью электрических полей в приземном слое. Однако по имеющимся данным не представляется возможным вывести четкую

зависимость между ними. Возможно, причина в том, что электрическое поле у земли (где проводятся измерения его напряженности) и электрические поля между облаками не связаны однозначно и линейно. При высокой напряженности поля внутри облака вне его электрическое поле может быть значительно ниже (эффект конденсатора). Измерения флюксметром показали, что даже в полярных условиях (широта Тикси 71° с. ш.) напряженность электрического поля между землей и облаками достигает десятков киловольт на метр.

Ранее в наших работах были выполнены оценки на основе энергетического баланса, которые показали, что наблюдать возрастания гамма-излучения возможно уже при 1,5 кВ/м. Наблюдаемые нами возрастания гамма-излучения в Тикси могут происходить как при относительно слабом поле (~ 1,5 кВ/м), так и при сильном (до 20 кВ/м). Установлены, тем не менее, два важных факта:

1. Возрастания происходят только при положительной напряженности поля, отрицательная полярность поля не приводит к возрастаниям вообще.

2. Несмотря на условия (широта места наблюдения — 71° с. ш., полярная ночь, сильный мороз) во время осадков наблюдаются электрические поля до 20 кВ/м.

Данные наблюдения показывают, что сильные электрические поля присутствуют при возрастании и, таким образом, электрическая природа возрастаний гамма-излучения по-прежнему возможна, наблюдения ее не опровергают. Другое дело, что напряженность электрического поля в приземном слое воздуха может иметь сложную и непрямую связь с электрическими полями в облаках. По этой причине сложно по измерениям в одной точке (на поверхности земли) восстановить профиль напряженности электрического поля по высоте хотя бы на 2-4 км. Наблюдения и эксперименты будут продолжены.

Литература

1. Вариации естественного рентгеновского фона в полярной атмосфере / Ю. В. Балабин и др. // 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 et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2013. Vol. 409, 012241.

3. Variations of gamma radiation spectra during precipitations / Yu. V. Balabin et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2013. Vol. 409. 012243.

4. 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.

5. Гуревич А. В., Зыбин К. П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы // Успехи физических наук. 2001. Т. 171, № 11. C. 1177-1199.

6. Шишкин Н. С. Облака, осадки и грозовое электричество. Л.: Гидрометеоиздат, 1964.403 с.

Сведения об авторах

Германенко Алексей Владимирович

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: germanenko@pgia.ru

Балабин Юрий Васильевич

к. ф.-м. н., зав. сектором, Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: balabin@pgia.ru

Евгения Александровна Михалко

инженер, Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: mikhalko@pgia.ru

Торопов Анатолий Анатолиевич

м. н. с., Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера, Якутск

E-mail: toropov@ikfia.ysn.ru