Отдел космических лучей

Русский | English

	СЕТЬ СКЛ
	Коротко об УНУ
	Документация УНУ
	Уникальность УНУ
	База данных УНУ
	Результаты УНУ
	Элементы УНУ
	План на будущее
	Конференции
	Публикации
	Контакты
–––––––––––––––––––
	Подать заявку
	Статус заявки
–––––––––––––––––––
	Все об УНУ
–––––––––––––––––––
	Время работы УНУ в текущем году:

Полученные результаты СЕТЬЮ СКЛ

Уникальная научная установка

"Российская национальная наземная сеть станций космических лучей"

(СЕТЬ СКЛ)

Цель исследований – получение новых данных о потоках заряженных частиц в атмосфере на высотах от уровня Земли до 30 км, получение новых данных о потоках космических лучей на уровне Земли; получение новых знаний о модуляционных эффектах в космических лучах, о физических процессах, ответственных за спорадические явления на Солнце и в межпланетной среде, установление их взаимосвязей с динамикой потоков частиц на орбите Земли и установление структуры гелиосферы в целом.

Метод исследований – непрерывные измерения потоков космических лучей на 15 российских станциях, включая Антарктиду, регулярный мониторинг потоков заряженных частиц в атмосфере в северных, южных и средних широтах.

Важнейшие результаты, полученные в 2017 г. СЕТЬЮ СКЛ:

–	Продолжалась непрерывная регистрация нейтронной компоненты космических лучей (КЛ) на 15 российских станциях (рис.1), мюонной компоненты на 3 станциях, а также наблюдения потоков КЛ на 3 станциях атмосферного зондирования (рис.2). Данные наземных измерений интенсивности КЛ в режиме реального времени доступны в сети по адресам сайтов институтов посредством интерактивных запросов для всех заинтересованных пользователей. Одновременно результаты 1-мин. измерений непрерывно передаются в международную базу данных нейтронных мониторов (NMDB: Real-Time Database for high-resolution Neutron Monitor measurements). Все станции КЛ являются частью Уникальной Научной Установки "Российская национальная наземная сеть станций космических лучей".Полученные новые данные о потоках КЛ позволяют заключить, что модуляция КЛ в 24-ом цикле еще не достигла своего минимального значения. Предстоящий максимум потока космических лучей ожидается продолжительным (подобно периодам 1974-1976 гг. и 1994-1997 гг.), т.к. Солнце находится в положительной фазе 22-летнего солнечного магнитного цикла. В начале 2017 г. амплитуда вариации на станции Москва составила 0.14% к базе 2009 г. и модуляция в текущем цикле оказалась самой слабой за время работы нейтронных мониторов и наблюдений потоков КЛ в атмосфере (см. рис.1 и 2). То же следует и из непрерывного мониторинга мюонной компоненты космических лучей на Якутском спектрографе (4 уровня), годоскопе в Новосибирске и мюонном телескопе в Москве и из непрерывных наблюдений КЛ на антарктической станции Мирный в 60-62 Российских антарктических экспедициях. На протяжении последних лет (с середины 2015 года), несмотря на высокую активность Солнца не наблюдалось ни одного значительного (более 3 %) Форбуш-понижения. Только во второй половине 2017, случились два значительных корональных выброса, вызвавших гелиосферные возмущения и Форбуш-понижения (в июле и сентябре) более 5 %. Это первые после двух лет паузы значительные Форбуш-понижения. Активная область, с которой связан выброс в сентябре, также произвела небольшое событие GLE. Это первое наземное событие (солнечных космических лучей) СКЛ после 2012 г. Исполнители: все организации.

	Рис.1. Вариации космических лучей на российской сети станций нейтронных мониторов (среднемесячные значения). Нижняя кривая показывает уровень солнечной активности (число солнечных пятен – Wolf number).	Рис. 2. Среднемесячные значения потоков заряженных частиц в атмосфере в максимуме переходной кривой (максимум Регенера-Пфотцера) в северных полярных широтах (зеленая кривая, Апатиты, Мурманская область), в южных полярных широтах (синяя кривая, Мирный, Антарктида), в северных средних широтах (красная кривая, Долгопрудный, Московская область). Пунктирные прямые показывают максимальный уровень потоков КЛ, измеренный в 1965 г. Rc – значения геомагнитных жесткостей обрезания в ГВ.
–	В начале сентября 2017 г. был отмечен значительный всплеск солнечной активности. Последствия мощных событий на Солнце отражены в вариациях КЛ: нейтронные мониторы наблюдали в сентябре 2017 г. серию Форбуш-понижений. Одно из них достигло величины около 8% (для КЛ с жёсткостью 10 ГВ) и стало одним из трёх крупнейших Форбуш-понижений текущего солнечного цикла. В эти же дни пополнился список протонных возрастаний. Событие 10 сентября 2017 г. было зарегистрировано нейтронными мониторами на Земле и в атмосфере. Скорость счёта нейтронных мониторов увеличилась на (3-7)%. Таким образом, это событие стало новым наземным возрастанием солнечных КЛ (GLEN73). Пример зарегистрированного GLE приведен на рис. 3. Исполнители: ПГИ, ИЗМИРАН.

	Рис.3. Профили возрастания КЛ в GLE73 на станциях Апатиты, Баренцбург и Москва
		Солнечное протонное событие было также зарегистрировано в стратосфере 11 сентября как в северных, так и в южных полярных широтах. На рис. 4 приведены энергетические спектры солнечных протонов. Для сравнения даны результаты измерений в то же время на геостационарном спутнике GOES 13. (ПГИ)
		Рис.4. Энергетический спектр солнечного протонного события 11 сентября 2017 г.
–	На основе анализа мониторинга геомагнитных возмущений за 2015-2016 гг., проведена модернизация метода их прогноза с помощью метода глобальной съемки. В результате чего вероятность прогнозирования геомагнитных бурь с амплитудой Dst-вариаций ниже -50 нТ составила 80%. Результаты прогноза доступны в режиме реального времени http://www.ysn.ru/~starodub/SpaceWeather/global_survey_real_time .html. Исполнители: ИКФИА.
–	На основе метода глобальной съемки, исследованы переходные процессы, связанные с взаимодействием быстрых и медленных потоков солнечного ветра. За период 1990-2012 гг. установлены параметры тензорной анизотропии КЛ (антисимметричная суточная R21 и симметричная полусуточная R22 составляющие тензора анизотропии КЛ). В 38-ми случаях с началом прихода ударной волны на Землю обнаружены необычные амплитудно-фазовые колебания R21 и R22, которые заключаются в резком повороте R21 на 90°, а R22 на 180°. Возможной причиной такого явления является образование магнитной пробки, в результате чего внутри регулярного магнитного поля образуется ловушка для КЛ. Исполнители: ИКФИА.
–	Рассчитано распределение плотности температурных коэффициентов интенсивности мюонов в атмосфере W для различных зенитных углов регистрации на уровне моря и на различных глубинах под Землей. Исполнители: ИНГГ, ИКФИА.
–	Определены дифференциальные спектры солнечных КЛ в событии 10.09.17. Эти спектры сравниваются с данными о потоках энергичных частиц, измеренных на КА GOES-13 (рис. 5). Особенность этих измерений в том, что на заданный момент возможно определить только одну точку дифференциального потока. Нижняя звездочка соответствует интервалу 16:50-16:55, верхняя – интервалу 17:10-17:15. Полученные результаты позволяют заключить,что событие имеет признаки жесткого события, подобному событию сентября 1989 года: показатель спектра принимает среднее значение около -3.7, на фазе роста наблюдалась высокая анизотропия (ширина потока не превышала 30-40 градусов). На врезке приведены профили двух соседних станций (Инувик и Форт Смит), подтверждающие наличие высокой анизотропии. Исполнители: ПГИ.	Рис 5. Дифференциальные спектры солнечных КЛ в событии 10.09.2017.
–	Создана модель ограниченной магнитосферы с кольцевым током, в рамках этой модели рассчитаны жесткости геомагнитного обрезания космических лучей в зависимости от величины геомагнитного возмущения. Проведено сравнение результатов аналитических расчетов в рамках созданной модели ограниченной магнитосферы и результатов в рамках модели неограниченной магнитосферы с кольцевыми токами в виде токов, текущих по параллелям сферы, величина которых пропорциональна косинусу широты показали, что изменения жесткости геомагнитного обрезания КЛ в области пороговых жесткостей более ~ 6 ГВ не зависят от выбора модели магнитосферы (модель ограниченной магнитосферы или модель неограниченной магнитосферы с западным кольцевым током). Полученные результаты могут быть полезны для диагностики магнитосферных процессов в периоды геомагнитных бурь по данным наземных наблюдений КЛ. Исполнители: ИСЗФ.
–	Глобально спектрографическим методом рассчитаны вариации плотности и векторной анизотропии КЛ за каждый час 2016 года и 2017 года. В результате получена расширенная база данных основных характеристик вариаций КЛ за 1957-2017 годы для часового разрешения. На рис. 6 дана зацепленная векторная диаграмма поведения эклиптической составляющей векторной анизотропии КЛ, к которой добавлены последние годы. Хорошо видны долговременные изменения фазы анизотропии, обусловленные сменами полярности общего магнитного поля Солнца, на протяжении трёх солнечных магнитных циклов. Исполнители: ИЗМИРАН.	Рис. 6. Поведение эклиптической составляющей векторной анизотропии КЛ для жёсткости 10 ГВ в 1957-2016 гг.
–	На основе среднечасовых характеристик КЛ лучей, полученных методом глобальной съёмки, выделены и включены в базу данных все Форбуш-эффекты. В результате получена расширенная и усовершенствованная база данных Форбуш-эффектов и крупномасштабных возмущений солнечного ветра, включающая все события 1957-2016 годы с заметными крупномасштабными околоземными проявлениями в солнечном ветре и в галактических КЛ. Упрощённая интернет-версия этой базы данных доступна по адресу http://spaceweather.izmiran.ru/rus/dbs.html. Исполнители: ИЗМИРАН.
–	Выполнен анализ уникальных экспериментальных данных о высыпаниях высокоэнергичных магнитосферных электронов в атмосферу Земли за период с 1961 г. по 2017 г. (см. рис. 7). Установлено, что высыпания наблюдаются преимущественно на спаде солнечной активности и коррелируют с высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр. Показано, что необходимыми условиями для высыпаний являются возмущения магнитосферы высокоскоростными потоками солнечного ветра, сопровождаемыми отрицательным значением Bz - компоненты межпланетного магнитного поля. Высыпающиеся электроны участвуют в ион-молекулярных реакциях, влияющих на динамику содержания озона в атмосфере Земли. Исполнители: ФИАН.	Рис. 7. Временной ход числа зарегистрированных случаев высыпаний в атмосферу магнитосферных электронов (лиловая кривая с квадратиками), среднегодовой скорости солнечного ветра (зеленая кривая) и числа солнечных пятен (розовая кривая).
–	Обнаружена связь потоков заряженных частиц N в нижних слоях атмосферы средних широт (высоты от 0.3 км до 2.5 км) с изменениями глобальной температуры приземного воздуха ΔT: с увеличением N значения ΔT уменьшаются (см. рис. 8). Использованы среднегодовые значения ΔT и N. Коэффициент корреляции между ΔT и N составляет -0.81±0.07. Возможным механизмом, объясняющим глобальное потепление климата, является влияние потоков космических лучей в нижней атмосфере на площадь глобального облачного покрова. В ближайшие 2-3 года этот вывод будет проверен, т.к. ожидается повышение потока космических лучей N в нижней атмосфере и, следовательно, должно наблюдаться понижение глобальной температуры ΔТ приземного слоя воздуха. Исполнители: ФИАН.	Рис. 8. Изменения глобальной температуры приземного слоя атмосферы ΔT в зависимости от потока заряженных частиц N на высотах до 2.5 км (приведены среднегодовые значения).

Важнейшие результаты, полученные в 2016 г. СЕТЬЮ СКЛ:

–	Получены жесткости геомагнитного обрезания методом траекторных расчетов для Мировой сети нейтронных мониторов. Расчеты проведены для периода 1950-2020 года с годовым разрешением по модели IGRF. Результаты расчетов свидетельствуют об общем понижении жесткостей геомагнитного обрезания практически во всех пунктах, которое связано с общим понижением геомагнитного поля за рассматриваемый период.
–	Запущен в режим непрерывной регистрации новый комплекс детекторов космического излучения, состоящий из 4-х однотипных сцинтилляционных мюонных телескопов Якутского спектрографа космических лучей. Детекторы расположены на поверхности Земли и в штреках подземной шахты на уровнях 7, 20 и 40 мвэ, и регистрируют частицы из 13 направлений в диапазоне энергий от 2 до 300 ГэВ.
–	Получены новые данные о потоках космических лучей с помощью нейтронных мониторов и мюонных телескопов. Модуляция космических лучей в последнем (24-м) цикле оказалась самой слабой за время работы нейтронных мониторов.
–	В 24-м цикле снизились не только значения большинства солнечных индексов, но и уменьшилась модуляционная эффективность некоторых из них, например наклона гелиосферного токового слоя и спорадических солнечных факторов. Вместе с этим, модуляционная эффективность корональных дыр близка к прежней. В последнее десятилетие уменьшилось запаздывание вариаций космических лучей относительно солнечной активности. Это означает уменьшение эффективного размера модулирующей космические лучи гелиосферы.
–	На большом экспериментальном материале (с 1957 года) по часовым данным выявлены основные свойства анизотропии первичных галактических космических лучей с жесткостью 10 ГВ. Средняя величина экваториальной составляющей Axy векторной анизотропии космических лучей в спокойном солнечном внетре близка к медианной и к 0.53%. Выявлено, что не только направление вектора анизотропии космических лучей зависит от полярности солнечного диполя, зависит от него и величина вектора.
–	Показано, что в период GLE 6 января 2014 г. ускорение протонов произошло до жесткостей ~ 2.4 ГВ; дифференциальный жесткостной спектр космических лучей в этот период в диапазоне от 0.3 до 2.4 ГВ не описываются ни степенной, ни экспоненциальной функцией от жесткости частиц; распределение космических лучей по направлениям прихода к Земле динамично во времени.
–	Выполнена модернизация нейтронных мониторов (Баксан, Апатиты, Баренцбург) с целью расширения их возможностей как регистратора кратных нейтронов космических лучей.
–	Продолжалась непрерывная регистрация потоков вторичных космических лучей: электронно-мюонной компоненты с энергиями >5 МэВ и гамма-излучения с энергиями от 20 кэВ до 5 МэВ. Продолжен мониторинг вторичных компонент с помощью комплексной установки и регистрация возрастаний гамма-фона при осадках.
–	С целью повышения достоверности прогноза прихода крупномасштабных возмущений солнечного ветра на основе метода глобальной съемки, проведен ретроспективный анализ поведения зональных компонент изотропной части С₀₀ и первых двух сферических гармоник С₁₀ и С₂₀ функции распределения интенсивности космических лучей в периоды геомагнитных бурь (Dst < -50 нТ), наблюдавшихся в период 2011-2013 гг. и в 2015 г.
–	Продолжены непрерывный мониторинг нейтронной и мюонной компоненты космических лучей на станциях российского сегмента мировой сети нейтронных мониторов и телескопов: нейтронные мониторы – Апатиты, Баренцбург, Баксан, Москва, Мобильный нейтронный монитор, Мирный (Антарктида), мыс Шмидта, Магадан, Новосибирск, Норильск, Иркутск 1, Иркутск 2, Иркутск 3, Якутск, Тикси; мюонные телескопы – Якутск (уровни 0, 7, 20, 40 мвэ), Новосибирск, Москва. Обеспечена оперативная обработка минутных и часовых данных, с представлением в режиме реального времени в Интернет и передачи в базу данных NMDB. Продолжено стратосферное зондирование на трех станциях: Апатиты, Москва, Мирный (Антарктида).

Дополнительные работы в соответствии с требованиями заказчика, проводимые на УНУ-85 в 2016 году в рамках государственного задания по теме «Обеспечение проведения научных исследований с использованием объектов научной инфраструктуры в области ядерной физики и астрофизики» :

Стандартный режим работы СЕТИ СКЛ – непрерывный мониторинг нейтронной компоненты с часовым временным разрешением и вертикальное стратосферное зондирование заряженной компоненты. В зависимости от состояния солнечной активности и геомагнитной возмущенности в межпланетном пространстве, для выполнения поставленных научных задач организациями потребителями к проводимому непрерывному мониторингу проведены следующие дополнительные работы:
–	Сеть переводится в режим высокого временного разрешения (минутное или секундное). Вертикальное стратосферное зондирование заряженной компоненты переходит в максимально учащенный запуск радиозондов в случае солнечных экстремальных событий.
–	Для увеличения точности регистрации космических лучей в экстремальных случаях вводятся в состояние непрерывной регистрации все разрабатываемые детекторы, функционирующие в данный период в экспериментальном режиме. Это позволяет получить значения анизотропии космических лучей с точностью выше 0.1%, не достижимой на космических аппаратах.
–	Для расширения диапазона регистрируемых энергий космических лучей (до 100 ГэВ) включаются в непрерывную регистрацию все типы мюонных детекторов.
–	Исследуются модуляционные эффекты космических лучей в период низкой солнечной активности в интересах ФИАН.
–	Проводится работа в режиме высокого временного разрешения для изучения звездных вспышек и галактических космических лучей в интересах ИКИ.

Важнейшие результаты, полученные в период 2010-2015 гг. на СЕТИ СКЛ:

–	Получены пространственно-временные вариации плотности естественного космического излучения с энергией 1-20 ГэВ в околоземном пространстве на основе непрерывного наземного мониторинга космических лучей российской сетью нейтронных мониторов в 23-24 циклах солнечной активности.
–	Разработана и создана база данных NMDB (Neutron Monitor Data Base), которая объединяет доступные данные нейтронных детекторов Мировой сети станций.
–	Разработана и создана база данных MDDB (Muon Detector Data Base), которая объединяет доступные данные мюонных детекторов Мировой сети станций с включением детальной информации о метеопараметрах атмосферы.
–	Получены и исследованы вариации плотности и вектора анизотропии космических лучей с часовым разрешением для всего периода работы мировой сети нейтронных мониторов (1957-2015 годы).
–	Дано теоретическое описание интенсивности космических лучей в зависимости от гелиографической широты. Теоретические кривые хорошо описывают наблюдаемые зависимости для протонов и ядер гелия, полученные при пролете космического аппарата "Ulysses" в 1995 г. над полюсами Солнца.
–	Определен жесткостной спектр долгопериодных вариаций плотности космических лучей в нестепенном виде для 1954-2015 гг. по всей имеющейся информации о результатах мониторинга КЛ мировой сетью нейтронных мониторов, многонаправленным мезонным телескопом и измерений космических лучей в стратосфере.
–	В создаваемом в ИЗМИРАНе каталоге Форбуш-эффектов и межпланетных возмущений собрано более 6 тысяч событий за 5 циклов солнечной активности.
–	В 2009 году зарегистрированы самые высокие потоки галактических космических лучей за всю историю их наблюдений. Повышение интенсивности галактических КЛ связано с чрезвычайно низким уровнем солнечной активности.
–	На нейтронных мониторах 20 января 2005 г. было зарегистрировано самое большое в истории наблюдений наземное возрастание, вызванное релятивистскими солнечными КЛ, величина возрастания по отношению к фоновому уровню составила несколько тысяч процентов на южных полярных станциях. Анализ этого крупнейшего события в КЛ позволил из данных мировой сети нейтронных мониторов получить параметры потоков и спектров солнечных протонов, определить изменения спектра и анизотропии космических лучей.
–	На основе анализа данных нейтронных мониторов в периоды с разной полярностью общего магнитного поля Солнца получено, что только при отрицательной полярности проявляется годовая модуляция северо-южной анизотропии космических лучей. Установленное поведение анизотропии качественно согласуется с дрейфовым механизмом модуляции галактических космических лучей.
–	Обнаружена аномальная годовая вариация космических лучей в период 2010-2013 гг. с амплитудой вариаций в 2-3 раза больше, чем наибольшая амплитуда обычной годовой вариации и смещением фазы вариации на 90°.

За время работы СЕТЬЮ СКЛ было сделано следующее:

–	Создана теория метеорологических эффектов космических лучей и методика учета метеорологических эффектов нейтронной и мюонной компоненты.
–	Открыты два типа солнечных плазменных потоков по данным вариаций космических лучей, которые были определены как солнечный ветер и как корональный выброс массы.
–	Разработан метод функций связи вариаций космических лучей, позволяющий оценить ожидаемые вариации, обусловленные первичными вариациями за пределами магнитосферы.
–	До космической эры по данным вариаций космических лучей выполнена оценка напряженности межпланетного магнитного поля в 20 нТл (Дорман, 1957) около Земли. Современные данные дают диапазон значений от 0.7 нТл до 50 нТл в зависимости от уровня солнечной активности.
–	Экспериментально определен энергетический спектр суточной анизотропии космических лучей в межпланетном пространстве, основанный на обширном наблюдательном материале на наземных и подземных мюонных детекторах.
–	Дано физическое объяснение суточных вариаций интенсивности космических лучей. Этот природный феномен (средняя по времени анизотропия направлена перпендикулярно линии Земля-Солнце) теоретически обосновал Крымский Г.Ф. в 1964 г.
–	Получено уравнение переноса космических лучей в космической среде – фундамент для теоретического описания динамики космических лучей (Крымский Г.Ф., 1964 г.). На основе уравнения переноса удалось понять суть множества происходящих в космосе явлений.
–	Разработан метод глобальной съёмки вариаций галактических космических лучей, позволяющий наиболее полно использовать возможности сети станций космических лучей. Благодаря методу глобальной съёмки мировая сеть наземных установок выступает в качестве единого многонаправленного прибора. Этот метод и его модификации позволяют дистанционно в режиме реального времени получать информацию о состоянии межпланетной среды.
–	Выполнена оценка размера гелиосферы в 100 а.е. (Дорман Л.И. в 1966 г. оценил размер гелиосферы при исследовании явления гистерезиса, связанного с интенсивностью космических лучей и солнечной активностью.). Экспериментально этот результат был подтвержден четыре десятилетия спустя в результате прямых измерений АМС "Вояджер-1".
–	Создана теория магнитосферных эффектов космических лучей.
–	Открыт процесс ускорения космических лучей ударными волнами как результат регулярного ускорения заряженных частиц, приводящего в условиях космической плазмы к формированию вблизи фронтов ударных волн популяции высокоэнергичных частиц (в работе Крымского Г.Ф. в 1977 г.). Такие природные ускорители – целое направление в мировой науке. На основе теории регулярного ускорения удалось понять природу ряда явлений, происходящих в солнечной системе, таких как: образование аномальной компоненты космических лучей, генерация популяции высокоэнергичных заряженных частиц на фронтах межпланетных ударных волн.
–	Разработана математическая модель отклика нейтронного монитора для исследования энергетических и пространственных характеристик солнечных космических лучей. Это фактически вариант глобального спектрографического метода в случае частиц солнечного излучения [Вашенюк и др., 1986].
–	Зарегистрированы десятки наземных возрастаний КЛ, связанных с приходом на Землю солнечных космических лучей.
–	В 19-23 циклах солнечной активности зарегистрировано более 100 событий вторжений в земную атмосферу солнечных протонов с энергией выше 100 МэВ (250 суток повышенной радиации в полярных широтах на высотах более 15-20 км, измерения более 850 радиозондов). Это основной источник о потоках и энергетических спектрах солнечных протонов с энергией выше 100 МэВ до начала мониторинга на геостационарных спутниках GOES (1974 г.) и основной источник информации о солнечных протонах в интервале 100–1000 МэВ до запуска на орбиту спектрометра ПАМЕЛА (2006 г.). Результаты наблюдений солнечных протонов в атмосфере включены в Каталоги солнечных протонных событий (издания 1982, 1986, 1989, 1990, 1998 гг. и электронное издание 2015 г. http://www.kosmofizika.ru/katalog/katalog.htm.
–	С 1961 по настоящее время зарегистрировано более 550 случаев вторжений в атмосферу полярных широт рентгеновского излучения, генерированного магнитосферными электронами с энергией выше сотен кэВ. Эти электроны представляют опасность для аппаратуры спутников ("электроны-киллеры"), вызывают нарушения распространения волн в ионосфере, и через ион-молекулярные реакции приводят к изменениям содержания озона в атмосфере. Создан и опубликован уникальный каталог зарегистрированных случаев высыпаний магнитосферных электронов.