ИЗМИРАН ФИАН ПГИ РАН ИСЗФ СО РАН

БНО ИЯИ РАН ИКФИА СО РАНИНГГ СО РАН ИКИР ДВО РАН

"Космические лучи в гелиосферных процессах по стратосферным и

наземным наблюдениям"

Отчет за 2009 г. Программа «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика»

Подпрограмма "Физика космических лучей" 23 декабря 2009 г.

Целью проекта является получение новых знаний о физических процессах, ответственных за модуляционные эффекты в космических лучах (КЛ), влияние спорадических и рекуррентных явлений на Солнце и в межпланетной среде на динамику потоков высокоэнергичных частиц на орбите Земли.

Период выполнения проекта – 2009-2011 гг.

Одной из главных задач проекта в его экспериментальной части является накопление многолетних однородных рядов наблюдений потоков КЛ, изучение связей их временных изменеий с явлениями на Солнце, в гелиосфере и в околоземном пространстве и атмосфере Земли.

Участники проекта: ИЗМИРАН, ИКФИА СО РАН, ФИАН, ИСЗФ СО РАН, БНО ИЯИ РАН, ПГИ КНЦ РАН, ИКИР ДВО РАН, ИНГГ СО РАН.

Мировая сеть станций космических лучей

Долговременные наземные наблюдения на российской сети станций КЛ

• В 2009 г. проведены регулярные измерения нейтронной компоненты космических лучей на нейтронных мониторах станций Апатиты, Москва, Магадан, мыс Шмидта, Баксан, Якутск, Тикси, Иркутск (3 уровня), Норильск, Новосибирск.

• В северных полярных районах (Мурманская область), в Мирном (Антарктида) и в средних широтах (Московская область) проведено более 600 запусков радиозондов, в которых измерены потоки заряженных частиц в атмосфере Земли от ее поверхности до ~ 35 км.

• Данные измерений интенсивности КЛ за 2009 г. доступны в сети Интернет.

1957-2009

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

1955 1965 1975 1985 1995 2005

Год

Nm

ax, с

м-2

с-1

Rc = 2.4 ГВ

Rc = 0.04 и 0.5 ГВ

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1963 1968 1973 1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008

Год

В, н

Т

http://omniweb.gfsc.nasa.gov/

0

10

20

30

40

2006 2007 2008 2009 2010 2011

Year

Rz

23 - 24 solar cycles

0

10

20

30

40

1910 1911 1912 1913 1914 1915

Rz

14 - 15 solar cycle

0

50

100

150

200

1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025

Год

Rz

3

На основе измерений ионизационной камеры АСК-1 установлено, что направление вектора анизотропии космических лучей с энергией E~60 ГэВ испытывает квазипериодические изменения с периодом 22 года (см. Рис.2). Показано, что основной физической причиной такого поведения анизотропии является изменение направления дрейфа космических лучей на противоположное в цикле солнечной активности, обусловленное сменой полярности общего магнитного поля Солнца. (ИКФИА СО РАН)

Угол между вектором анизотропии космических лучей и направлением Солнце-Земля в зависимости от времени (Крымский и др., 2009, Письма в Астроном. ж.). Приведены результаты измерений ионизационной камеры АСК-1 (Якутск); красные точки соответствуют периодам времени с положительной полярностью общего магнитного поля Солнца, синие – отрицательной

Мониторинг геофизических параметров с помощью космических лучей за период 2004 – 2009 гг. на станции Новосибирск. Показаны: вариации интенсивности нейтронов и общей ионизующей компоненты в атмосфере (а); атмосферного давления, измеренного на уровне Земли (b); наблюденной по аэрологическим данным (красная линия) и найденной по космическим лучам Tсм (синяя линия) среднемассовой температуры атмосферы (с); изменения жесткости геомагнитного обрезания (красная линия) и Dst – индекса геомагнитной активности (серая линия) (d) в зависимости от времени

Показано, что многоканальные наблюдательные комплексы космических лучей, обеспечивают получение информации о вариациях потока первичного излучения в широкой области энергий и дают возможность проводить мониторинг изменения жесткости геомагнитного обрезания, среднемассовой температуры атмосферы и атмосферного давления Р в реальном времени (Рис. 3.) (ИНГГ СО РАН).

На основе разработанной квазилинейной теории процесса ускорения заряженных частиц ударными волнами детально исследована динамика потоков надтепловых частиц и альвеновской турбулентности вблизи фронта межпланетной ударной волны. Показано, что теория хорошо воспроизводит наблюдаемые в эксперименте на ударном фронте спектры ускоренных протонов. В то же время порождаемый частицами рассчитанный самосогласованно спектр альвеновских волн существенно превышает измеренный. Объяснение этого расхождеия на данный момент не найдено (ИКФИА СО РАН).

Расчет спектров интенсивности протонов как функции их кинетической энергии на расстояниях d = 0.85*10-4 а.е. от фронта ударной волны. Приведены также результаты измерений спектров протонов для периодов времени 00:00 - 00:10 UT и 01:30 - 01:40 UT , выполненные 5 апреля 1979 г. на космическом аппарате ISEE 3.

Завершено создание Якутского спектрографа КЛ, которому присвоено имя А.И. Кузьмина. Спектрограф состоит из нейтронного монитора 24-NM-64, 4-х мюонных телескопов, расположенных на уровнях 0, 7, 20 и 40 м в.э., и ионизационной камеры АСК-1. (ИКФИА СО РАН)

Развитие метода глобальной съёмки в реальном времени, включающего предварительную фильтрацию данных и

блок автоматического выбора базовых периодов.

• Продолжена разработка системы сбора данных Мировой сети нейтронных мониторов, работающих в реальном времени (около 20 детекторов). По этим данным методом глобальной съемки в реальном времени определяются основные характеристики поведения космических лучей: плотность и вектор анизотропии комических лучей. Создан Интернет проект http://cr0.izmiran.ru/CosmicRayAnisotropy/index.htm, в котором представлены данные расчета анизотропии в реальном времени и база данных, в которой представлены результаты наблюдений нейтронной компоненты за весь период, начиная с 1958 года.

• http://cr20.izmiran.rssi.ru/AnisotropyCR/Index.php• (ИЗМИРАН)

Аппаратное и программное сопровождение Европейской базы данных NMDB нейтронных мониторов высокого

временного разрешения. Российский сегмент.

Разработаны программные средства для обновления базы данных и для чтения данных базы NMDB. Разработанные средства внедрены на 8 российских станциях. (ИЗМИРАН)

Поиск предвестников магнитных бурь по данным мировой сети мюонных телескопов и нейтронных

мониторов.Показано, что перед приходом межпланетных возмущения и началом магнитных бурь меняется угловое распределение галактических КЛ и это проявляется в поведении первой гармоники анизотропии КЛ. (ИЗМИРАН)

Пример изменения углового распределения интенсивности КЛ в Форбуш-понижении ( август 2001 г.)

Исследовано усреднённое поведение плотности и вектора анизотропии космических лучей во время прохождения всех

межпланетных ударных волн в 1957-2006 гг.

Поведение плотности и экваториальной составляющей первой гармоники анизотропии КЛ в периоды SSC,

усреднённые методом наложения эпох.

Показано, что средняя анизотропия непосредственно перед SSC существенно увеличивается и её увеличение тем больше, чем больше последующее Форбуш-понижение. На усреднённых величинах анизотропии и плотности КЛ приближение ударной волны начинает сказываться приблизительно за 5 часов до её прихода. Изменения направления анизотропии (особенно для западных источников Форбуш-эффекта) можно видеть значительно раньше. (ИЗМИРАН)

PAMELA spectrometer

Anticoincidence detectors

Time of flight system (TOF)

Magnetic spectrometer

B = 0.48 T 6 planes of Si

((2 layers at each plane) Thickness of each strip is 300 m Resolution is ~ 3m MDR ~ 1400 GV/c

Scintillator С4

Neutron detector (ND)

36 3He counters with polyethilene moderator

Geometrical factor: 21.5 cm2 sr Weight: 470 kgSizes: 130x70x70 cm3

Power: 360 Watts

Imaging calorimeter:

44 planes of Si с 22 layers of W between them

16.3 X0 / 0.6 L0

Antiproton to proton ratioAntiproton to proton ratioPRL 102, 051101 (2009)PRL 102, 051101 (2009)

AntiprotonAntiproton toto protonproton ratioratio

preliminary

Positron to all electron ratioPositron to all electron ratioNature 458, 697, 2009Nature 458, 697, 2009

Secondary productionMoskalenko & Strong 98

0

50

100

150

200

250

300

350

100 300 500 700 900 1100 1300 1500

E, GeV

J(E

)*E

3 , m-2

s-1

sr-1

Ge

V-1

CALO Nmax + Qt ATIC

entries 280entries 191

Electron spectrum

0

50

100

150

200

250

100 300 500 700 900 1100

E, GeV

E3 J

(E),

Ge

V2 m

-2s

-1s

r-1

Diffusion model

Fermi

Pamela

Основные результаты работы по Проекту в 2009 году

1. В течение 2009г. проведены регулярные измерения нейтронной компоненты космических лучей (КЛ) на нейтронных мониторах станций: Апатиты, Москва, Магадан, мыс Шмидта, Баксан, Якутск, Тикси, Иркутск (3 уровня), Норильск, Новосибирск. Данные измерений интенсивности КЛ за 2009г. доступны в сети Интернет по адресам: http://cr0.izmiran.rssi.ru/common/links.htm, http://ysn.ru/ipm http://cgm.iszf.irk.ru/irkt/main.htm, http://www.gs.nsc.ru/russian/cosmrays/eng/index.php, http://pgia.ru:81/CosmicRay/.

2. Зарегистрирован самый высокий поток космических лучей за всю историю их наблюдений. 3. На основе измерений ионизационной камеры АСК-1 установлено, что направление вектора анизотропии КЛ с энергией E~60 ГэВ испытывает квазипериодические изменения с периодом 22 года. Показано, что основной физической причиной такого поведения анизотропии является изменение направления дрейфа КЛ на противоположное в цикле солнечной активности, обусловленное сменой полярности общего магнитного поля Солнца. (ИКФИА СО РАН).

4. На основе разработанной квазилинейной теории процесса ускорения заряженных частиц ударными волнами детально исследована динамика потоков надтепловых частиц и альвеновской турбулентности вблизи фронта межпланетной ударной волны. Показано, что теория хорошо воспроизводит наблюдаемые в эксперименте на ударном фронте спектры ускоренных протонов. В то же время порождаемый частицами рассчитанный самосогласованно спектр альвеновских волн существенно превышает измеренный. Объяснение этого расхождеия на данный момент не найдено (ИКФИА СО РАН).

5. Показано, что многоканальные наблюдательные комплексы КЛ, обеспечивают получение информации о вариациях потока первичного излучения в широкой области энергий и дают возможность проводить мониторинг изменения жесткости геомагнитного обрезания, среднемассовой температуры атмосферы и атмосферного давления Р в реальном времени. (ИНГГ СО РАН).

6. С января 2009г на базе спутниковой системы Iridium организована передача в реальном времени минутных данных нейтронного монитора станции Мирный в ИЗМИРАН.

7. На основе кинетического подхода выполнено исследование динамики космических лучей с энергиями 2-300 ГэВ вблизи фронтов межпланетных ударных волн. Показано, что теория хорошо воспроизводит вариации интенсивности космических лучей, регистрируемые наземными установками в период до прихода возмущения к Земле. Тем самым продемонстрирована принципиальная возможность прогнозирования сильных геомагнитных бурь на основе измерений интенсивности космических лучей с заблаговременностью до 2-х суток (ИКФИА).

8. Завершено создание Якутского спектрографа космических лучей, которому присвоено имя А.И. Кузьмина. Спектрограф состоит из нейтронного монитора 24-NM-64, 4-х мюонных телескопов, расположенных на уровнях 0, 7, 20 и 40 м в.э., и ионизационной камеры АСК-1 (ИКФИА СО РАН).

9. Продолжается эксперимент ПАМЕЛА. Получены новые данные об отношении потоков антипротонов к протонам и потока позитронов к сумме потоков электронов и позитронов. Получены предварительные данные о спектре электронов высоких энергий (ФИАН).

Публикации 2009 г.:

• В реферируемых журналах (включая работы, принятые к печати) - 17

• доклады на конференциях и школах - 40