Исследование влияния атмосферного давления и

Исследование влияния атмосферного давления и температуры…
Н.В. ТОЛКАЧЕВА, А.Г. БОГДАНОВ, А.Н. ДМИТРИЕВА, Р.П. КОКОУЛИН, В.В. ШУТЕНКО
Национальный исследоват ельский ядерный университет «МИФИ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ
НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ГРУПП МЮОНОВ
Анализируются данные эксперимента по исследованию групп мюонов космических лучей на установке ДЕКОР
за период 2004–2007 гг., в ходе которого обнаружены существенные изменения интенсивности событий. Найдено, что
эти вариации вызваны изменением атмосферных условий. Впервые получены экспериментальные оценки барометрического и температурного коэффициентов для групп мюонов. Показано, что наблюдаемый эффект объясняется изменением функции пространственного распределения мюонов ШАЛ.
В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям влияния атмосферных
условий (в первую очередь, давления и температуры) на интенсивность вторичных компонент
космических лучей. Такие исследования позволяют выделять и корректно интерпретировать возмущения, вызванные внеатмосферными причинами, а также количественно сопоставлять результаты экспериментов, выполненных в различных географических точках, в разные периоды времени. С другой стороны, правильное понимание атмосферных эффектов позволяет решать и обратную задачу: по изменению интенсивности получать дополнительную информацию о состоянии
атмосферы.
Группы мюонов [1] занимают особое место в мюонных экспериментах. Характеристики мюонов в группах существенно отличаются от одиночных мюонов. Несмотря на то, что исследования
групп мюонов для различных условий их регистрации и отбора проводятся более пятидесяти лет,
влияние метеоэффектов на их интенсивность ранее не оценивалось. Группами мюонов обычно
называют события, вызванные одновременным (в пределах единиц – десятков наносекунд) прохождением через детектор генетически связанных проникающих частиц (мюонов). Основным механизмом генерации мюонных групп являются распады пионов и каонов, рождающихся при развитии ядерно-каскадного процесса в атмосфере (широкие атмосферные ливни). Наблюдаемые треки мюонов в группах практически параллельны; на этом основана методика их отбора в детекторе
ДЕКОР [2], который представляет собой многослойную систему стримерных трубок, размещенную вокруг черенковского водного калориметра НЕВОД (НИЯУ МИФИ). Боковая часть координатного детектора расположена в галереях вокруг бассейна и включает 8 супермодулей, каждый
из которых имеет площадь 8.4 м2 и позволяет регистрировать частицы в широком диапазоне зенитных углов (от 30° до 90°) с угловой точностью лучше 1°.
В течение длительных серий измерений по изучению групп мюонов на установке ДЕКОР
было замечено значительное изменение частоты регистрируемых событий во времени, в частности, сезонные вариации интенсивности групп мюонов: в летний период интенсивность групп значительно (на 10–15%) ниже, чем в зимний. В качестве иллюстрации отмеченных вариаций на рис.
1 приведены графики изменения темпа счета групп, среднесуточных значений давления и приземной температуры в течение одной из серий измерений (2004–2005 гг.). Из графиков видно, что
наблюдается корреляция темпа счета групп с давлением и приземной температурой. Поскольку
регистрируемые события соответствуют высоким энергиям первичных частиц ( 1015 эВ), поток
которых практически постоянен, наблюдаемый эффект может быть связан с изменениями состояния атмосферы (температуры и давления).
Для количественного описания влияния температуры и давления на интенсивность событий
обычно используются температурный и барометрический коэффициенты, соответственно. Для
нахождения этих коэффициентов анализировались результаты измерений ДЕКОР за период 2004–
2007 гг. (322 набора данных суммарной продолжительностью 9507 часов). При обработке использовались данные датчика давления комплекса НЕВОД и значения приземной температуры по данным метеостанции «Москва» [3].
Для оценки барометрического или температурного коэффициентов обычно используется
линейная регрессия [4]. Но поскольку атмосферное давление и приземная температура коррелируют между собой (особенно для не очень продолжительных интервалов времени), для более корректной оценки нами использовалась двойная линейная регрессия с одновременной оценкой обоих коэффициентов. Тогда зависимость частоты регистрации групп от давления P и температуры t
аппроксимируется функцией
f ( P, t )  a  b ( P  P0 )  c (t  t0 ) ,
(1)
Исследование влияния атмосферного давления и температуры…
и значения барометрического и температурного коэффициентов вычисляются по следующим
формулам:
β P  b / f ( P0 , t0 ) 100 % [%/мбар];
βt  c / f ( P0 , t0 ) 100 % [%/°C],
(2)
где в качестве нормировочных значений выбраны P0  1000 мбар, t0  0°C , как близкие к средним
за период наблюдений.
50
Nсоб / час
а)
45
40
35
05.12.2004
16.01.2005
27.02.2005
10.04.2005
дата
22.05.2005
б)
P, мбар
1020
1000
980
960
05.12.2004
16.01.2005
27.02.2005
10.04.2005
дата
22.05.2005
30
в)
10
o
t, C
20
0
-10
-20
05.12.2004
16.01.2005
27.02.2005
дата
10.04.2005
22.05.2005
Рис. 1. Изменение темпа счета групп (а), давления (б) и приземной температуры (в)
в течение одной из серий эксперимента
Методом наименьших квадратов были получены оценки барометрического и температурного коэффициентов и их погрешности: β P   (0.314  0.020) %/мбар и βt   (0.445  0.021) %/С.
Остаточный среднеквадратичный разброс частоты групп, обусловленный приближенностью модели (1) и возможной нестабильностью аппаратуры, составил менее 2%.
На рис. 2 и 3 приведены зависимости частоты групп от приземной температуры (рис. 2) и
давления (рис. 3); коэффициенты корреляции R составляют – 0.64 и – 0.47, соответственно. С помощью полученных барометрического и температурного коэффициентов были построены зависимости темпа счета групп мюонов, корректированного на барометрическую поправку, от температуры (рис. 4) и корректированного на температурную поправку от давления (рис. 5). При такой
корректировке коэффициенты корреляции возрастают по абсолютной величине, и для этих зависимостей они составили – 0.78 и – 0.69. Таким образом, после коррекции по одному из параметров
коэффициент корреляции значительно увеличивается, что подтверждает необходимость одновременной оценки барометрического и температурного коэффициентов.
Исследование влияния атмосферного давления и температуры…
48
R = - 0.47
R = - 0.64
Nсоб / час
Nсоб / час
48
44
40
44
40
36
36
-20
-10
0
10
20
960
30
980
o
t, C
1000
P, мбар
Рис. 3. Корреляция частоты групп
и давления
Рис. 2. Корреляция частоты групп
и приземной температуры
48
48
R = - 0.69
Nсоб / час
R = - 0.78
Nсоб / час
1020
44
40
44
40
36
36
-20
-10
0
o
10
20
30
t, C
Рис. 4. Корреляция корректированной
на барометрическую поправку частоты групп
и приземной температуры
960
980
1000
P, мбар
1020
Рис. 5. Корреляция корректированной
на температурную поправку частоты групп
и давления
Наличие
метеоэффектов в потоке одиночных мюонов на поверхности Земли
(β P   0.2 % / мбар и βt   0.2 % / С ) хорошо известно [4]. С увеличением энергии мюонов абсолютная величина этих коэффициентов уменьшается, а температурный коэффициент меняет
знак. Поскольку характерные энергии мюонов в широких атмосферных ливнях (и, в частности, в
группах) в несколько раз выше, чем для одиночных частиц [5], интерпретация полученных значений барометрического и температурного коэффициентов для интенсивности групп мюонов в рамках обычных механизмов (изменение вероятности поглощения и распада малоэнергичных частиц
в атмосфере) невозможна. Естественным объяснением наблюдаемых эффектов может быть изменение функции пространственного распределения (ФПР) мюонов при изменении высотного распределения плотности воздуха. При нагреве атмосферы растет геометрическая высота генерации
мюонов; увеличивается разлет частиц на уровне регистрации и, соответственно, падает плотность
мюонов в центральной области ливня (рис. 6). Это может приводить к уменьшению интенсивности групп. Действительно, если воспользоваться связью ожидаемой интенсивности групп с ФПР
мюонов в широких атмосферных ливнях [1] и простыми геометрическими соображениями, в приближении изотермической атмосферы можно получить следующее соотношение для зависимости
интенсивности групп от абсолютной температуры T:
f (T ) ~ (T0 / T )  ,
(3)
где   1.6  1.8 , что приводит к оценке βt   0.6 % / C .
В действительности, изменение параметров атмосферы приводит не только к изменению характерного радиуса разлета частиц, но и к изменению вероятности распада мезонов и мюонов. Для
более корректной оценки ожидаемых эффектов было проведено моделирование по методу МонтеКарло с учетом всех существенных процессов, используя программу CORSIKA (версия 6.900, май
2008 г.) [6].
Для оценки барометрического и температурного коэффициентов проводилось моделирование мюонной компоненты ШАЛ для ряда вариантов высотного распределения плотности воздуха,
основанных на стандартной модели атмосферы СССР 1981 г. [7]. Поскольку для фиксированного
температурного профиля барометрический эффект определяется одним параметром – изменением
давления на уровне регистрации, для расчета барометрического коэффициента были выбраны мо-
Исследование влияния атмосферного давления и температуры…
дели атмосферы с измененным давлением на поверхности (увеличенным на 20 мбар и уменьшенным на 40 мбар). Температурный эффект зависит от изменения температуры по всей высоте атмосферы. В качестве простейшего варианта мы использовали температурный профиль, отличающийся от стандартной атмосферы на постоянную величину на всех высотах (на +10 C и –20 C).
Оценки коэффициентов, полученные с использованием рассмотренных моделей, составляют
β P   ( 0. 239  0.013) %/мбар и βt   (0.557  0.029) %/ C , что удовлетворительно согласуется с
полученными экспериментальными результатами.
h
a)
б)
ρμ
T0
Δh
h0
T1 > T0
r
r0
r
Рис. 6. Иллюстрация увеличения радиуса r разлета мюонов (а) и соответствующего изменения
ФПР мюонов (б) при нагревании атмосферы
Фактически температурный профиль атмосферы во времени меняется более сложным образом, и изменения температуры на разных высотах различны: сезонные изменения приземной температуры в средних широтах значительно больше, чем температуры тропопаузы (на высоте ~ 11
км). Поэтому для более реалистичной оценки ожидаемого температурного эффекта использовались справочные атмосферы, определенные стандартом [8], где имеется температурный профиль
для «зимней» (декабрь-январь) и «летней» (июнь-июль) атмосфер. Оценка температурного коэффициента с использованием этой модели дает βt   (0.477  0.034) % / C и в пределах погрешностей совпадает с экспериментальной.
Сопоставление экспериментальных и расчетных оценок показывает, что влияние атмосферных условий на интенсивность групп мюонов в основном объясняется изменением ФПР мюонов
при изменении высотного распределения плотности воздуха.
Поскольку основная часть мюонов ( 60 %), регистрируемых в составе групп, образуется на
высотах от 3 до 11 км [5], обнаруженный эффект может быть использован для непрерывного мониторирования изменений температуры воздуха в верхней тропосфере (естественно, при условии
увеличения статистической точности).
Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД НИЯУ МИФИ при поддержке
Рособразования и Роснауки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яшин И.И., Барбашина Н.С., Богданов А.Г. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71. № 4. С.
573.
2. Барбашина Н.С., Езубченко А.А., Кокоулин Р.П. и др. // ПТЭ. 2000. № 6. С. 20.
3. Сервер «Погода России» [Электронный ресурс] : Архив погодных условий / поддерживается ИКИ РАН. – Режим доступа: http://meteo.infospace.ru/.
4. Дорман Л. И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975.
5. Толкачева Н.В., Богданов А.Г., Кокоулин Р.П. и др. // Научная сессия МИФИ-2009. Сборник
научных трудов. Т.4: Фундаментальные проблемы науки. М., 2009. С. 101.
6. Heck D., Knapp J., Capdevielle J.N. et al. // Forschungszentrum Karlsruhe Report FZKA 6019.
Karlsruhe, 1998.
7. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. 1981.
8. ГОСТ 24631-81. Атмосферы справочные. Параметры. 1981.