Космические лучи как метеорологи: новые данные о верхней атмосфере

Автор: Денис Аветисян

Длительное наблюдение за потоком мюонов позволило ученым установить связь между космическими лучами, температурой верхней атмосферы и магнитным полем межпланетного пространства.

На протяжении двадцати двух лет наблюдений (2001-2022) космическими аппаратами ACE и WIND в точке Лагранжа L1, зафиксированы временные вариации скорости мюонов, эффективной температуры <span class="katex-eq" data-katex-display="false">T_{eff}</span> (при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\lambda \lambda = 120</span> г/см²) и величины интерпланетарного магнитного поля <span class="katex-eq" data-katex-display="false">B_{scalar} = \sqrt{B_{x}^{2} + B_{y}^{2} + B_{z}^{2}}</span>, при этом усреднение данных за три часа и последующее сглаживание 60-дневным скользящим средним позволило выявить долгосрочные тенденции в космической среде. — На протяжении двадцати двух лет наблюдений (2001-2022) космическими аппаратами ACE и WIND в точке Лагранжа L1, зафиксированы временные вариации скорости мюонов, эффективной температуры $T_{eff}$ (при $\lambda \lambda = 120$ г/см²) и величины интерпланетарного магнитного поля $B_{scalar} = \sqrt{B_{x}^{2} + B_{y}^{2} + B_{z}^{2}}$ , при этом усреднение данных за три часа и последующее сглаживание 60-дневным скользящим средним позволило выявить долгосрочные тенденции в космической среде.

Двадцатидвухлетнее исследование данных телескопа GRAPES-3 позволило уточнить коэффициенты, связывающие поток атмосферных мюонов с температурой верхней атмосферы и межпланетным магнитным полем.

Несмотря на значительный прогресс в изучении космических лучей, взаимосвязь между модуляцией галактических космических лучей, температурой верхних слоев атмосферы и межпланетным магнитным полем остается сложной задачей. В настоящей работе, посвященной ‘Monitoring the upper atmospheric temperature and interplanetary magnetic field with the GRAPES-3 muon telescope’, представлен анализ 22-летнего массива данных о потоке атмосферных мюонов, полученных телескопом GRAPES-3, демонстрирующий корреляцию между потоком мюонов, температурой верхних слоев атмосферы и межпланетным магнитным полем. Полученные результаты позволили уточнить коэффициенты, описывающие влияние температуры и магнитного поля, улучшив моделирование этих взаимосвязей. Каким образом дальнейшее изучение этих корреляций поможет в прогнозировании космической погоды и ее влияния на околоземное пространство?

Космические посланники: От мюонов к тайнам Вселенной

Постоянный поток высокоэнергетических космических лучей непрерывно омывает Землю, являясь источником сложнейших атмосферных явлений. Эти частицы, рожденные в далёких галактических процессах или взрывах сверхновых, сталкиваются с атомами верхних слоёв атмосферы, инициируя каскад вторичных частиц — так называемые атмосферные ливни. В результате каждой первичной частицы рождаются миллионы новых, включая мюоны, которые способны достигать поверхности Земли. Интенсивность и характеристики этих ливней напрямую связаны с энергией и составом первичных космических лучей, что делает изучение этих процессов ключом к пониманию самых мощных явлений во Вселенной и оценке потенциальных рисков, связанных с космическим излучением.

Атмосферные мюоны — это частицы, возникающие в результате взаимодействия космических лучей высокой энергии с молекулами воздуха в верхних слоях атмосферы. Этот процесс инициирует каскад вторичных частиц, в котором мюоны являются наиболее распространенными, способными достигать поверхности Земли. Обладая уникальными характеристиками, такими как энергия и направление движения, мюоны служат своеобразными посланниками из глубин космоса, неся информацию об источниках космических лучей и процессах, происходящих за пределами Солнечной системы. Изучение этих частиц позволяет ученым реконструировать траектории их движения и, таким образом, получить представление о происхождении и характеристиках первичных космических лучей, а также исследовать астрофизические объекты, являющиеся их источниками.

Точное измерение атмосферных мюонов имеет первостепенное значение для современной астрофизики высоких энергий и оценки потенциальных радиационных угроз. Эти частицы, рожденные в результате взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли, несут информацию о процессах, происходящих в самых отдаленных уголках Вселенной, и позволяют исследовать источники космических лучей, природу темной материи и даже проверять фундаментальные физические теории. Кроме того, анализ потока и энергии мюонов на поверхности Земли необходим для оценки радиационного фона, особенно в авиации и космических полетах, а также для разработки эффективных средств защиты от ионизирующего излучения. Изучение мюонов предоставляет уникальную возможность заглянуть за пределы прямого наблюдения и расширить наше понимание Вселенной и связанных с ней рисков.

Анализ изменения скорости мюонов за 22 года (2001-2022) показал, что коррекция на влияние атмосферной температуры с использованием коэффициента <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\alpha_T = -0.1817\,\% \text{K}^{-1}</span> (при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\lambda = 120 \, \text{g cm}^{-2}</span>) позволяет получить более точные данные, подтверждаемые дополнительной коррекцией с <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\alpha_T = -0.2241\,\% \text{K}^{-1}</span> (сдвинутой на 100 с⁻¹ для наглядности). — Анализ изменения скорости мюонов за 22 года (2001-2022) показал, что коррекция на влияние атмосферной температуры с использованием коэффициента $\alpha_T = -0.1817\,\% \text{K}^{-1}$ (при $\lambda = 120 \, \text{g cm}^{-2}$ ) позволяет получить более точные данные, подтверждаемые дополнительной коррекцией с $\alpha_T = -0.2241\,\% \text{K}^{-1}$ (сдвинутой на 100 с⁻¹ для наглядности).

Влияние космической погоды: Модуляции и изменения

Межпланетное магнитное поле (ММП) оказывает модулирующее влияние на поток галактических космических лучей (ГКЛ), достигающих атмосферы Земли. Интенсивность ГКЛ обратно пропорциональна силе ММП; более сильное ММП отклоняет больше ГКЛ, снижая их поток. В результате взаимодействия ГКЛ с атмосферой образуются мюоны — нестабильные элементарные частицы, регистрируемые наземными детекторами. Таким образом, изменения в ММП непосредственно влияют на интенсивность потока мюонов, наблюдаемого на поверхности Земли, поскольку снижение потока ГКЛ приводит к уменьшению производства мюонов в атмосфере. Корреляция между параметрами ММП и интенсивностью мюонов является ключевым фактором при интерпретации данных о космических лучах и используется для калибровки и верификации детекторов.

Изменения температуры атмосферы напрямую влияют на ее плотность, что, в свою очередь, сказывается на интенсивности мюонов, регистрируемых на уровне земли. Увеличение температуры приводит к расширению атмосферы и уменьшению плотности, что повышает вероятность рассеяния мюонов до того, как они достигнут детектора, снижая наблюдаемую интенсивность. И наоборот, понижение температуры увеличивает плотность атмосферы, уменьшая вероятность рассеяния и повышая зарегистрированный поток мюонов. Этот эффект необходимо учитывать при анализе данных, поскольку изменения температуры могут имитировать сигналы, связанные с изменениями потока первичных космических лучей. Для точной интерпретации данных необходима калибровка и учет влияния атмосферных условий.

Для точного определения первичного потока космических лучей необходимо учитывать влияние модулирующих факторов окружающей среды. Изменения в межпланетном магнитном поле и температуре атмосферы приводят к вариациям в интенсивности потока мюонов, достигающих земной поверхности. Неучет этих факторов может привести к искажению данных и неправильной интерпретации характеристик первичных космических лучей. Поэтому, анализ и коррекция данных мюонов с учетом влияния этих параметров являются критически важными для получения достоверной информации о происхождении и составе первичного космического излучения. Эффективное разделение сигнала первичных космических лучей требует детального понимания и количественной оценки вклада каждого из этих факторов в наблюдаемую мюонную интенсивность.

Количественная оценка чувствительности измерений мюонов к внешним параметрам окружающей среды имеет решающее значение для точной интерпретации данных и выделения первичного сигнала космических лучей. Изменения температуры атмосферы, влияющие на её плотность, и модуляции межпланетного магнитного поля, регулирующие поток космических лучей, напрямую сказываются на интенсивности зарегистрированных мюонов на уровне земли. Для корректной калибровки детекторов и снижения систематических ошибок необходимо разработать методы, позволяющие точно учитывать вклад этих факторов в общую зарегистрированную интенсивность мюонов. Это включает в себя построение моделей, описывающих зависимость потока мюонов от температуры, давления и геомагнитной активности, а также проведение регулярной калибровки детекторов с использованием данных о состоянии атмосферы и космической погоды.

Анализ данных за период 2001-2022 годов с использованием 60-дневного фильтра низких частот показал изменение магнитного потока мюонов (с коррекцией магнитного поля, представленной как <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\gamma_M = -0.587\% \, \text{nT}^{-1}</span>) и эффективной температуры <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Delta T_{\text{eff}}</span> (при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\lambda = 120 \, \text{g cm}^{-2}</span>). — Анализ данных за период 2001-2022 годов с использованием 60-дневного фильтра низких частот показал изменение магнитного потока мюонов (с коррекцией магнитного поля, представленной как $\gamma_M = -0.587\% \, \text{nT}^{-1}$ ) и эффективной температуры $\Delta T_{\text{eff}}$ (при $\lambda = 120 \, \text{g cm}^{-2}$ ).

Комплекс GRAPES-3: Многопараметрический подход к исследованию

Обсерватория GRAPES-3 использует мюонный телескоп для прецизионного измерения потока атмосферных мюонов. Мюоны, являющиеся продуктами космических лучей, проникают в атмосферу Земли и достигают поверхности. Телескоп GRAPES-3 регистрирует эти частицы, определяя их энергию и направление. Точность измерений обеспечивается за счет использования многослойной системы детекторов и методов анализа данных, позволяющих отделить мюоны от других частиц и фонового шума. Регулярный мониторинг потока мюонов позволяет проводить исследования в области физики высоких энергий и космических лучей, а также изучать влияние солнечной активности и геомагнитных возмущений на атмосферу Земли.

Данные, полученные с обсерватории GRAPES-3 в период с 2001 по 2022 год, подвергаются обработке с использованием быстрого преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) для выявления периодических изменений во флюксе мюонов. Применение FFT позволяет разложить временной ряд данных на составляющие частоты, что необходимо для идентификации корреляций с внешними факторами, такими как температура и геомагнитная активность. Выявленные периодические вариации служат индикатором влияния окружающей среды на космические лучи и позволяют проводить количественную оценку соответствующих эффектов. Точность анализа обеспечивается продолжительным периодом наблюдения и применением специализированных алгоритмов обработки данных.

Для повышения отношения сигнал/шум в данных, полученных от телескопа мюонов GRAPES-3, применяется полосно-пропускающий фильтр. Данный фильтр позволяет выделить определенные частотные диапазоны, содержащие полезный сигнал, и подавить внеполосные шумы и помехи. Выбор конкретного диапазона фильтрации осуществляется на основе анализа спектральных характеристик данных и позволяет оптимизировать обнаружение периодических вариаций, связанных с внешними факторами, такими как температура и магнитное поле. Применение фильтра способствует более точной идентификации и количественной оценке слабых сигналов, замаскированных шумом, что критически важно для проведения корректного анализа данных GRAPES-3.

Обработанные данные, полученные с обсерватории GRAPES-3, позволяют вычислить ключевые коэффициенты, характеризующие зависимость потока мюонов от внешних факторов. Температурный коэффициент ( $αT$ ) определяет изменение потока мюонов на единицу изменения температуры, в то время как коэффициент магнитного поля ( $γM$ ) отражает влияние изменений в магнитном поле Земли. Вычисление этих коэффициентов производится на основе анализа периодических вариаций в потоке мюонов, выделенных с помощью преобразования Фурье и фильтрации, что позволяет количественно оценить корреляцию между потоком мюонов и изменениями в окружающей среде.

Полосно-пропускающий фильтр был применен к данным о мюонах и температуре для выделения частот, центрированных на 0.002738 CPD, при этом две пунктирные вертикальные линии обозначают область 100% приема <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\%</span>. — Полосно-пропускающий фильтр был применен к данным о мюонах и температуре для выделения частот, центрированных на 0.002738 CPD, при этом две пунктирные вертикальные линии обозначают область 100% приема $\%$ .

Уточнение сигнала: Деконволюция и аттенуация

Для повышения точности определения параметров $αT$ и $γM$ , описывающих температурную и магнитную чувствительность детекторов мюонов, используются итеративные методы деконволюции. Данные методы позволяют учесть сложное взаимодействие космических частиц с атмосферой, где мюоны рассеиваются и поглощаются, искажая первоначальный сигнал. Процесс деконволюции, по сути, является обратным преобразованием, позволяющим «отделить» истинный сигнал от шумов, вызванных атмосферными эффектами. Каждая итерация уточняет значения $αT$ и $γM$ , минимизируя расхождения между смоделированными и наблюдаемыми данными, что в конечном итоге приводит к более точной интерпретации сигналов мюонов и улучшению моделей распространения космических лучей.

Понимание длины затухания адронов играет ключевую роль в точной интерпретации сигналов мюонов, достигающих земной поверхности. Мюоны, образующиеся в результате взаимодействия космических лучей с атмосферой, подвержены затуханию из-за ядерных взаимодействий и потерь энергии при прохождении через атмосферу. Длина затухания адронов — это мера расстояния, на котором интенсивность мюонного потока уменьшается в $e$ раз. Точное определение этого параметра необходимо для отделения первичных космических лучей от фонового шума и для правильной оценки энергии и направления прилетевших частиц. Недооценка или переоценка длины затухания приводит к искажению результатов анализа и затрудняет реконструкцию источников космических лучей, а также влияет на точность прогнозирования космической погоды и радиационной обстановки.

Точное определение температурного коэффициента, достигающего значения -0.2241 ± 0.0003 %K⁻¹, и магнитного коэффициента, равного -0.574 ± 0.027 %nT⁻¹, позволило значительно улучшить моделирование распространения космических лучей. Эти параметры критически важны для отделения первичных сигналов космических лучей от искажений, вызванных взаимодействием с атмосферой. Уточнение этих величин обеспечивает более точную интерпретацию данных, получаемых при регистрации мюонов, и позволяет исследователям с большей уверенностью восстанавливать характеристики исходного космического излучения. Полученные результаты имеют важное значение для развития астрофизики, прогнозирования космической погоды и мониторинга радиационной обстановки.

Уточненный анализ, основанный на прецизионном определении параметров, оказывает существенное влияние на ряд ключевых областей науки и технологий. В астрофизике более точное моделирование распространения космических лучей позволяет глубже понять источники и природу этих частиц. В области прогнозирования космической погоды, улучшенное понимание атмосферных взаимодействий с космическими лучами способствует более надежному предсказанию геомагнитных бурь и радиационных рисков для спутников и наземных систем. Кроме того, повышение точности оценки радиационного фона, основанное на данных о потоке мюонов, имеет критическое значение для обеспечения безопасности в авиации, космических полетах и при работе с радиационно-опасными материалами. Таким образом, полученные результаты способствуют не только углублению фундаментальных знаний о космосе, но и повышению безопасности и надежности современных технологий.

Анализ зависимости параметров <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\alpha_T</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\gamma_M</span> от длины затухания адронов λ показал линейную зависимость, подтвержденную статистическими погрешностями, представленными вертикальными чертами. — Анализ зависимости параметров $\alpha_T$ и $\gamma_M$ от длины затухания адронов λ показал линейную зависимость, подтвержденную статистическими погрешностями, представленными вертикальными чертами.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует глубокую взаимосвязь между потоком мюонов, температурой верхней атмосферы и межпланетным магнитным полем. Анализ данных, накопленных GRAPES-3 за 22 года, позволяет уточнить коэффициенты, описывающие эти взаимосвязи, что вносит вклад в более точное моделирование процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы и в околоземном космическом пространстве. Как однажды заметил Сергей Соболев: «Математика — это искусство открывать закономерности в хаосе». Это наблюдение особенно актуально в контексте анализа сложных данных, подобных тем, что были получены GRAPES-3, где выявление корреляций требует не только точных измерений, но и глубокого математического анализа для отсеивания случайных флуктуаций и выявления истинных закономерностей.

Что дальше?

Двадцать два года наблюдений за потоком мюонов, корреляции с температурой верхних слоёв атмосферы и межпланетным магнитным полем… Кажется, будто приближаемся к пониманию танца космических частиц. Но каждый расчёт — это лишь попытка удержать свет в ладони, а он ускользает. Уточнение коэффициентов, выявление связей — всё это, безусловно, важно, но не стоит обольщаться. Мы лишь создаём всё более изощрённые приближения, которые завтра окажутся неточными.

Настоящая проблема, как и прежде, кроется в неполноте нашего знания о первичных космических лучах. Их происхождение, спектр, анизотропия — всё это остаётся предметом дискуссий. Более того, влияние солнечного ветра и межзвёздной среды на поток мюонов, вероятно, гораздо сложнее, чем мы предполагаем. Наблюдения с GRAPES-3 указывают на корреляции, но не раскрывают механизмы.

Будущие исследования, вероятно, потребуют объединения данных, полученных с различных инструментов — наземных и космических. Необходимо строить более сложные модели, учитывающие нелинейные эффекты и взаимодействия между различными частицами. И даже тогда, вероятно, останется область неопределённости — темное пятно в нашем понимании Вселенной, напоминающее о границах познания.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.11847.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-16 03:42