Исследование космических лучей и их вариаций

Временные вариации интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ), регистрируемые наземными установками (диапазоны энергий 1-400 ГэВ), являются отражением взаимодействия частиц с плазмой солнечного ветра. Их наличие позволило предвидеть открытие солнечного ветра — непрерывного расширения солнечной короны. Для детального изучения вариаций необходимы сведения о среде, в которой они порождаются. Вместе с тем вариации ГКЛ используются для получения сведений о процессах в межзвездной среде, особенно в тех областях, которые недостижимы для космических аппаратов. Нужно знать такие макроскопические параметры среды как геометрию магнитного поля, скорость движения, характеристики турбулентности.

Динамические процессы в солнечном ветре и потоки солнечных космических лучей (СКЛ) являются источниками геомагнитных возмущений и нестационарных процессов в атмосфере Земли. Возможности их прогнозирования с помощью вариаций ГКЛ трудно переоценить. Кроме того, солнечный ветер — один из разновидностей звездного ветра. Экстраполяция знаний о солнечном ветре, взаимодействии энергичных частиц с его магнитными полями способствует решению задач астрофизики. В частности, происхождения космических лучей.

Частотный спектр наблюдаемых наземными приборами вариаций ГКЛ простирается от 22- летних до флуктуаций с периодом нескольких минут. Поэтому они являются косвенным методом получения информации как о крупномасштабных процессах в солнечном ветре, так и его мелкомасштабной турбулентности.

Космические лучи на поверхности Земли — это результат взаимодействия первичных частиц с ядрами вещества атмосферы. Непрерывные измерения разных компонент излучения даже в одном пункте и на одной высоте дают важные сведения об их энергетической зависимости. Измерения на различных высотах в атмосфере и под землей на различных глубинах существенно расширяют энергетический диапазон.

Распространенным наземным детектором для регистрации космического излучения с энергией более 1 ГэВ является нейтронный супермонитор. Наряду с образованием в период МГГ (1957-58 гг.) и МГСС (1959-60 гг.) мировой сети нейтронных мониторов, сложилась сеть мюонных регистраторов на разных уровнях относительно поверхности Земли. Часть сети, размещенная на разных пунктах Сибири и Дальнего Востока, создана при участии сотрудников Института КФИА Г.В. Шафер и Н.П. Чиркова. Создание сети станций существенно увеличило эффективность использования данных. В ИКФИА Г.Ф. Крымским при участии П.А. Кривошапкина, Н.П. Чиркова, А.М. Алтухова, В.П. Мамруковой, В.Г. Григорьева был разработан метод «глобальной съемки». Этот метод позволяет рассматривать Землю с имеющейся сетью нейтронных мониторов как единый прибор, ориентированный в каждый момент в разных направлениях. Эта процедура основывается на методе «приемных векторов», разработанном группой авторов (Г.Ф. Крымский, А.И. Кузьмин, П.А. Кривошапкин, Г.В. Скрипин, Н.П. Чирков). Прибор, приемный вектор которого обозревает определенную часть неба, в каждый момент времени отражает соответствующую часть разложения по сферическим функциям. При этом учитывается влияние геометрии прибора, геомагнитное поле и энергетический спектр вариации. Энергетический спектр — основная характеристика вариаций. Амплитуда наблюдаемых прибором вариаций получается усреднением по всему спектру с некоторой весовой функцией, коэффициентами связи. Для мюонных телескопов коэффициенты были рассчитаны группой сотрудников (Г.Ф. Крымский, П.А. Кривошапкин, Г.В. Скрипин и А.М. Алтухов).

Угловое распределение космического излучения из-за направленных свойств приборов отражается в неодинаковой интенсивности, регистрируемой одновременно различными приборами, даже если они имеют одинаковые коэффициенты связи. Это приводит к вариациям с суточным, полусуточным и т.д. периодом из-за вращения Земли. Освободиться от искажающего влияния геомагнитного поля и направленных свойств конкретного прибора и получить истинную суточную вариацию можно с помощью приемных векторов.

Связь распределения частиц (или анизотропии) и энергетического спектра вариаций плотности со свойствами солнечного ветра находится путем решения кинетического уравнения. Обычно используется конвективно- диффузионное и дрейфовое описание процесса распространения частиц.

Непрерывные измерения вариаций космических лучей в Якутске начаты в 1949 г. ионизационной камерой С-2 объемом 20 литров. В июне 1953 г. ее сменила автоматическая камера АСК-1 объемом 1000 литров, которая в непрерывном режиме действует до сих пор. Камера меньшего объема (100 л.) в 1957 г. установлена в б. Тикси. Там же в 1966 г. задействован первый в мире супермонитор (НМ), изготовленный в Канаде. Аналогичный прибор отечественного производства работает с 1973 г. в Якутске.

Первые результаты получены о метеорологических эффектах. Введение поправок на суточные колебания температуры на разных высотах земной атмосферы заметно увеличивает амплитуду суточных вариаций КЛ. В то же время годовые вариации существенно уменьшаются, и их фазы меняются.

Чтобы избавиться от влияния атмосферы у А.И. Кузьмина возникла идея о скрещенных мюонных телескопах. В 1953 г. была организована группа «подземников» в составе бывших фронтовиков А.И. Кузьмина, А.В. Ярыгина, Г.В. Скрипина, С.Н. Дружинина, Г.В. Шафер. Идея была быстро воплощена в жизнь. В фантастически короткий срок (за одно лето), мизерными затратами была вырыта шахта в вечной мерзлоте на уровне 4, 10, 36 метров.

Еще до окончательного строительства деревянного сруба в стволе шахты в 1954 году была сконструирована и установлена на регистрацию на уровне З6 м. установка скрещенных мюонных телескопов. Они состояли из счетчиков заряженных частиц и ориентированы в направлении Юг- Север под различными зенитными углами. К 1958 году был запущен в непрерывную регистрацию Якутский комплекс подземных установок (ЯКПУ) на всех четырех уровнях наблюдения под землей. До 1970 г. он был единственным в мировой практике комплексом, контролирующим приход КЛ в диапазоне энергии от 5 до 300 ГэВ. Впоследствии появились подобные комплексы в Японии, Австралии, США, Англии, Грузии.

Влияние атмосферных процессов на КЛ теперь исключались с помощью разности показаний северных и южных телескопов.

Мюонные телескопы неоднократно модернизировались с целью повышения стабильности радиотехнических устройств и увеличения эффективной площади регистрации. Так при переходе от малогабаритных счетчиков заряженных частиц СИ-5Г к СГМ-14 площадь увеличилась в 6 раз и соответственно точность регистрации в 2,5 раза. В этих работах активно участвовали инженеры В.П. Вальков, А.Н. Приходько, Н.И. Емельянов, А.А. Упольников.

Нейтронный монитор типа МГГ в Якутске работал с 1957 по 1971 г., когда он заменен одной секцией (6 счетчиков СНМ-15). Две другие секции монитора задействованы в 1974 г. в центре якутской комплексной установки широких атмосферных ливней. Он выполнял роль детектора ядерно-активной, электронно-фотонной компонент в составе ШАЛ. В 1987 г. обе секции были перенесены в Якутск. Конструкцию этого прибора вместе с центральным регистрирующим устройством осуществил инженер А.А. Упольников при участии В.М. Мигунова и А.Н. Приходько.

С расширением экспериментальных исследований произошел и численный рост группы подземников. В 1962 г. она преобразована в лабораторию вариаций космических лучей. Эксплуатационная группа (С.Н. Дружинин, А.Н. Приходько, А.Н. Вальков, И.Н. Капустин, А.А. Упольников, Н.И. Емельянов, Е.Е. Сорокин) обеспечивали модернизацию, непрерывную регистрацию комплекса. Группа сотрудников (В.А. Филиппов, И.П. Кармодонов, Н.М. Беломестных, Н.Г. Кравцов, Г.А. Акишева, М. Жукова,  С.В. Холтосунова, Е.М. Орлова) обрабатывали полученный наблюдательный материал часовых значений, редактировали и готовили его к печати. Группа исследователей, возглавляемая Г.Ф. Крымским, в начале своей деятельности занималась методическими разработками. Появились якутские коэффициенты связи первичных частиц с вторичными. Затем методики матриц, приемных векторов и глобальной съемки. С их помощью мюонные телескопы стали зрячими. Образно говоря, с них была снята атмосферная рубашка и геомагнитная повязка. В результате появилась возможность с помощью вариаций КЛ получать сведения о солнечно-земных связях, в первозданном виде лишенные маскирующего воздействия атмосферы, магнитосферы и геометрии телескопов.

Рамки лаборатории стали тесными. В 1968 году на ее базе возникли два новых отдела. Теоретический (Г.Ф. Крымский, А.М. Алтухов, И.А. Транский, Э.А. Метляева, В. Хвостенко, Ю.А. Ромащенко) отдел мог теперь решать теоретические задачи космофизики и аэрономии. Отдел сети (Н.П. Чирков, В.И. Козлов, И.С. Самсонов, А.Т. Филиппов, В.П. Чупрова, Э.И. Говорова, А.М. Стародубцев) осуществлял руководство работ Сибирской сети нейтронных мониторов. Сама лаборатория стала впоследствии называться — лаборатория космических лучей высоких энергий. 13 лет ее возглавлял Г.В. Скрипин. Затем по 2 года — И.А. Транский и В.Г. Григорьев.

В результате анализа материала наблюдений получены энергетические характеристики вариаций изотропного потока КЛ (А.И. Кузьмин, Г.Ф. Крымский, Г.В. Скрипин, Г.В. Шафер, П.А. Кривошапкин). К этому классу относятся 22- и 11-летние, 27- дневные вариации и Форбуш- понижения.

Спектры их по виду отличаются и существенно изменяются с солнечной активностью. Сравнение этих вариаций с ожидаемыми из ММП в возмущенные и невозмущенные периоды, коэффициенты диффузии КЛ и эффективную границу действия на них солнечного ветра.

Чувствительным индикатором геометрии солнечного ветра и структуры ММП в нем отражались суточные и полусуточные вариации КЛ по солнечному и звездному времени. Они возникают из-за вращения Земли вокруг своей оси и по орбите вокруг Солнца при наличии анизотропного распределения КЛ. П.А. Кривошапкин и Г.В. Скрипин нашли энергетические спектры и параметры первой и второй сферических гармоник распределения КЛ. Г.Ф. Крымский нашел им объяснение. Первая вызвана диффузионным механизмом. Тангенциальная компонента диффузионного потока, текущего вдоль спирали ММП, остается нескомпенсированной. Она и ответственна за наблюдаемую анизотропию. Вторая возникает из-за экранировки частиц секторным ММП.

Впервые обнаружена антисимметричная суточная вариация (П.А. Кривошапкин, Г.В. Скрипин, Н.П. Чирков). Она на порядок меньше обычной симметричной, но фаза ее противоположна по наблюдениям станций в разных полушариях. В течение года параметры ее меняются, что является причиной ложной звездно- суточной вариации. Ложная вариация сильно маскирует истинную звездную. Г.Ф. Крымский объяснил свойства антисимметричной и полусуточной вариаций механизмом экранировки ГКЛ регулярным секторным ММП. Из поведения этих вариаций следует, что секторное ММП несимметрично относительно солнечного экватора, а наклонено к нему, что степень регулярности ММП изменяется значительно с солнечной активностью, что средняя скорость солнечного ветра равна 450 км/с. Эти факты впоследствии были подтверждены прямыми измерениями на космических аппаратах.

В 1971г. по данным ЯПКУ в поведении суточных вариаций испытывает сдвиг на раннее время. Этот сдвиг больше с увеличением энергии частиц. Наибольшее смещение происходит в минимумы солнечной активности 1974 и 1996 гг., т.е. имеют 22- летнюю периодичность. Г.И. Гаврильевым и Г.В. Скрипиным это объяснялось наличием двух компонент. Одна — азимутальная, направленная по движению Земли, изменяется в периодом 11 лет. Вторая- радиальная, от Солнца с периодом 22 года. Спектр радиальной значительно жестче, чем у азимутальной. Из этих фактов были оценены радиальные и поперечные градиенты КЛ, их изменчивость от года к году.

Уникальный результат, обусловленный непрерывностью наблюдения с помощью подземного спектрометра за возрастаниями интенсивности КЛ, связанных с солнечными вспышками, был получен 29 сентября 1989 г. Впервые экспериментально зарегистрированы СКЛ под землей на глубине 20 м водного эквивалента, что свидетельствует о генерации на Солнце частиц с энергией 100 миллиардов электрон вольт. Другой особенностью события — очень жесткий энергетический спектр дополнительного потока частиц, по сравнению со спектром до сих пор наблюдаемых вспышек.

Таких явлений и загадок, решенных и необъясненных много.

В настоящее время лабораторией руководит П.А. Кривошапкин. В ее составе осталось 11человек. Но комплекс подземных установок работает в полную силу. Число каналов наблюдений не уменьшилось. Вся информация сосредоточена в банке данных и хранится в компьютере. Поныне в лаборатории трудятсяветераны, самые фанатически преданные делу. Такие как Александр Приходько, Владимир Мигунов, Великанида Мамрукова, Валентина Чупрова, Вячеслав Григорьев, Владислав Тимофеев, Евгений Сорокин.