ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

В середине XX века в Якутске были начаты работы по изучению вариаций тогда еще малоизвестных в науке космических лучей (КЛ). Разработка ионизационных камер для изучения вариаций КЛ, а также создание подземного комплекса скрещенных телескопов оригинальной конструкции, заложили основу для многолетних наблюдений за динамикой космического излучения в Якутии. В 1952 г. была организована лаборатория КЛ, которая стала основой для создания в 1962 г. крупнейшего в Сибири института по физике космоса — Института космофизических исследований и аэрономии СО РАН. Созданию лаборатории предшествовал ряд событий.

Еще в 1936 г., приехавший из Томска в Якутский пединститут молодой преподаватель физики Юрий Георгиевич Шафер, под руководством доктора физико-математических наук С.Н. Вернова. разработал научную программу для изучения космической радиации. Им была изготовлена первая установка для регистрации КЛ и начата ее эксплуатация в Якутском пединституте, но война прервала эти исследования. После войны Ю.Г. Шафер вновь занялся разработкой аппаратуры для непрерывной регистрации КЛ и в 1947 г. им была организована станция КЛ при Якутской базе АН СССР, получившая название «Станция №1». Первые исследования вариаций КЛ, начатые в 1949 г., имеют многолетнюю историю и прошли через несколько этапов своего развития.

Первая ионизационная камера С-2 была изготовлена в НИФИ-2 (теперь НИИЯФ МГУ) и в 1949 г. установлена в г. Якутске в маленьком двухэтажном домике по улице Красной молодежи. За разработку автоматического регистратора КЛ (камера АСК) Ю.Г. Шаферу, вместе с сотрудниками НИФИ-2 МГУ Н.Л. Григоровым и А.С. Муратовым, в 1950 г. была присуждена Сталинская премия СССР. Коллектив станции в то время состоял всего из 11 человек: Ю.Г. Шафер, А.И. Кузьмин, Д.Д.. Красильников и др. В 1951 г. поступили на работу А.В. Ярыгин, Г.В. Скрипин и В.Д. Соколов. В 1952 г. на базе станции была создана лаборатория КЛ, которая в июне 1953 г. перебазировалась в здание бывшей Богородской церкви, где под куполом была размещена новая большая (950 л) ионизационная камера АСК-1 (Рис.1). За внедрение аппаратуры АСК в серийное производство, группе научных сотрудников и работников завода «Физприбор», в том числе Г.В. Шафер, в 1952 г. была также присуждена Сталинская премия СССР.

Начиная с Международного геофизического года (1957-58гг.), началась регистрация КЛ на станции Бухта Тикси. Камера АСК меньших размеров (500 л) была установлена в Бухте Тикси Г.В. Шафер, Н.П. Чирковым, В.С. Мержевичем и М. Тимофеевым, а в 1966г. был приобретен в Канаде и установлен там же первый в СССР нейтронный супермонитор 18-NM-64. В 1975 г. в Бухту Тикси была доставлена и установлена вторая камера АСК-1.

На материалах непрерывных измерений КЛ с помощью ионизационных камер на первых порах исследовалась, главным образом, роль метеорологических факторов. Основной целью являлось исключение метеорологических эффектов из наблюдаемых вариаций КЛ и получение сведений о процессах в межпланетном пространстве. В середине 1950-х годов произошло разделение направлений исследований КЛ. Организовалась группа «подземников» — А.И. Кузьмин, Г.В. Скрипин, А.В. Ярыгин, для исследования частиц в области энергий от 1 до 300 ГэВ с помощью созданных многонаправленных мюонных телескопов, расположенных на поверхности Земли и в шахте на уровнях 7, 20 и 60 метров водного эквивалента (м в. э.) (рис.2). Во всех этих работах ярко проявился конструкторский талант инженера-электронщика А.В. Ярыгина. К 1958 г. комплекс подземных телескопов был полностью запущен в эксплуатацию.

 

 

«Подземники» задачу влияния атмосферных эффектов решили оригинально: по разности показаний северных и южных телескопов. Сразу же было выяснено, причиной вариаций должна быть анизотропия в первичном потоке КЛ. С целью правильного определения характеристик анизотропии было произведено разложение диаграмм направленности приборов по сферическим функциям до второй гармоники, которая вполне уверенно наблюдалась. При этом было учтено

усреднение по энергиям частиц, а также искривление их траекторий в геомагнитном поле. Все вычисления были выполнены в геоцентрической системе координат, а соответствующие наборы коэффициентов разложения были названы «приемными векторами» приборов. Оказалось, что первая гармоника анизотропии имеет ось симметрии, ориентированную вдоль орбиты Земли, так что точка на небесной сфере, откуда наблюдается избыточная интенсивность КЛ, кульминирует в 18 часов местного солнечного времени. Вторая сферическая гармоника, в основном, имеет ось симметрии, ориентированную вдоль межпланетного магнитного поля. Поэтому в невозмущенный период максимум полусуточной вариации наблюдается в среднем в 3 часа местного времени.

К 1962 г., под руководством А.И. Кузьмина, лаборатория состояла из трех групп. Эксплуатационная – которую в разное время возглавляли С.Н. Дружинина и А.Н. Приходько. Их усилиями устранялись различные, часто возникающие, неполадки  и, в конечном счете, достигнут сравнительно высокий процент непрерывности наблюдений. Группа обработчиков, руководимая вначале В.А. Филипповым, а затем И.П. Кармадоновым и Н.Г. Кравцовым, обрабатывала материалы наблюдений, редактировала и готовила их к публикации. Для этого составлялись месячные таблицы часовых значений интенсивности КЛ, которые по сей день хранятся в архиве Института.

Группу научных исследований возглавил Г.Ф. Крымский. В нее вошли П.А. Кривошапкин, Н.П. Чирков, А.М. Алтухов, И.А. Транский, Г.В. Скрипин, Г.В. Шафер, В.П. Мамрукова. В 1967 г. Г.Ф. Крымский, И.А. Транский и А.М. Алтухов перешли в только что организованный теоретический отдел.

 

В 1968 г. в зоне Сибири и Дальнего Востока действовала уже достаточно широкая сеть станций КЛ, оснащенных нейтронными мониторами. Исходя из необходимости единого научно-методического руководства над этими станциями, в ИКФИА ЯФ СО АН СССР в 1968 г. был организован отдел сети станций Сибири и Дальнего Востока. Руководителем созданного подразделения был назначен к.ф.-м.н. Н.П. Чирков, имевший опыт организации наблюдений КЛ на станции Тикси (1957-1959 гг.). с помощью ионизационной камеры АСК-2. Перед отделом сети были поставлены следующие задачи: участие в наладке и запуске новых станций, оказание научно-методической и технической помощи уже существующим, а также сбор, проверка и передача в МЦД-Б2 данных наблюдений. Обязанности по оказанию инженерно-технической помощи были возложены на опытного и грамотного инженера А.М. Стародубцева, при необходимости выезжавшего в командировки на станции КЛ.

Наряду с решением вышеуказанных задач, в отделе сети под руководством Н.П. Чиркова начала расширяться и

развиваться тематика проводимых научных исследований. В 1969 г. в отделе сети появился И.С. Самсонов, который подключился к работам, связанным с реализацией, разработанного в Институте метода  глобальной съемки, и анализом его результатов. В 1972 г. в отдел сети поступили А.Т. Филиппов, который занялся исследованием вспышек солнечных КЛ. и В.И. Козлов, начавший изучать флуктуации КЛ. С 1976 г. к научным исследованиям, связанным с методом глобальной съемки подключился В.Г. Григорьев. В 1981г. отдел сети пополнился выпускниками Якутского госуниверситета: С.А. Стародубцевым и А.С. Нисковских, В июле 1986 г., отдел сети совместно с лабораторией вариаций был преобразован в лабораторию КЛ высоких энергий, которую возглавил А.И. Кузьмин, а затем И.А. Транский.

 

В 1987 г. нейтронный монитор станции Якутск, состоящий с 1971г из одной секции, был дополнен еще двумя подобными секциями. Крупнейшее событие в истории регистрации КЛ произошло в сентябре 1989 г., — впервые в Якутске зарегистрирована вспышка солнечных КЛ под землей на глубинах 7 и 20 м в. э. с необычно жестким энергетическим спектром. Оценки показали, что предельная энергия ускоренных на Солнце протонов в этом событии была выше 100 ГэВ. Ранее же считалось, что Солнце может ускорять частицы до энергии не выше 20 ГэВ.

В 2004 г. экспериментальный комплекс лаборатории КЛ, в силу различных объективных причин, был переведен на новое место – 5 км. Покровского тракта, что на южной окраине г. Якутска. Там было подготовлено здание для наземных приборов (рис. 5.) и специально вырыта шахта со штреками на уровнях 7, 20 и 40 м в. э. До 2014 г., в состав современного Якутского спектрографа входили; нейтронный монитор 24-NM-64 и четыре однотипных мюонных телескопа на газоразрядных счетчиках СГМ-14, которые регистрируют частицы, приходящие из 5 направлений, и установлены на поверхности Земли и в штреках шахты. В настоящее время, с целью необходимости продолжения непрерывных наблюдений КЛ на более качественном и информативном уровне, по

инициативе и под руководством бывшего заведующего лабораторией д.ф.-м.н. С.А. Стародубцева, спектрограф КЛ дополнительно оснащен новыми телескопами на современных сцинтилляционных счетчиках СЦ-301 и расположенных на тех же уровнях, что и старые телескопы. Новые сцинтилляционные мюонные телескопы (SMT) позволяют регистрировать частицы уже из 13 направлений и имеют меньшую чувствительность к условиям окружающей среды — вечной мерзлоты. Конструктивно (рис. 6), SMT состоит из 2-х горизонтальных слоев размером 2х4м и разделенных по высоте на 1м. Внешние размеры SMT и, соответственно, число используемых счетчиков и направлений регистрации, определены размерами штреков подземной шахты, в которых они устанавлены, а также необходимостью сохранения действующих подземных телескопов на газоразрядных счетчиках СГМ-14.

В настоящее время коллектив лаборатории КЛ высоких энергий продолжает обеспечивать непрерывную работу спектрографа КЛ им. А.И. Кузьмина и нейтронного монитора на

станции Бухта Тикси. Благодаря работам, проведенных сотрудниками лаборатории в тесном взаимодействии с коллегами центра информационных технологий и производственного отдела Института, данные регистрации в режиме реального времени доступны всем заинтересованным пользователям сети Интернет на сайте Института по адресу: http://www.ysn.ru/ipm. Одновременно 1-мин измерения нейтронных мониторов передаются в международную базу данных, созданную в рамках Европейского рамочного проекта FP7 №213007 «Real-time database for high resolution Neutron Monitor measurements (NMDB)». Сейчас уже создана база данных комплекса новых сцинтилляционных телескопов Якутского спектрографа КЛ, которая также доступна в режиме реального времени в сети Интернет на сервере Института по адресу: http://www.ysn.ru/smt.

В настоящее время технический состав лаборатории состоит из 4-х сотрудников: ведущий инженер-электроник Кармадонов А.Я. (старший группы), ведущий инженер-электроник Пахмуллов А.В., А.Н., ведущий инженер Сорокин Е.Е. и техник 1категории. А.А. Слепцов. Инженеры лаборатории, совместно с сотрудниками производственного отдела ИКФИА и под руководством заведующих П.А. Кривошапкина, а затем С.А. Стародубцева, провели большую работу по восстановлению работы действующего спектрографа КЛ на новом месте, по разработке конструкции, созданию и запуску в эксплуатацию нового комплекса сцинтилляционных мюонных телескопов. Они ежегодно выезжают в командировку на станцию КЛ Бухта Тикси для проведения профилактических и ремонтных работ по обеспечению непрерывной работы нейтронного монитора 18-NM-64.

В состав  научной части лаборатории входят: и.о. зав. лаб., к.ф.-м.н. Григорьев В.Г., с.н.с., к.ф-м.н. Кривошапкин П.А., с.н.с., к.ф-м.н. Герасимова С.К., с.н.с., к.ф-м.н. Тимофеев В.Е., м.н.с. Гололобов П.Ю., м.н.с. Павлов Г.С., ведущий инженер-программист Чупрова В П. и инженер-программист 1 кат. Зверев А.С.

 

Основными направлениями научных исследований лаборатории являются: изучение структуры и динамики гелиосферы, вариаций распределения КЛ в периоды возмущений солнечного ветра, природы солнечных КЛ и космической погоды.

С целью прогноза космической погоды в режиме реального времени продолжены работы по усовершенствованию гармонического анализа данных станции Якутск и метода глобальной съемки. Результаты проведенных исследований динамики параметров анизотропии КЛ в периоды возмущений солнечного ветра и использование метода глобальной съемки в режиме реального времени, позволили начать непрерывный наземный мониторинг КЛ и прогноз геомагнитных бурь, результаты которого доступны в сети Интернет по адресу http://www.ysn.ru/~starodub/SpaceWeather/global_survey_real_time.html. При участии сотрудников лаборатории разработан метод «эффективных энергий», в котором развита новая методика оценки абсолютного потока и энергетического спектра солнечных КЛ по измерениям мировой сети нейтронных мониторов. По данным регистрации интенсивности КЛ на станциях мировой сети нейтронных мониторов и мюонных телескопов Якутского спектрографа КЛ исследуется энергетический спектр форбуш-понижений. Подтверждена зависимость показателя   энергетического спектра форбуш-понижений от фазы солнечного цикла. Установлено,

что изменение уровня турбулентности межпланетного магнитного поля может являться одним из основных факторов, определяющих динамику энергетического спектра форбуш-понижений. На материале Якутского комплекса установок удалось получить ряд других важных результатов.

 

Одним из них является объяснение временного хода интенсивности КЛ в зависимости от магнитного цикла Солнца. Для описания этой наблюдаемой зависимости, в 2006 г. в Институте была создана базовая модель модуляции КЛ в гелиосфере. Модель имеет единственный параметр, характеризующий степень регулярности межпланетного магнитного поля в цикле солнечной активности. Создание этой модели позволило выделить наиболее важные гелиосферные модуляционные факторы, создающие 11-летние вариации интенсивности КЛ. Анализ данных Якутского комплекса (рис. 8) показал, что наблюдаемое в течении многих лет поведение интенсивности КЛ, удовлетворительно описывается предложенной моделью.

Таким образом, модель является основой для количественного сопоставления экспериментальных данных с теоретическими представлениями о природе вариаций интенсивности КЛ с циклом солнечной активности. Также, на основании проведенных исследований наблюдаемых долгопериодных вариаций интенсивности КЛ было установлено, что гелиосфера в течение пяти последних циклов солнечной активности сохраняла выраженную северо-южную асимметрию. Количественные оценки показали, что угол смещения нейтральной поверхности межпланетного магнитного поля в среднем составил около 7 градусов к югу относительно плоскости солнечного экватора. Есть все основания полагать, что обнаруженная асимметрия является одним из основных фундаментальных свойств гелиосферы.

Таким образом, эстафету лаборатории КЛ приняла на себя сначала лаборатория вариаций КЛ, а затем лаборатория КЛ высоких энергий. У ее руководства стояли Ю.Г. Шафер, А.И. Кузьмин, Г.В. Скрипин, И.А. Транский, В.Г. Григорьев., П.А. Кривошапкин, С.А. Стародубцев. По материалам Якутского комплекса подземных мюонных телескопов к настоящему времени защищено 17 кандидатских и 3 докторских диссертации. Опубликовано 5 монографий и более 600 научных статей.