1. С целью продолжения накопления длинных и однородных рядов данных обеспечена непрерывная работа Якутского спектрографа КЛ им. А.И. Кузьмина и нейтронного монитора 18-NM-64 в Полярной геокосмофизической обсерватории Бухта Тикси. Также, продолжена непрерывная регистрация интенсивности КЛ с помощью нового комплекса из 4-х сцинтилляционных мюонных телескопов Якутского спектрографа. Данные регистрации в режиме реального времени доступны всем заинтересованным пользователям в сети Интернет по адресам: http://www.ysn.ru/ipm, http://www.ysn.ru/smt. Обращение к базе данных позволяет оперативно оценивать качество получаемой информации и использовать ее для решения различных научных задач. 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)».
Получено свидетельство о государственной регистрации базы данных №2019620103 «Scintillation muon telescopes database». Внесено в реестр федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент) от 18.01.2019
Для обеспечения стабильности регистрации КЛ нейтронным монитором 18-NM-64 в ПГО Тикси, в 2019 г. проведена очередная экспедиция, в ходе которой выполнены необходимые ремонтно-профилактических работы.
2. Одним из важных и актуальных направлений современных исследований вариаций интенсивности КЛ является прогноз геоэффективных возмущений солнечного ветра. Как показали проведенные исследования, приближение к Земле геоэффективных возмущений межпланетной среды может заблаговременно отражаться на наблюдаемых вариациях интенсивности КЛ. Прежде всего, это проявляется в изменениях амплитуд зональных (северо-южных) компонент высокочастотной части изотропной интенсивности C00 и первых двух гармоник углового распределения КЛ C10 и C20. Динамика этих изменений различна, но можно определить некоторые критические уровни, зависящие также от уровня солнечной активности, превышение которых для любой из указанных трех компонент с большой вероятностью является предвестником геомагнитной бури.
Разработанный в ИКФИА СО РАН в конце 1960-х — начале 1970-х гг. метод глобальной съемки позволяет на основе измерений мировой сети нейтронных мониторовопределять компоненты первых двух гармоник углового распределения КЛ за каждый час наблюдений. С созданием в 2007 г. и последующим развитием международной базы данных нейтронных мониторов NMDB впервые появилась возможность использования метода глобальной съемки в режиме реального времени. Это позволило нам реализовать методику краткосрочного (от нескольких часов до ~1 сут) прогноза геомагнитных бурь в режиме реального времени.
За отчетный период продолжались работы по повышению эффективности мониторинга прогноза прихода геоэффективных крупномасштабных возмущений солнечного ветра на основе использования результатов метода глобальной съемки в режиме реального времени. С целью оценки эффективности, проведен единый ретроспективный анализ связи проявлений всех предикторов проводимого мониторинга за 2013–2018 гг., с наблюдавшимися геомагнитными возмущениями. В среднем около 80 % геомагнитных возмущений с Dst<–50 нТл имеют, согласно используемой нами методике, предиктор в распределении КЛ до начала их проявлений на Земле. При этом установлено, что предикторы имеют все геомагнитные бури с Dst<–100 нТл. Предикторы в КЛ могут наблюдаться перед регистрацией и некоторых небольших возмущений геомагнитного поля, а появление «ложных» предикторов в относительно спокойные геомагнитные периоды связано с возмущениями в интенсивности КЛ не связанных с геомагнитными бурями.
3. Мюонные телескопы наряду с нейтронными мониторами являются на сегодняшний день наиболее распространенными приборами наземной регистрации приходящего потока КЛ. Способность этого типа детектора одновременно регистрировать КЛ с различных направлений делает эти детекторы уникальными в исследовании углового распределения КЛ в межпланетном пространстве. Однако, для этого необходим учет искажающих влияний геомагнитного поля и атмосферы Земли, который может быть произведен при помощи метода приемных векторов. Метод позволяет определять параметры первых двух сферических гармоник углового распределения КЛ в межпланетном пространстве. Расчет приемных векторов для детекторов производится на основе теоретического учета процессов ядерных взаимодействий первичного космического излучения с атмосферой Земли, расчета траекторий частиц в геомагнитном поле и с учетом индивидуальной геометрии прибора. Определение этих векторов для станций мировой сети мюонных телескопов необходимо для дальнейшего более полного использования их в научных исследованиях по изучению динамических процессов в распределении КЛ в гелиосфере, а также привлечения дополнительной информации в реализации нового варианта метода глобальной съемки по данным мировой сети мюонных телескопов.
В частности, были определены приемные вектора японских станций Матсуширо, Мисато и Сакашита. Для этого для каждого детектора рассчитаны траектории прихода частиц КЛ в геомагнитном поле и проведен учет коэффициентов связи и диаграмм направленности приборов. Траектории КЛ рассчитывались для энергий от жесткости геомагнитного обрезания до 1000 ГэВ и с угловым разрешением в 3 и 10 градусов по зениту и азимуту, соответственно. Коэффициенты связи получены на основе аналитического выражения, представленного в [Murakami K., Nagashima K., Sagisaka S. et al. Response functions for cosmic-ray muon at various depths undeground // Il Nuovo Cimento. — 1979. — V. 2C, No. 5. — P. 635-651]. На основе выполненных расчетов, определены приемные вектора вышеуказанных станций мюонных телескопов для первой и второй сферических гармоник углового распределения КЛ, которые представлены на рис. 1. В качестве параметра, характеризующего энергоэффективность детекторов, указаны медианные энергии региструемых КЛ Eмед. Результаты всех расчетов представлены в сеть Интернет по адресу: www.ysn.ru/smt.
4. Изучение механизмов образования второй сферической гармоники в распределении КЛ.
Наблюдаемое в межпланетном пространстве угловое распределение КЛ имеет сложный анизотропный характер, для описания которого требуется как минимум 2 сферические гармоники. Нулевая гармоника описывает изотропный поток КЛ, а первая и вторая гармоники — суточные и полусуточные вариации интенсивности КЛ, соответственно. На сегодняшний день уровень изученности второй сферической гармоники является самой низкой относительно первых двух гармоник. Между тем, как показывают длительные наблюдения, вторая сферическая гармоника в угловом распределении КЛ существует постоянно и может являться ключом к еще более детальному пониманию процессов гелиосферной модуляции КЛ.
Ранее, нами были исследованы проявления второй сферической гармоники по данным мюонных телескопов Якутск и Нагоя. В этих работах нами было установлено, что механизмом ответственным за эффект является экранировка КЛ регулярным межпланетным магнитным полем. Однако, детекторы позволяли наблюдать эффект лишь в относительно узком диапазоне энергий и необходимо было привлечь дополнительные данные с целью расширения этого диапазона. Более того, такое расширение требовалось и для решения проблемы смещения фазы полусуточных вариаций КЛ на раннее время (см. рис. 2), обнаруженной ранее японскими исследователями и позже подтвержденной нами, которая не согласовывалась с теоретическими представлениями.
Произведено исследование энергетического спектра наблюдаемой на Земле полусуточной вариации КЛ в области энергий от десятков до сотен ГэВ. В качестве экспериментальных данных были использованы данные часовых измерений интенсивности КЛ на станциях нейтронных мониторов (Якутск, Оулу, Германюс, Норикура), наземных и подземных мюонных телескопов (Якутск 0, 7, 20 и 60 м.в.э, Нагоя, Мисато, Сакашита, Матсуширо) за 1971 по 2018 гг. С учетом энергетической чувствительности каждого детектора произведен расчет амплитуд полусуточных вариаций, ожидаемых от механизма экранировки КЛ межпланетным магнитным полем. Сопоставление теоретических расчетов с экспериментальными данными представлено на рис. 3. Полученные результаты свидетельствуют о том, что вторая сферическая гармоника в распределении КЛ образуется за счет механизма экранировки КЛ, который должен приводить к полусуточным вариациям интенсивности КЛ с максимумом энергетического спектра находится вблизи 70 ГэВ.
5. Исследование влияния метеорологических факторов на мюонную компоненту вторичных КЛ.
Использование мюонных детекторов для исследований вариаций космических лучей сдерживается присутствием большого температурного эффекта, присущего мюонной компоненте вторичного космического излучения. Для исключения такого эффекта необходимы данные аэрологического зондирования вблизи пункта расположения детектора, которые чаще всего отсутствуют. Таких данных нет и для Якутского спектрографа КЛ, в состав которого входит подземный комплекс мюонных телескопов расположенные на поверхности и под Землей на глубинах 0, 7, 20 и 40 м в.э. Относительная роль метеорологических эффектов КЛ определятся типом вариаций и в некоторых случаях ее учет особенно важен. Вышесказанное в особенности относится к исследованиям вариаций внеатмосферного происхождения, период которых близок к периоду соответствующих вариаций атмосферного происхождения.
Данные мировой сети мюонных телескопов за весь период их работы были организованы в реляционную базу данных часового разрешения mddb [http://crsa.izmiran.ru/phpmyadmin]. В основе базы — часовые данные мюонных детекторов и метеорологические данные для каждого пункта наблюдений: атмосферное давление и температурный ход на стандартных изобарических уровнях. С использованием этой базы и при помощи метода среднемассовой температуры рассчитаны температурные коэффициенты для всего комплекса мюонных телескопов на счетчиках СГМ-14 Якутского спектрографа КЛ за 2018 г. На рис. 4 показан результат учета влияния метеорологических факторов на наблюдаемую интенсивность по мюонному телескопу на поверхности Земли в направлении вертикаль. Как видно из приведенного рисунка, учет метеорологических факторов используемым методом позволяет качественно избавиться от их влияния на наблюдаемую интенсивность мюонов.
Разработан новый вариант сетевого приложения для интерактивного графического и цифрового представления данных, доступный по адресу: https://www.ikfia.ysn.ru/data/hecrlab/mt/. Приложение позволяет получать графическую и цифровую информацию 1-часовых данных регистрации мюонных телескопов по всем 4-м подземным уровням регистрации Якутского спектрографа КЛ за 2009-2018 гг.
6. Разработана модель образования кучевого облака. Лавинообразная конденсация пересыщенного пара в нижней атмосфере сопровождается выделением тепла и созданием подъемной силы. Характерная начальная скорость всплывающего объема, вычисленная в модели, составляет 16 м/с. Формируемое облако представлено в виде вихря Хилла (рис. 5), расчет динамики которого определяет высотный ход параметров облака.
