V. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

5.1. Метеоэффекты и метод мюонной диагностики

Метеоэффекты изучаются на протяжении многих десятков лет для различных компонент космических лучей, и в основном используются для учета поправок полной интенсивности потока мюонов и нейтронов при их регистрации в атмосфере Земли. Считается, что небольшие колебания давления P и температуры T аддитивно влияют на изменение интегральной интенсивности мюонов:

Νμ /Νμ = βp P + βT T,

P – изменение полного атмосферного давления на уровне наблюдения;

T – изменение среднемассовой температуры атмосферы;

βP , βT − усредненные барометрические и температурные коэффи-

циенты.

Такая зависимость получена при протекании естественных атмосферных процессов. Метеоэффекты имеют простое качественное объяснение. Увеличение плотности атмосферы приводит к уменьшению числа мюонов от распада пионов, и наоборот, уменьшение плотности увеличивает количество мюонов. Для барометрического эффекта (в области энергий порядка 10–100 ГэВ) важными оказываются два процесса: генерация пионов и ионизационные потери энергии мюонов при движении в слое воздуха. С увеличением давления уменьшается относительная доля распада пионов с образованием мюонов. Кроме этого, за счет возрастания количества вещества увеличивается поглощение мюонов. Барометрический эффект отрицателен.

С ростом температуры, при расширении атмосферы, уровень генерации пионов (от первичных частиц ГКЛ: p + N →π + N + N )

поднимается и возникающие при распаде мюоны (π → μ +ν ) про-

ходят больший геометрический путь до поверхности Земли. Поэтому вероятность их распада также увеличивается, что приводит

105

к уменьшению интенсивности потока мюонов (эффект отрицателен). И, наоборот, при уменьшении температуры атмосферы понижение слоя генерации пионов приводит к увеличению числа мюонов, не успевших распасться при пролете к уровню наблюдения.

Вместе барометрический и температурный эффекты должны антикоррелировать с интенсивностью мюонов. На рис. 5.1 приведены примеры изменения потока релятивистских мюонов для различных проявлений метеоэффектов. Продолжительность экспозиции в каждом случае составляет несколько суток. Измерения счета мюонов и величины давления проводились непрерывно за 1- минутные интервалы времени. Для более наглядного представления, изменение давления (P) приведено по модулю и совмещено с интенсивностью мюонов. Это эквивалентно тому, что ось шкалы давления (справа на рис. 5.1) направлена сверху вниз. В случае если вариация интенсивности связана только с барометрическим эффектом, обе линии (Νμ и P) должны совпадать на всем отрезке экспозиции. Видно, что на протяжении нескольких суток (графики на верхних двух панелях) поведение интенсивности мюонов (как плавное, так и скачкообразное) хорошо согласуется с изменением полного давления на поверхности Земли. При этом относительное изменение интенсивности Νμ /Νμ ≈ βp P, где βp = − 0,16 %/мбар. Значения изменений давления P взяты в усл. единицах (показателях генератора частоты датчика давления). Коэффициент корреляции на протяжении всего времени составляет величину не менее 0,8. Внизу (рис. 5.1) показана серия измерений, когда только один барометрический эффект не может полностью описать вариации интенсивности мюонов. Во всех приведенных примерах магнитосферные условия были спокойными и не влияли на изменения ГКЛ высоких энергий.

В настоящее время существует много способов для наблюдения различных характеристик состояния нижней атмосферы, включая наземные и спутниковые лидары, радиометры, озонометры и т.п. Периодически (несколько раз в сутки) прямые точечные измерения метеорологических параметров атмосферы проводятся с помощью шаров-зондов. Однако каждый из этих методов имеет определенные ограничения, связанные с погодными условиями (пло-

106

хая видимость) или малым временем пребывания над определенной территорией (спутники, шары-зонды).

1

2

3

Рис. 5.1. Синхронные временные ряды интенсивности мюонов Nμ(t) и атмосферного давления p(t). Для наглядности линии совмещены. Плавная линия – поведение p(t) (в ед. частоты датчика давления); темная – поток мюонов: 1 – продолжительность 6 суток (22.02–28.02.2005); 2 – 15 суток (10.03–25.03.2004); 3 – 8 суток (01.12–08.12.2004).

Ось X – время в минутах

Мониторинг атмосферы носит ограниченный по времени наблюдения и дискретный по месту характер, его результаты сложно

107

использовать для выработки предиктора приближающихся кратковременных высокоэнергоемких природных катаклизмов типа гроз, ураганов, если эти процессы имеют локальный характер.

Зависимость интенсивности направленного потока мюонов от изменения плотности воздуха вдоль области прямолинейной траектории их движения может быть использована в методе непрерывной мюонной диагностики термодинамического поля атмосферы. Одновременное наблюдение за количеством мюонов Nμ (θ,ϕ) ,

приходящих на поверхность из разных пространственных направлений в широком телесном угле, позволяет дистанционно, из решения обратной задачи определять параметры термодинамического поля по многим тысячам направлений, охватывающих площадь на уровне стратосферы порядка 103–104 км2. Продолжительное наблюдение образует непрерывную серию двухмерных снимковматриц, отражающих колебания плотности воздуха в «мюонном свете». Такие колебания могут быть обусловлены большим запасом энергии в некотором объеме атмосферы. Источниками энергии могут служить различные природные и техногенные процессы. Это дает возможность проследить динамику процессов во времени и изучить ряд сопутствующих физических явлений, развивающихся в неравновесной атмосфере. Такой подход и составляет суть мюонной диагностики атмосферы.

Непрерывное наблюдение за изменением термодинамического состояния атмосферы представляет интерес для изучения динамики развития и перемещения различных энергоемких процессов, обусловленных активными природными явлениями, такими как грозы, ураганы, тайфуны. Кроме этого, постоянный мониторинг является важной основой для разработки краткосрочных прогнозов погоды на мезомасштабном уровне.

Метеоэффекты вносят малый вклад в вариации потока мюонов. Например, изменение давления на 5 мбар или температуры на 5 градусов приводят лишь к 1% изменению потока мюонов. Поэтому к аппаратуре предъявляются жесткие требования по долговременной стабильности и требуются специальные методы для анализа данных с целью поиска термодинамических эффектов в «зашумленных» временных рядах. Метод мюонной диагностики впервые реализуется с помощью одной широкоапертурной назем-

108

ной установки. Одновременное и непрерывное наблюдение за количеством мюонов с разных направлений в широком диапазоне пространственных углов позволяет дистанционно, практически в реальном времени, определять различные динамические характеристики атмосферы.

Диагностика внутренних гравитационных волн (ВГВ) основывается, главным образом, на барометрическом эффекте. Поле стратосферных ВГВ создает чередование областей повышенной и пониженной плотности в атмосфере. Поток космических лучей при поперечном пересечении этого поля приобретает модуляцию как в пространстве, так и по времени (рис. 5.2). Одновременная регистрация интенсивности мюонов по многим временным рядам позволяет оценить характеристики ВГВ, а широкая апертура годоскопа дает возможность идентифицировать направление на очаг возмущения.

Рис. 5.2. Схема регистрации волнового поля ВГВ, связанного с грозовой активностью: 1 – отдаленная область формирования грозы; 2 − опережающее распространение ВГВ. ПКИ – пространственный поток галактического космического излучения, образующий мюоны в атмосфере; 3 – широкоапертурный мюонный годоскоп

В работах, выполненных на установках ТЕМП и УРАГАН при обработке многих синхронных временных рядов интенсивности мюонов из разных участков атмосферы, были зарегистрированы ВГВ, которые связаны с конвективными возмущениями атмосферы в предгрозовой период. Подробнее результаты исследований приведены ниже.

109