Исследование кратковременных вариаций вторичных космических лучей под действием электрического поля атмосферы во время гроз тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

Хаердинов Наиль Сафович

Исследование кратковременных вариаций вторичных космических лучей под действием электрического поля атмосферы во время гроз

I

01:04.16 - ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

иьоо

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

Хаердинов Наиль Сафович

Исследование кратковременных вариаций вторичных космических лучей под действием электрического поля атмосферы во время гроз

01.04.16 - ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

4

4

Работа выполнена в отделе лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики и Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук A.C. Лидванский

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ю.И. Стожков (ФИАН) кандидат физико-математических наук В.П. Сулаков (НИИЯФ МГУ)

Ведущее предприятие:

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (ИЗМИРАН)

Защита состоится « » _ 2006 года

в_ часов на заседании дисертационного совета Д 002.119.01

Института ядерных исследований РАН (Москва, проспект 60-летия Октября, дом 7а)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН

Автореферат разослан « » _ 2006 года

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ

Ученый секретарь совета, кандидат физико-математических наук

БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ОЭ 200fiatH/O52.

Б.А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Несмотря на почти вековую историю изучения космических лучей на поверхности земли, влияние атмосферного электричества на них плохо изучено. Более того, до определенного момента такая задача даже не ставилась. Лишь после пионерских экспериментов под руководством А.Е. Чудакова в начале 1980-х годов на Баксане было показано, что грозовые электрические поля создают наблюдаемые эффекты в интенсивности вторичных космических лучей. Однако еще в 20-х годах 20-го века Ч. Вильсон предположил, что сильные поля грозовых облаков могут ускорять и генерировать частицы, которые получили название убегающих электронов. Довольно многочисленные эксперименты по поиску таких электронов не дали определенных результатов в значительной степени потому, что геофизики, проводившие эти эксперименты, были мало знакомы со свойствами потока космических лучей (образующего естественный фон для таких экспериментов) и его вариациями. Кроме того, гипотеза Вильсона была именно гипотезой и не давала количественной оценки эффекта, которая могла бы быть экспериментально проверена.

В 90-х годах А.В. Гуревичем и др. была создана теория пробоя на убегающих электронах, согласно которой лавина релятивистских частиц в сильном электрическом поле создает условия для последующего разряда молнии. Космические лучи в этой теории играют роль затравочных частиц вызывающих такие лавины. Естественно ожидать, что взаимное влияние потока заряженных частиц вторичных космических лучей и электрического поля грозовых облаков может быть изучено посредством наблюдения вариаций потока космических лучей во время гроз. Кроме упомянутого выше эксперимента А.Е. Чудакова еще несколько групп (эксперимент ЕАБ ТОР в Италии, швейцарско-японский экспёримент на г. Норикура в Японии и

эксперимент группы ФИАН на Тянь-Шане) сообщили о наблюдении кратковременных вариаций интенсивности космических лучей во время гроз. Однако до настоящего времени в экспериментальных результатах и в теории существуют противоречия и даже качественная картина динамики космических лучей в грозовой атмосфере не совсем ясна. Поэтому существовала острая необходимость создания корректных методов экспериментального изучения таких явлений, получения их количественных характеристик и разумной интерпретации.

Цели и задачи диссертации.

1) Разработка экспериментальных методов исследования вариаций вторичных частиц космического излучения во время гроз.

2) Проведение таких исследований, т.е. получение количественных характеристик влияния приземного электрического поля на интенсивность космических лучей.

Научная новизна работы.

1) Разработан метод измерения во время гроз атмосферной напряженности поля, позволяющий проводить корректную корреляцию с другими параметрами в широкой полосе частот.

2) Разработан метод исследования вариаций мягкой и жесткой компонент вторичных космических лучей, регистрируемых сцинтилляционным детектором во время гроз. ,

3) Проводится теоретическое исследование влияния поля, трансформирующего спектр электронно-фотонной компоненты.

4) Теоретически получена и экспериментально исследована трансформация электрон-позитронного спектра приземным полем.

Научная и практическая ценность работы. 1. Предложенный метод выделения электронно-фотонной компоненты, при регистрации вторичных частиц сцинтилляционным детектором, наиболее

чувствительной к аппаратурным шумам, но жестко коррелирующей с приземным полем, позволяет контролировать степень аппаратурных помех при исследовании вариаций интенсивности космических лучей во время гроз.

2. Измеренные коэффициенты регрессии для мягкой компоненты вторичных частиц космического излучения позволяют тестировать теории движения частиц в грозовой атмосфере.

3. Зарегистрированы яркие события экспоненциального роста со временем, частиц с энергией более 10 МэВ во время гроз. Этот факт важен для дальнейшего развития теории пробоя на убегающих электронах, где эти частицы выступают в роли затравочных.

4. Развит метод определения напряженности поля во время грозы с широкой частотной характеристикой, по измерениям двух датчиков с принципиально разной частотной характеристикой, с защитой от помех, вызываемых дождем.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на 27 и 28 Всероссийских конференциях по космическим лучам (Москва, 2002 и 2004 гг), на 27 (Гамбург, 2001 г), 28 (Цукуба, 2003 г) и 29 (Пуне, 2005 г) Международных конференциях по космическим лучам, на 18 Европейском симпозиуме по космическим лучам (Москва, 2002 г), на 12 международной конференции по атмосферному электричеству (Версаль,

2003 г), на 6 международной конференции по физике молний (Гваделупа,

2004 г), на 5 Российской конференции по атмосферному электричеству (Владимир, 2003 г) и на 1 и 2 ежегодных конференциях Общества наук о Земле Азии и Океании (Сингапур, 2004 и 2005 гг, приглашенные доклады). Кроме того, доклады по теме диссертации были сделаны на 10 и 12 Баксанских школах «Частицы и космология» (2001 и 2005 гг) и на семинарах в ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ, ВГИ, и БНО ИЯИ РАН.

Публикации. Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в одиннадцати печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и трех приложений. Содержит 180 страниц текста, включая 69 рисунков и 32 страницы приложений. В список литературы включено 71 наименование.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Существуют вариации интенсивности электронно-фотонной компоненты, обусловленные влиянием атмосферного электрического поля. В области значений ±10 кВ/м вариации носят локальный характер. При этом, зависимость от напряженности, хорошо описывается полиномом второй степени с отрицательным линейным и положительным квадратичным, по полю, коэффициентами.

2. В периоды близкой (несколько километров от пункта регистрации) молниевой активности грозы, регулярно регистрируются возмущения электронно-фотонной компоненты с энергией превышающей 10 МэВ не коррелирующие с приземным полем. Эти возмущения напрямую связаны с сильными полями в грозовой туче.

3. Зарегистрированы яркие случаи быстрого (~10сек) экспоненциального роста интенсивности мягкой компоненты, которые либо обрываются в-момент разряда молнии, либо после замедления роста достигают естественного максимума.

4. В рамках решения кинетического уравнения в линейном приближении аналитически получена оценка трансформации электрон-позитронного спектра частиц космических лучей в электрическом поле атмосферы. Для случая трансформации приземным полем, решение удовлетворительно описывает наблюдаемые результаты. Сильные возмущения интенсивности не могут быть описаны трансформацией спектра.

5. Предложена модель механизма генерации частиц грозовыми облаками, в которой экспоненциальный рост интенсивности обусловлен обратной связью, возникающей при рождении и распространении электрон-позитронных пар в среде с сильным электрическим полем.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении дан краткий обзор основных этапов изучения проблемы и ее современного состояния. Приводится список давних экспериментов, в которых делались попытки подтвердить гипотезу Вильсона. Излагаются основные моменты теории пробоя на убегающих электронах и экспериментов проводившихся для ее верификации. Сформулирована цепь работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается описание установки и методики эксперимента. Установка «Ковер-2» расположена в горном ущелье на высоте 1700 м. над уровнем моря. Ближайшие вершины находятся на расстоянии 5 км и имеют высоту около 2000 м над уровнем установки. Установка состоит из нескольких независимых групп детекторов. 400 жидкостных сцинтилляционных детекторов стандартного типа составляют центральную часть («Ковер»), они поставлены вплотную друг к другу и образуют квадрат со стороной Ими общей площадью 196 м2. Эта часть установки расположена в здании под крышей 29 г/см2.

108 таких же детекторов расположены в шести внешних пунктах с тонкой крышей. В каждом пункте размещены вплотную, в форме прямоугольника со сторонами 2.1 м х 4.2 м 18 детекторов (3 в ширину, 6 в длину), с общей площадью 9 м2. Измеритель электрического поля, измеритель тока дождя и измеритель расстояния до молний расположены на крыше центрального здания.

Далее, в первой главе описаны основы экспериментальной методики и результаты некоторых методических экспериментов. Один и тот же стандартный детектор используется для регистрации мягкой компоненты вторичных космических лучей (выносные пункты, диапазон энергий 10-30 МэВ) и жесткой компоненты (центральный Ковер). В последнем случае, с учетом ионизационных потерь в крыше энергетический порог для мюонов составляет около 100 МэВ. Более точно состав мягкой и жесткой компонент при разных энергетических порогах определен расчетным путем.

Низко-энергичная область наиболее чувствительна к помехам разного рода, возникающим в ходе эксперимента, который, напомним, проводится во время грозы. Влияние помех на темп счета мягкой компоненты исследовано с помощью создания искусственной помехи. В главе изложены также некоторые технические приемы и статистические методы контроля регистрации интенсивности мягкой компоненты, используемые в эксперименте.

На уровне установки, большая часть мягкой компоненты находится в равновесии с мюонами, а они, в свою очередь, подвержены вариациям, обусловленным изменением температуры атмосферы и влиянием электрических полей. Для корректного выделения зависимости поведения мягкой компоненты от напряженности приземного электрического поля, необходима ее коррекция не только на давление и температуру аппаратуры, но и на вариации мюонов. Соответствующие коэффициенты регрессии были получены с использованием метода множественной корреляции, где в качестве мюонной компоненты использовалась регистрируемая жесткая. Используя определенные в эксперименте коэффициенты регрессии, были вычислены доли регистрируемой мягкой компоненты равновесные мюонам и пионам в отдельности. Например, для внешних пунктов доля интенсивности мягкой компоненты равновесной я0 составляет (41 ± 2) % от полной, что

согласуется с общими представлениями о порядке этой величины для высоты гор. Путем выделения той же компоненты, регистрируемой в здании, был оценен эффект поглощения бетонной крышей, который соответствует, с точностью -10%, толщине проектируемой при строительстве здания 29 г'см"2. В диссертации это значение и принималась в расчет. Совпадение прямого измерения толщины крыши и вычисленной, по результатам полученных коэффициентов регрессии, является подтверждением правильности выводов из корреляционного анализа.

В главе подробно описан метод измерения напряженности поля, сопутствующие проблемы и способы их решения. Используемый датчик напряженности электростатического поля, представляет собой измеритель напряженности вращательного типа - фшоксметр со специально установленной механической защитой от дождя. Для уменьшения влияния различного рода быстрых, случайных помех, ток с измерительного электрода интегрируется с постоянной времени т =2 с . Методическая ошибка измерения при этом 'ДО/О ~ х/хл, где тц - характерное время изменения поля. Отсюда видно, что этот прибор достаточно точно измеряет напряженность поля в случаях, когда оно мало меняется во времени. Однако, он мало пригоден, когда поле имеет быстрые возмущения, с характерными временами т^ < т (например, поле во время разряда молнии). То есть, из всего времени регистрации поля этим датчиком, нужно исключить те интервалы, где методическая ошибка значительна. Но, для исследования вариационной задачи, как раз такие моменты, сильного, быстроменяющегося поля, наиболее привлекательны. За короткие времена, другие физические параметры (например, температура атмосферы, давление) не успевают измениться. Для определения значений напряженности поля в таких случаях, в эксперименте, использовался рядом стоящий (5 м) измеритель

электрического тока дождя, в качестве датчика поля индукционного типа. Для этого прибора методическая ошибка измерения: ДЕ>ЛЭ ~ х ¿/то, где т0 = 21 с - постоянная интегрирования. В главе описан метод корректной сшивки результатов измерений этими двумя приборами, с принципиально разными частотными характеристиками, с целью получения истинного значения напряженности поля с . максимально широкополосной частотной характеристикой. Этот факт позволяет проводить корреляционный анализ зависимости параметров различных физических явлений от напряженности поля во всем временном диапазоне. Приборы калибровались искусственно созданным полем в «полевых» условиях, в ясную погоду. Используя независимость измерений этими приборами напряженности поля, по моментам его быстрого изменения - сопровождающего молниевые разряды, была выполнена относительная калибровка в естественных условиях эксперимента. Результаты указывают на систематическое расхождение, не превышающее 23%, которое возможно связано с эффектом дождя, меняющего электропроводность подстилающей поверхности, что приводит к неравнозначной экранировке приборов, и с паразитными токами утечки, зависящими от влажности.

Для оценки нижней границы расстояния до места, где происходит максимальное ускорение вторичных частиц космических лучей, то есть места, где в критическом поле формируется разряд молнии, использовалась специальная акустическая система. Эта система определяет минимальное расстояние до канала молнии, по задержке времени между моментами регистрации электромагнитного импульса от молнии и началом ее звукового сопровождения - грома. В последнем параграфе этой главы приводится ее описание.

Во второй главе приводятся результаты эксперимента, рассматриваются детально примеры ярких зарегистрированных возмущений и описывается

метод анализа применяемый для получения количественных характеристик связи измеряемой напряженности поля и вариаций интенсивности мягкой компоненты.

По трем сезонам наблюдения 2000 - 2002 гг., был проведен корреляционный анализ с напряженностью электрического поля для каждого грозового события. Для исключения вариаций связанных с давлением, температурой и вариациями жесткой компоненты, интенсивность мягкой предварительно поправлялась в соответствии с частными коэффициентами регрессии, полученными в главе 1. Затем искалась линия квадратичной регрессии вида:

Л1Л0 = АУХ) + ВХО2. (1)

Где 10 - фоновая, среднесуточная интенсивность мягкой компоненты, Д1 -отклонения от фона. В результате анализа каждого грозового события, из всего массива информации содержащего вариации поля, получена серия, по числу грозовых событий, значений коэффициентов регрессии (линейный и квадратичный) и значений остаточной дисперсии, с соответствующими ошибками определения. Присутствие в каких-либо грозовых событиях вариаций, не связанных с измеряемьм значением напряженности поля, увеличивает значение остаточной дисперсии. Поэтому, из полученной серии результатов, исключались те, остаточная дисперсия в которых статистически значимо отличается от теоретической. Тем самым уменьшается вклад вариаций, не связанных с измеряемыми параметрами. Ниже в таблице приводятся основные результаты.

Интенсивность а о2/«* А %/[кВм"'] В %/[кВм*']2 Число гроз Полное время Та (сутки)

Мягкая компонента 10<Е<30 МэВ 80.4 м'2с"' - 1.0369 ±0.0018 -0.0267 ±0.0008 -0.00317 ±0.00009 88 7.76

0.03 0.9960 ±0.0025 -0.0315 ±0.0012 -0.00287 ±0.00019 52 3.75

Верхняя строка соответствует анализу, проведенному по всем грозовым событиям без исключения, нижняя отвечает результатам после селекции описанным методом с оптимальным уровнем значимости 3%, рис. 1.

Э кВ/м

Рис. 1. Распределение вариаций мягкой компоненты в зависимости от напряженности приземного электрического поля. Сплошная линия - средневзвешенная линия регрессии по результату эксперимента: ДШЧо = - 0.0315x0 + 0.00287х02. Штриховая и штрих-пунктирная линии - теоретически определенная зависимость вариаций при крайних значениях ошибки измерения поля прибором и полном игнорировании экранировки поля приземной концентрацией ионов.

Как видно из рисунка, в области малых значений поля, аппроксимация квадратичной зависимостью вполне приемлема. Вместе с тем, при больших положительных значениях поля (~10 кВ/м), наблюдается статистически значимое, аномальное отличие от квадратичной аппроксимации. Кроме того, в эксперименте наблюдаются отдельные случаи сильного увеличения интенсивности мягкой компоненты, в активные периоды, связанные с разрядами молний. С целью оценки характерного значения минимального расстояния от установки до области поля максимальной напряженности, способствующей регистрации аномально больших возмущений мягкой

компоненты и разряду молний, был проведен статистический анализ данных, за период с 01.08.03 по 10.11.03 (6 гроз), по измерению минимального расстояния до канала молний. Из анализа следует, что в случае «близких» гроз регулярно регистрируются возмущения Шгкой компоненты с амплитудой ~ 1 %. Среднее расстояние до каналов молний 3.5 км, что определяет нижнюю оценку характерного расстояния до области поля максимальной напряженности. Это значение существенно превышает разницу высот вершин окружающих гор (4 км) и установки (1.7 км), что согласуется с естественным представлением формирования критических грозовых полей выше уровня вершин гор. На примерах регистрации отдельных значительных возмущений, внешними пунктами и в здании под бетонной крышей, определен пробег для поглощения частиц вызвавших возмущение. Он соответствует пробегу у - квантов с энергией более 10 МэВ.

Третья глава целиком посвящена интерпретации данных наблюдений. Из решения кинетического уравнения для одномерного случая, дли частиц с энергией более 10 МэВ, получено выражение, описывающее трансформацию равновесного электрон-позитронного спектра для случая слабого поля:

Здесь, 1о(г,Е) - суммарный равновесный электрон-позитронный спектр, в нижних слоях атмосферы в отсутствии поля, 5(Е) = 1 А-(тс2/Е)ш - разница интенсивностей электронов и позитронов с энергией Е, в отношении к их сумме, для 1о(г,Е). Ев = ао Ьо — 43.7 МэВ - характерная энергия для электронов в воздухе. Параметр ао = 1.8 МэВ/(г-см'2) имеет физический смысл скорости средних потерь энергии для электрона в районе их минимума, а параметр Ьо = 24.3 г-см"2, близкий по порядку величины к радиационной единице длины, характеризует линейный рост средних

тормозных потерь с увеличением энергии. (Б) - среднее взвешенное значение напряженности поля Б по масштабу Ьо-

Л

£)0= (аа/а^хВс-232.8 кВ/м, ам = 1-67 МэВ/(г-см"2) - минимальное значение ионизационных потерь в воздухе при нормальных условиях, £>с= 216 кВ/м -критическая напряженность поля, р(г) - плотность воздуха на высоте г, ро -плотность при нормальных условиях. Ошибка, связанная с игнорированием упругого рассеяния не превосходит 10%.

Учитывая эффективность регистрации реальной установкой мюонов и у-квантов в составе мягкой компоненты, а также ошибку измерения поля, связанную с особенностями прибора и трансформацией поля окружающими предметами, получена следующая теоретическая оценка линии регрессии:

61{г,Е)

\2

Г А, А) П + 2 3(Е)р0/р(г) [V,] п + 2( р0/р(г) . , К ) «+3[1 + Е/(а010)К [ К1 ;'« + 4Ц1 + £7(«0£0)]О0)

Здесь. Д., = 0.81 ± 0.03 - экспериментально измеренная доля электронно-фотонной компоненты в составе мягкой. Де = 0.35 - установленная расчетным путем доля электронов и позитронов в составе регистрируемой электрон -фотонной компоненты, п = 2.5 - показатель зависимости от зенитного угла интенсивности электронно-фотонной компоненты на высоте установки. К = Ко/к, где Ко £ 1 - коэффициент экранировки атмосферного поля приземной концентрацией ионов, а к - калибровочный коэффициент прибора, определенный экспериментально (он может принимать значения в диапазоне 11.23). Численные значения коэффициентов при линейном (А) и квадратичном (В) членах в выражении (1) для регистрируемых частиц (10 - 30 МэВ) при К = 1, равны Ам = 0.0197 %/(кВ/м), Вк = 0.00027 %/(кВ/м)2. На рис. 1 приводятся графики построенные в соответствии с (2), при Ко = 1 и крайних значениях к (1 и 1.23). Минимизируя в районе малых напряженностей

отклонение теоретически определенной линии от экспериментальных точек, оценивается суммарный эффект экранировки приземной концентрацией ионов и ошибка измерения поля, связанная с его трансформацией окружающими прибор предметами. Соответствующее значение К = К* = 0.7. На рис. 2 приведено распределение вариаций мягкой компоненты, поправленное на теоретически вычисленную трансформацию, при К = К*. Вертикальными штриховыми линиями на графике показаны значения приземной напряженности ± 7 кВ/м, разделяющие области с качественно различным поведением мягкой компоненты.

1.5

AN/Ng %

1

0.5 0

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

DkB/M

Рис. 2 Распределение вариаций мягкой компоненты в зависимости от напряженности приземного электрического • поля, поправленное на теоретически вычисленную трансформацию, с параметром К = К* = 0.7. Штриховые линии отмечают значения напряженности D = ± 7 кВ/м.

Области очевидного расхождения с теоретической линией расположены симметрично как для положительных, так и для отрицательных полей, отвечают ускорению частиц обоих знаков, но существенно отличаются по величине.

Проведенный анализ позволяет делать вывод, что во время гроз, наблюдаются вариации интенсивности электронно-фотонной компоненты, вызванные трансформацией спектра приземной напряженностью поля, при этом квадратичный по полю коэффициент присутствует, но мал по величине. Когда регистрируется значительное возрастание приземной напряженности, как правило, сопровождающиеся молниевыми разрядами, наблюдается аномальный рост интенсивности электронно-фотонной компоненты, вызванный регистрацией у-квантов от ускоренных электронов и позитронов в области над установкой, выше локально сформированного в грозовом облаке заряда. При положительных полях, отвечающих в этом случае ускорению электронов, возмущение интенсивности более значительно.

Для оценки максимального эффекта от трансформации равновесного электрон-позитронного спектра в предельных полях, соответствующих критическому режиму возникновения пробоя на убегающих электронах, получена верхняя граница спектра. Решение получено в предположении полной компенсации потерь энергии частиц одного знака, с энергией в районе минимальных потерь (О = О0), на протяжении всего пути. В случае, учитывающем упругое рассеяние, это условие соответствует компенсации потерь энергии в среде в районе их минимума, усредненным влиянием поля, и так же отвечает критическому условию рождения убегающих частиц. При этом значение критического поля, должно превышать Б0 на ~ 20%. Одномерное кинетическое уравнение решалось методом последовательных приближений, способ его решения описан в приложении. Полное решение, отвечающее требованию верхней границы, максимально крутого спектра:

Получена верхняя оценка эффекта в регистрации мягкой компоненты детекторами внешних пунктов, для критического поля вида:

= (пМ

10, 2ийгйх

х = 0 - граница атмосферы, г = х = 840 г/см2 - уровень установки. Оценка получена в зависимости от нижнего уровня существования критического поля гм и требуемого порога энерговыделения в детекторах. Это позволяет определить верхние (максимально возможные) значения расстояний от установки до границы поля, соответствующие конкретным наблюдениям возмущений, по экспериментальному материалу.

20 0 10

кВ/м 0 -10 -20 -30 -40

30

М25'

N0 20

% 15'

10

50

-5'

20ч 00м 20ч 05м 20ч Юм 20ч 15м

Рис. 3. Случай грозы 11.10.2003. Время дискретизации 1 сек.

Верхняя панель: измерение напряженности приземного электрического поля.

Нижняя панель: вариации регистрируемой мягкой компоненты (10-30 МэВ)

В случае, наблюдавшемся во время грозы 11 октября 2003 г (рис, 3), два разряда очевидно влияющие на процессы, происходящие в области ускорения, дают расстояния 4.4 и 3.1 км. В то же время, согласно приведенным расчетам, возрастание интенсивности на рис. 3 может быть получено трансформацией фонового спектра в критическом сильном поле, только, если это поле расположено на высоте не более 1.5 км над установкой. Кроме того, энергетический спектр зарегистрированных частиц оказывается много круче расчетного.

Таким образом, проведенный анализ позволяет сделать вывод, что во время гроз, наблюдаются вариации интенсивности электронно-фотонной компоненты, происхождение которых невозможно объяснить только трансформацией спектра вторичных частиц космических лучей в сильных грозовых полях. Необходима дополнительная генерация частиц. Важной характеристикой такой генерации является ее ограниченность областью энергий не превосходящих ~ 30 МэВ, а также экспоненциальный рост интенсивности. Механизм «циклической» генерации частиц в грозовых полях, способен объяснить наблюдаемые результаты. Процесс этот заключается в следующем.

Частицы, ускоряясь в поле, фокусируются по направлению своего движения вдоль него и излучают тормозные у - кванты. Если энергия фотона, превышает удвоенную энергию покоя электрона, становится вероятным процесс образования фотоном пары вторичных частиц: электрона и позитрона. Одна частица из пары, обладающая тем же знаком, что и первичная, продолжает ускоряться в поле. Другая - теряет энергию, под действием поля и тормозящей способности среды. Однако при этом возрастает роль многократного упругого рассеяния, которое, не меняя энергии частицы, случайным образом меняет ее угол. Становится возможным быстрая переориентировка движения частицы в сторону,

обратную первоначальному движению и, вовлечение ее в ускорительный процесс, аналогичный процессу ускорения первичной частицы. Эта новая частица, так же способна породить пару (е*) вторичных частиц. Та из них, имеющая знак первоначальной, в свою очередь, развернувшись и ускоряясь, в своем движении начинает повторять ее историю, тем самым, замыкая цикл. Таким образом, осуществляется бесконечная генерация частиц за счет энергии электрического поля. Этот процесс разворота в поле носит вероятностный характер. Но на масштабе грозовых ячеек (площадь ~ 10 км2, высота 4-5 км), ~ 109 таких частиц вторичного космического излучения ежесекундно попадают в область критического поля, так что статистика велика. Если в атмосфере имеется постоянное вертикальное поле, хо -вертикальная координата его центра, XI - координата конца и имеется вертикальная интенсивность частиц 1(е,1) с энергией, превышающей определенное критическое значение 8^(0), без потери скорости пересекающих в точке х0 единичную площадку ориентированную поперек поля. А Кф, хо, Х() - полная вероятность генерации частицей, прошедшей путь от точки х0 до Х|, античастицы способной к развороту с последующим ускорением до той же критической энергии б^с(О), в точке х0. Тогда в произвольный момент времени 1, в точке х0 этого поля, интенсивность, за счет вновь образованных частиц экспоненциально растет:

где х - среднее время одного цикла. Это выражение отражает главные моменты процесса, а именно, 1) экспоненциальный рост интенсивности генерированных частиц со временем, при этом в сложной зависимости от поля, 2) верхнее значение энергии генерированных частиц при их выходе из области поля определяется длиной хгх0 и напряженностью поля. Оно не содержит никаких ограничений на рост возмущения интенсивности.

Постоянная экспоненциального роста зависит от значения поля и его размера. Генерированный поток, полная, растущая со временем энергия которого, черпается из энергии электрического поля, ионизует среду. При этом медленные дельта-электроны, захватываются соседними атомами, образуя пары ионов. А релятивистские, становясь убегающими, быстро покидают зону ускоряющего действия поля, оставляя не скомпенсированным положительный заряд. Возникающие (атмосферные) токи пар ионов частично экранируют поле, до значения напряженности меньше критического, контролируя тем самым процесс генерации частиц. Так должно осуществляться ограничение сверху значения напряженности электрического поля в среде. Описанный механизм, ограничивая поле, приводит к образованию положительного макроскопического заряда в области существования предельных полей, что наблюдается в распределении зарядов в грозовых облаках. Он также не запрещает существования полей малых размеров с напряженностью значительно превосходящих критическое значение полей большей протяженности. Кроме того, его особенностью является экспоненциальный во времени рост числа энергичных частиц (~10 МэВ), в режиме, предшествующем установившемуся механизму стабилизации поля, что возможно в случаях быстрого формирования начального поля. Такие случаи наблюдаются в эксперименте (см. рис. 3, где можно видеть и участки экспоненциального роста и его естественное ограничение).

Задача количественного анализа предполагает определение значения критической энергии ЕбсФ), для возникновения процесса и Тп. Характерный размер для возникновения циклической генерации порядка радиационной единицы длины Поскольку процесс происходит на ультрарелятивистских энергиях, характерное значение среднего времени цикла х ~ Ус ~ 10"6 сек. Для наиболее ярких событий зарегистрированных 7.09.2000 и 11.10.2003

постоянная экспоненциального роста то = 10 сек. Тогда требуемая вероятность генерации цикла одной частицей, для обеспечения наблюдаемого роста К2 ~ т/то ~ 10"7, что является разумной величиной.

В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации.

В Приложении 1 приводятся результаты расчета спектров электронно-фотонной компоненты в нижних слоях атмосферы. Эти спектры сравниваются с другими экспериментальными данными пересчитанными к уровню наблюдения, чтобы обосновать использование этих спектров в качестве исходных при теоретической оценке эффектов трансформации спектров в главе 3.

Приложение 2 содержит небольшой альбом примеров конкретных событий возмущений фоновой интенсивности во время гроз.

В Приложении 3 описано решение методом последовательных приближений кинетического уравнения для распространения потока заряженных частиц в среде с регулярным электрическим полем.

Всего по теме диссертации автором опубликовано 11 печатных работ.

1. V.V. Alexeenko, N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, and V.B. Petkov, Transient Variations of Secondary Cosmic Rays due to Atmospheric Electric Field and Evidence for Pre-Lightning Particle Acceleration, Physics Letters A, 2002, vol. 301, issues 3-4, pp. 299-306.

2. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, and V.B. Petkov, Electric Field of Thunderclouds and Cosmic Rays: Evidence for Acceleration of Particles (Runaway Electrons), Atmospheric Research, vol. 76, issues 1-4, July-August 2005, pp. 346-354.

3. V.V. Alexeenko, N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Electric field

disturbances in the summer-time atmosphere and associated variations of CR intensity, Proc. 27й ICRC, Hamburg, August 7-15,2001, SH-250 {pp. 41614164).

4. В. В. Алексеенко, A.C. Лидванский, В .Б. Пенсов, Н.С. Хаердинов, О разных типах возрастаний интенсивности космических лучей перед разрядами молний, Известия РАН, сер. Физич., т. 66 (2002), № 11,15811584.

5. V.V. Alexecnko, N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, The influence of the atmospheric electric field disturbances on the intensity of secondary cosmic rays, in "Particles and Cosmology", Proc. of XI Intern. Baksan School, April 18-24,2001, Moscow, 2003, pp. 157-162.

6. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Effect of the Electric Field of Thunderclouds on Cosmic Rays and Evidence for Pre-lightning Acceleration of Electrons, Proc. of 12th Intern. Conf. on Atmospheric Electricity, Versailles, 913 June 2003, vol. 2, pp. 455-458.

7. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Yu.P. Surovetsky, and A.F. Yanin, Estimate of Distance to Lightning Events Associated with Cosmic Ray Enhancements during Thunderstorms, Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, July 31- August 7,2003, pp. 4165-4168.

8. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, and Yu.P. Surovetsky, Effect of the Disturbed Electric Field of the Atmosphere on Cosmic Rays: 1. Soft Component, Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, July 31- August 7,2003, pp. 4169-4172.

9. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, and Yu.P. Surovetsky, Effect of Lightning on the Soft Component of Cosmic Rays, Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, July 31 - August 7,2003, pp. 4185-4188.

10. A.C. Лидванский, В.Б. Петков, Н.С. Хаердинов, Влияние сильного электрического поля грозовых облаков на интенсивность вторичных космических лучей (убегающие электроны), 5 Российская конференция по атмосферному электричеству, Владимир, 21-26 сентября 2003 г., Сборник научных трудов, т. 1, стр. 195-198.

11. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Strong Enhancement of the Soft Component of Cosmic Rays during Thunderstorm: A Case Study and Implications, 29th Intern. Conf. on Cosmic Rays, Pune, August 3-10, 2005, vol. 2, pp. 393-396.

Ф-т 60x84/8. уч.-изд.л. 1,1 Зак. №21650 Тираж 100 экз. Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

AQOGb 2.G ЪаО

1- -263 i®

/

Введение.

Глава 1. Описание установки и методика измерений

§ 1. Геометрия установки и описание стандартного детектора.

§2. Особенности регистрации частиц в эксперименте.

§3. Блок-схема эксперимента.

§4. Эффективность регистрации частиц.

§5. Основной состав регистрируемых частиц.

§6. Диагностика и отбор данных.

§7. Корреляции интенсивности с давлением и температурой.

§8. Выделение собственных вариаций мягкой компоненты.

§9. Экранировка крышей.

§10. Измерение напряженности электрического поля.

§11. Измерение минимального расстояния до канала молнии.

Глава 2. Наблюдение вариаций вторичных космических лучей связанных с электрическими полями

§1. Примеры вариаций.

§2. Корреляции интенсивности с приземным электрическим полем

§3. Корреляционный анализ с учетом периодов активной фазы грозы.

§ 4. Измерение характерного расстояния до канала молнии.

§ 5. Примеры ярких возрастаний и их природа

Глава 3. Интерпретация экспериментальных данных

Л §1. Теоретическая оценка влияния электрического поля атмосферы на интенсивность мягкой компоненты.

§2. Сравнение эксперимента с расчетом. Случай слабого поля. ф

§3. Сравнение эксперимента с расчетом. Случай сильного поля.

§ 4. Циклическая генерация убегающих частиц (е*).

Вопрос о влиянии электрического поля в атмосфере на интенсивность космических лучей имеет давнюю историю. Еще в 1924 году, Ч. Вильсон [1, 2] впервые показал возможность ускорения электронов электрическим полем грозовых облаков. В этих работах он обратил внимание на то, что сильное электрическое поле грозовых облаков может быть достаточным, чтобы скомпенсировать ионизационные потери энергии частиц. При этом воздух нижней атмосферы, содержащий радионуклиды естественной природы рассматривался им как возможный источник электронов для процесса ускорения. Вильсон отметил, что весьма интересна прямая проверка, являются ли грозовые облака источниками Р и у радиации.

В настоящее время идея ускорения электронов получила развитие в работах А. В. Гуревича и др. [3-6] в форме т.н. теории пробоя на убегающих электронах. В этих работах в деталях рассматривается теория ускорительного процесса и лавинного размножения вторичных электронов в атмосфере и рентгеновское излучение, производимое ими [7], а также стимулирование вспышек молний по каналам широких атмосферных ливней [8]. В работе [9] приводится широкий обзор работ проведенных в этой области. В работе [10] теория развития лавин была дополнена учетом случайного распределения электрических полей. Основным параметром теории является минимальное значение тормозных потерь частицы при движении в среде. При движении частицы в поле, компенсирующая эти потери напряженность называется критической. Характерное свойство процессов - их короткие времена существования, порядка миллисекунды, определяемые пробоем на релятивистских скоростях. На рис. 1 приводятся некоторые экспериментальные результаты из обсуждаемых в работе [11], где показано распределение электрических полей и разрядов молний в атмосфере. На графиках хорошо заметна ограничивающая функция критического значения напряженности. Нужно заметить, что она на порядок меньше напряженности для обычного искрового разряда, и соответствует 218 кВ/м, для воздуха при нормальных условиях. Основные черты теории нашли подтверждение в ряде работ, где математическое моделирование эффектов ускорения частиц в атмосфере проводилось методом Монте-Карло [12-14]. Правда, в [13] указывается на некоторое расхождение в скорости образования лавин, увеличивающееся при уменьшении поля. А в [14] прямо указывается, что значения пороговой напряженности поля для массового ускорения частиц, полученные методом Монте-Карло, на 25% выше, чем принятое в теории значение. Кроме того, в этой работе отмечается возможность образования обратной связи в развитии лавин через рождение электронно-позитронных пар при осуществлении ускорения частиц в поле. Этот эффект должен порождать экспоненциальный рост со временем числа ускоренных электронов в области сильного поля, приводя к макроскопической ионизации воздуха. Как следствие, он ограничивает максимальную напряженность поля.

Что касается экспериментальных наблюдений вариаций интенсивности радиации во время гроз то они сильно осложнены электромагнитными помехами в приборах на фоне сложных, быстро меняющихся климатических условий. Кроме того, электрическое поле оказывает влияние на интенсивность заряженных частиц на всем протяжении их пути, то есть практически по всей глубине атмосферы. Чрезвычайно сложно получить данные о вертикальном профиле напряженности поля во время грозы. Поэтому экспериментальных данных в этой области исследований мало и те, что есть, часто противоречивы, хотя первые попытки экспериментального обнаружения эффекта предсказанного Вильсоном были предприняты вскоре после публикации его работ. Довольно значительный список экспериментов выполненных с этой целью в период 1930-1950 гг приводится в работе [15]. Хронологию и основные особенности наблюдаемых результатов демонстрируют данные из следующей таблицы.

Максимальная Измерение

Автор. Год публикации Прибор амплитуда возмущений электрич. поля

• Шонланд [1930][16] Ионизац. камера -20% есть

Штейнмейер [1935][17] Ионизац. камера +0.8% пет

Клэй и др. [1952][18] Ионизац. счетчики +4% есть

Фазини и др. [1968][20] Сцинтилляционный телескоп -1% нет » Алексеенко и др.[1985] Сцинтилляционный -1%

19,21] детектор

Альетта и др. [1999][22] Сцинтилляционный детектор +5% нет

Чубепко и др. [2000][23] Счетчики Гейгера +3.5% нет

• Дорман и др. [2001] [24] Нейтронный монитор -1% есть

Таками и др. [2001] [25] Сцинтилляционный детектор +1% нет

Алексеенко и др.[2002] [26] Сцинтилляционный детектор -1% (ц) +20% (у,±е) есть

Отдельно надо выделить баллонные измерения, проведенные непосредственно в грозовых облаках [27], и наземные эксперименты [28-30], связанные с регистрацией рентгеновского излучения от искусственно привлеченных молний с помощью ракет. В них были получены указания на Щ наличие рентгеновского излучения, свидетельствующее о существовании кратковременного и мощного ускорения частиц, интерпретируемого как пробой на убегающих электронах. Ключевым моментом теории такого пробоя является участие космических лучей в этом механизме в качестве затравочных частиц. В то же время сильное электрическое поле облаков должно оказывать влияние на вторичные космические лучи, в силу их зарядовой асимметрии, и вызывать наблюдаемые вариации. Но, как видно из таблицы, наряду с возрастанием, заметны факты уменьшения интенсивности. ® В тех редких случаях, когда измерения радиации во время гроз сопровождалось измерением атмосферного приземного поля, определенной статистически значимой корреляции не наблюдалось. Бросается в глаза даже знаковая неопределенность зарегистрированных эффектов. Важным событием в этой области явилось обнаружение и объяснение вариаций мюонов под действием поля [21]. Характерная особенность этих вариаций состоит в том, что механизм их, в основном, определяется распадом мюонов и приводит, как правило, к уменьшению общей интенсивности в нижних слоях атмосферы. Характерно и то, что вариации мюонной компоненты определяются действием поля по всей глубине атмосферы, что делает их сложными для количественного анализа, но дает возможность зондирования грозовой атмосферы. Этот факт продолжает стимулировать теоретические исследования в этой области [31-33]. В некоторых экспериментах регистрирующих мюоны отмечают эпизоды значительного возрастания интенсивности, необъяснимые в рамках модели мюонного механизма [21]. В теоретической работе [34], указывается на возможность увеличения потока мюонов до 10-25%, на основании вывода о преимущественном вкладе трансформации спектра мюонов в сравнении с распадом. К такому же результату (преимущественное увеличение потока мюонов) пришли авторы работы [35] на основании расчетов выполненных методом математического моделирования. Таким образом, разброс в экспериментальных результатах приводит к произвольной интерпретации. Требуются дополнительные факторы, свидетельствующие о надежности работы аппаратуры при регистрации частиц во время гроз. Важным становится поиск корректных методов экспериментального исследования таких вариаций. Настоящая работа посвящена комплексному изучению возмущений интенсивности космических лучей регистрируемых на установке "Ковёр-2" Баксанской нейтринной обсерватории, с использованием оригинальных методов. Основные результаты этой работы доложены на российских и международных конференциях и опубликованы в работах [26, 37-47].

30 May 1982 82150 Tattle, OK

10 « 5 в с

200 -100 0 100 ZOO KUttrU field (kV m'1)

28 May 1987 87148 Elmore City, OK W

200 >100 0 <00 200 Electric Field (kV m1)

5 June 1991 91156 Wayne, OK

16 14 12 10 a

6 •» 2 0

-200

-100 0 100 200 Electric Field fkV ffl'1)

4 June 1984 84156 Ada, OK a E

-200 -100 О 100 200 Ehcirk Field (kV ni ')

18 June 1987 87168.2 Ilinton, OK

-a £

-200 «100 О 100 200 Electric Field (kV m1)

17 July 1992 92199 Langmuir Lab, NM

200 -100 0 100 200 Ctectrle Field (kV m1) E

5 June 1984 84157 Chickasba, OK

-ZOO -100 0 100 £]«clrle field (kV m'1)

30 May 1988 88151 Dalh&rt, ГХ

200

•200 -100 0 -100 Electric Field,(kV In')

19 July 1992 92201 Langmuir Lab, 12 r--г

200

-200 -100 О 100 Electric Field (kViVn1)

200

Рис.1. Примеры распределения вертикальной составляющей электрического поля в грозовых облаках. Стрелками отмечены моменты регистрации молний. Данные эксперимента [11] выполненного на баллонах.

Целью работы является экспериментальное исследование вариаций электронно-фотонной компоненты вторичных частиц космического излучения во время гроз, а также анализ механизмов влияния электрического поля на динамику космических лучей в грозовой атмосфере.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения и трех приложений. Во введении дан краткий обзор литературы и сформулированы цели исследования.

В первой главе подробно описывается методика эксперимента, дается описание установки и детекторов, методов диагностики и отбора данных. Анализируется состав регистрируемых частиц, изложен метод выделения мягкой компоненты. Подробно описан метод измерения электрического поля и акустическая система определения минимального расстояния до канала молнии.

Во второй главе приводятся результаты эксперимента. Даются примеры грозовых событий и получены корреляционные соотношения между величиной приземного электрического поля и отклонением поправленной интенсивности мягкой компоненты от ее средней величины. Исследована зависимость этой корреляции от молниевой активности (близости к активной фазе грозы).

Третья глава целиком посвящена интерпретации экспериментальных данных. Теоретически рассматривается задача распространения потока заряженных частиц в регулярном электрическом поле и оценивается максимально возможный эффект изменения интенсивности вследствие трансформации спектров этих частиц. Показано, что экспериментально наблюдаемые возрастания интенсивности значительно превышают эти оценки и, следовательно, требуют дополнительной генерации частиц грозовыми облаками. Предложена модель такой генерации, в которой экспоненциальный рост интенсивности возникает вследствие положительной обратной связи создаваемой процессами рождения электрон-позитронных пар и многократного кулоновского рассеяния.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. В Приложении 1 приводятся расчетные и экспериментальные данные о спектрах заряженных частиц в глубине атмосферы. Приложение 2 представляет собой небольшой альбом из примеров реальных грозовых событий. В Приложении 3 описан способ решения кинетического уравнения использованный в теоретическом рассмотрении главы 3.

Актуальность темы определяется как интересами понимания физики фундаментальных атмосферных явлений, так и острой практической необходимостью такого понимания для предсказания экстремальных проявлений стихии и защиты от их разрушительного действия.

Научная новизна работы заключается в том, что

1. Разработан корректный метод исследования вариаций интенсивности частиц, регистрируемых сцинтилляционным детектором во время гроз. Суть этого метода заключается в выделении мягкой компоненты и изучении ее корреляций с электрическим полем, измеряемым вблизи земли.

2. Ожидаемый эффект корреляции интенсивности мягкой компоненты с измеряемым локальным полем оценен теоретически. Экспериментальная корреляция исследована в зависимости от удаленности от момента молниевой активности. Форма корреляционной кривой интерпретирована как прямое доказательство существования убегающих электронов.

3. Экспериментально зарегистрированы значительные возрастания интенсивности мягкой компоненты, связанные с молниевой активностью, которые в некоторых случаях имеют ярко выраженный экспоненциальный участок. Показано, что эти события не связаны с приземным полем и для их объяснения недостаточно эффектов трансформации спектров заряженных частиц в электрическом поле и требуется некоторый процесс генерации частиц грозовыми облаками.

4. Предложена модель такой генерации, основанная на положительной обратной связи, которая возникает при рождении и распространении электрон-позитронных пар в среде с регулярным электрическим полем.

Научная и практическая ценность работы

1. Развит метод исследования вариаций интенсивности вторичных частиц космических лучей сцинтилляционным детектором в зависимости от электрического поля атмосферы.

2. Измеренные коэффициенты регрессии для электронно-фотонной компоненты из состава вторичных частиц космического излучения позволяют тестировать теории движения частиц в грозовой атмосфере.

3. Зарегистрированы яркие события экспоненциального роста со временем интенсивности частиц с энергией более 10 МэВ во время гроз. Этот факт важен для дальнейшего развития теории пробоя на убегающих электронах, где эти частицы выступают в роли затравочных.

4. Развит метод определения произвольно меняющейся во времени напряженности электрического поля, во время грозы с защитой от помех, вызываемых дождем. Определяемая напряженность, в результате корректной сшивки измерений двух типов датчиков с принципиально разной частотной характеристикой, вращательного (флюксметра) и индукционного, пригодна для использования в прямой корреляции с различными физическими параметрами в широкой полосе частот.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Существуют вариации интенсивности электронно-фотонной компоненты, обусловленные влиянием атмосферного электрического поля. В области значений ±10 кВ/м вариации носят локальный характер. При этом, зависимость от напряженности, хорошо описывается полиномом второй степени с отрицательным линейным и положительным квадратичным, по полю, коэффициентами.

2. В периоды близкой (несколько километров от пункта регистрации) молниевой активности грозы, регулярно регистрируются возмущения электронно-фотонной компоненты с энергией превышающей 10 МэВ, не коррелирующие с приземным полем. Эти возмущения напрямую связаны с сильными полями в грозовых облаках.

3. Зарегистрированы яркие случаи быстрого (~ 10 сек) экспоненциального роста интенсивности мягкой компоненты, которые либо обрываются в момент разряда молнии, либо после замедления роста достигают естественного максимума с последующим плавным спадом.

4. В рамках решения кинетического уравнения в линейном приближении аналитически получена оценка трансформации электрон-позитронного спектра частиц космических лучей в электрическом поле атмосферы. Для случая трансформации приземным полем, решение удовлетворительно описывает наблюдаемые результаты. Сильные возмущения интенсивности не могут быть описаны трансформацией спектра.

5. Предложена модель механизма генерации частиц грозовыми облаками, в которой экспоненциальный рост интенсивности обусловлен обратной связью, возникающей при рождении и распространении электрон-позитронных пар в среде с сильным электрическим полем.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на 27 и 28 Всероссийских конференциях по космическим лучам (Москва, 2002 и 2004 гг), на 27 (Гамбург, 2001 г), 28 (Цукуба, 2003 г) и 29 (Пуне, 2005 г)

Международных конференциях по космическим лучам, на 18 Европейском симпозиуме по космическим лучам (Москва, 2002 г), на 12 международной конференции по атмосферному электричеству (Версаль, 2003 г), на 6 международной конференции по физике молний (Гваделупа, 2004 г), на 5 Российской конференции по атмосферному электричеству (Владимир, 2003 г) и на 1 и 2 ежегодных конференциях Общества наук о Земле Азии и Океании (Сингапур, 2004 и 2005 гг, приглашенные доклады). Кроме того, доклады по теме диссертации были сделаны на 10 и 12 Баксанских школах «Частицы и космология» (2001 и 2005 гг) и на семинарах в ИЯИ РАН, НИИЯФ МГУ, ВГИ, и БНО ИЯИ РАН.

По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в следующих работах:

1. V.V. Alexeenko, N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, and V.B. Petkov, Transient Variations of Secondary Cosmic Rays due to Atmospheric Electric Field and Evidence for Pre-Lightning Particle Acceleration, Physics Letters A, 2002, vol. 301, issues 3-4, pp. 299-306.

2. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, and V.B. Petkov, Electric Field of Thunderclouds and Cosmic Rays: Evidence for Acceleration of Particles (Runaway Electrons), Atmospheric Research, vol. 76, issues 1-4, July-August 2005, pp. 346-354.

3. V.V. Alexeenko, N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Electric field disturbances in the summer-time atmosphere and associated variations of CR intensity, Proc. 27th ICRC, Hamburg, August 7-15, 2001, SH-250 (pp. 41614164).

4. В. В. Алексеенко, A.C. Лидванский, В.Б. Петков, H.C. Хаердинов, О разных типах возрастаний интенсивности космических лучей перед разрядами молний, Известия РАН, сер. физич., т. 66 (2002), № 11, 15811584.

5. V.V. Alexeenko, N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, The influence of the atmospheric electric field disturbances on the intensity of secondary cosmic rays, in "Particles and Cosmology", Proc. of XI Intern.Baksan School, April 18-24, 2001, Moscow, 2003, pp. 157-162.

6. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Effect of the Electric Field of Thunderclouds on Cosmic Rays and Evidence for Pre-lightning Acceleration of Electrons, Proc. of 12th Intern. Conf. on Atmospheric Electricity, Versailles, 913 June 2003, vol. 2, pp. 455-458.

7. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Yu.P. Surovetsky, and A.F. Yanin, Estimate of Distance to Lightning Events Associated with Cosmic Ray

Enhancements during Thunderstorms, Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, July 31- August 7, 2003, pp. 4165-4168.

8. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, and Yu.P. Surovetsky, Effect of the Disturbed Electric Field of the Atmosphere on Cosmic Rays: 1. Soft Component, Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, July 31- August 7, 2003, pp. 4169-4172.

9. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, and Yu.P. Surovetsky, Effect of th

Lightning on the Soft Component of Cosmic Rays, Proc. 28 ICRC, Tsukuba, Japan, July 31- August 7, 2003, pp. 4185-4188.

10. A.C. Лидванский, В.Б. Петков, H.C. Хаердинов, Влияние сильного электрического поля грозовых облаков на интенсивность вторичных космических лучей (убегающие электроны), 5 Российская конференция по атмосферному электричеству, Владимир, 21-26 сентября 2003 г., Сборник научных трудов, т. 1,стр. 195-198.

11. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Strong Enhancement of the

Soft Component of Cosmic Rays during Thunderstorm: A Case Study and th

Implications, 29 Intern. Conf. on Cosmic Rays, Pune, August 3-10, 2005, vol. 2, pp. 393-396.

Заключение

1. Wilson С.Т., The acceleration of P-particles in strong electric fields such as those of thunderclouds, Proc. Camb. Phil. Soc., v. 22, p. 534-538, 1925.

2. Wilson C.T.R., The electric field of a thundercloud and some of its effects, Proc. Phys. Soc. Lond., v. 37 part 2, p. 32D-37D, 1925.

3. Гуревич A.B., К теории эффекта убегающих электронов. ЖЭТФ, т. 39, сс. 1296-1307, 1960.

4. Gurevich A.V., Milikh G.M., and Russel-Dupre R.A., Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm, Phys. Lett., A165, p. 463-468,1992.

5. Roussel-Dupre R.A., Gurevich A.V., Tunnell Т., and Milikh G.M., Kinetic theory of runaway air breakdown, Phys. Rev. E, 49, p. 2257-2271, 1994.

6. Gurevich A.V., Carlson H.C., Medvedev Yu.V., Zybin K.P., Generation of electron-positron pairs in runaway breakdown, Phys. Lett., A275, p. 101-108, 2000.

7. Gurevich A.V., Milikh G.M., Generation of X-rays due to multiple runaway breakdown inside thunderclouds, Phys. Lett., A262, p. 457-463, 1999.

8. Gurevich A.V., Zybin K.P., Roussel-Dupre R.A., Lightning initiation by simultaneous effect of runaway breakdown and cosmic ray, Phys. Lett., A254, p. 79-87, 1999.

9. Гуревич A.B., Зыбин К.П., Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы, УФН, т. 171, № И, стр. 1177-1199, 2001.

10. Trakhtengerts V.Y., Iudin D.I., Kulchitsky A.V., and Hayakawa M., Kinetics of runaway electrons in a stochastic electric field, Physics of Plasmas, vol. 9, no. 6, p. 2762-2766,2002.

11. Marshal T.C., McCarthy M.P., Rust W.D., Electric field magnitudes and lightning initiation in thunderstorms, J. Geophys. Res., v. 100, № D4, p. 7097, 1995.

12. Lehtinen N.G., Bell T.F., and Inan U.S., Monte Carlo Simulation of Runaway MeV Electron Breakdown with Application to Red Sprites and Terrestrial Gamma Ray Flashes, J. of Geophys. Res., vol. 104, no. A11, p. 24,699-24,712, November 1, 1999.

13. Babich L.P., Donskoy E.N., Kutsik I.M., Kudryavtsev A.Yu., Roussel-Dupre , R.A., Shamraev B.N., and Symbalisty E.M.D., Comparison of Relativistic

14. Runaway electron avalanche rates obtained from Monte Carlo Simulations and

15. Kinetic Equation Solution, IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 29, no. 3, p. 430-438, 2001.

16. Dwyer J. R., A fundamental limit on electric fields in air, Geophys. Res. Lett., vol. 30, no. 20, 2055,2003.

17. Lidvansky A.S., The Effect of the Electric Field of the Atmosphere on Cosmic

18. Rays, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., v. 29, p. 925-937, 2003.

19. Schonland B.F.J., Thunderstorms and the penetrating radiation, Proc. Roy. ^ Soc. A., v. 130 p. 37-63,1930.

20. Steinmaurer R., Messungen der kosmischen vetrastrahlung in Innsbruck (590 m) und auf dem Hafelekar (2300m) im Jahre 1934, Gerland's Beitrage zur Geophysik., v. 45, p. 148-183, 1935.

21. Clay J., Jongen H.F. and Aarts A.J.J. Hight energy electrons produced in a thunderstorm, Physica, v. 18, p. 801-808, 1952 .

22. Alexeyenko, V.V., Chudakov, A.E., Sborshikov, V.G., and Tizengauzen, V.A.,

23. Short perturbations of cosmic ray intensity and electric field in atmosphere, Proc. 19th ICRC, La Jolla, vol. 5, p. 352-355, 1985.

24. Fazzini M. C. Galli M. Guidi I. and Randi P., Observation on cosmic-ray variations during cold-front perturbations, Can. J. of Physics, v. 46 p. 10731077, 1968.

25. Alexeyenko, V.V., Chudakov, A.E., Sborshikov, V.G., and Tizengauzen, V.A.,

26. Short perturbations of cosmic ray intensity and electric field in atmosphere, Proc. 19th ICRC, La Jolla, vol. 5, p. 352-355, 1985.

27. Aglietta M., Alessandro В, Antonioli P. et al., Gamma-rays and ionizing component during thunderstorms at Gran Sasso, Proc. 26th ICRC, vol. 3, p. 351, 1999.

28. Chubenko A.P., Antonova V.P., Kryukov S. Yu., et al., Intensive X-ray emission bursts during thunderstorms, Phys. Lett., A275, p. 90-100, 2000.

29. Dorman L.I., Dorman I.V., Iucci N. et al., Atmospheric electric field effect in different neutron multiplicities according to Emilio Segre's Observatory one minute data, Proc. 27th ICRC, vol., p., 2001.

30. Takami Т., Muraki Y. Matsubara Y. et al., Particle Acceleration in Thunderstorms, Proc. 27th ICRC, vol., p., 2001.

31. Alexeenko, V.V., Khaerdinov, N.S., Lidvansky, A.S., and Petkov, V.B., Transient Variations of Secondary Cosmic Rays due to Atmospheric Electric Field and Evidence for Pre-Lightning Particle Acceleration, Phys. Lett., A301, 299-306,2002.

32. Eack K.B., Beasley W.H., Rust W.D., Marshall, T.C., and Slotzenburg M., X-ray pulses observed above a mesoscale convective system, Geophys. Res. Lett., 23,1996, pp. 2915-2918.

33. Dwyer J.R., Uman M.A., Rassoul H.K., et al., Energetic Radiation Produced by Rocket-Triggered Lightning, Science, 299, 694-697, 2003.

34. Dwyer J.R., Rassoul H.K., Al-Dayeh M.A. et al., Measurements of x-ray emission from rocket-triggered lightning, Geophys. Res. Lett., vol. 31, no. 5, L05118, 2004.

35. Dwyer J.R., Rassoul H.K., Al- Dayeh M.l et al., A ground level gamma-ray burst observed in association with rocket-triggered lightning, Geophys. Res. Lett., vol. 31, no. 5, L05119,2004.

36. Alexeenko, V.V., Chernyaev, A.B., Chudakov, A.E., Khaerdinov, N.S., Ozrokov, S.Kh., and Sborshikov, V.G. Short perturbations of cosmic ray intensity and electric field in atmosphere, Proc. 20 ICRC, Moscow, 1987, vol. 4, pp. 272-275.

37. Dorman L.I., Dorman I.V., On the Theory of Atmospheric Electric Field Effect in Cosmic Ray Muon Component, Proc. 24th ICRC, vol. 4, pp. 11601163, 1995.

38. Dorman L.I., Dorman I.V., Iucci N. et al., On the Possibility of Atmospheric Electric Field Effect in Cosmic Ray Neutron Component, Proc. 24th ICRC, vol. 4, pp. 1164-1167, 1995.

39. Dorman L.I., Dorman I.V., Iucci N. et al., Expected time-variations of neutron monitor counting rate caused by CR particle energy change in the periods of thunderstorms, Proc. 25th ICRC, vol. 7, pp. 349-352, 1997.

40. Миронычев П.В., Космические мюоны в грозовых электрических полях, Геомагнетизм и Аэрономия, т. 43, № 5, стр. 702-707, 2003.

41. Y. Muraki, W.I. Axford, Y. Matsubara, et al., Effects of atmospheric electric fields on cosmic rays, Phys. Rev. D, 69, 123010 (2004).

42. V.V. Alexeenko, N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, Electric field disturbances in the summer-time atmosphere and associated variations of CR intensity, Proc. 27th ICRC, Hamburg, August 7-15, 2001, SH-250 (pp. 41614164).

43. Алексеенко B.B., Лидванский A.C., Петков В.Б., Хаердинов Н.С., О разных типах возрастаний космических лучей перед разрядами молний, Изв. РАН, сер. физ., 2002, № 11, сс. 1581-1584.

44. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov, and Yu.P. Surovetsky, Effect of the Disturbed Electric Field of the Atmosphere on Cosmic Rays: 1. Soft Component, Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, July 31- August 7, 2003, pp. 4169-4172.

45. Khaerdinov, N.S., Lidvansky, A.S., Petkov, V.B., and Surovetsky, Yu.P., The effect of lightning on the intensity of the soft component of cosmic rays, Proc. 28th Intern. Cosm. Ray Conf., Tsukuba, Japan, July 31- August 7, 2003, pp. 4185-4188.

46. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, and V.B. Petkov, Effect of the Disturbed Electric Field of the Atmosphere on Cosmic Rays: 2. Hard Component, Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, July 31- August 7, 2003, pp. 4173-4176.

47. N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, and V.B. Petkov, Electric Field of Thunderclouds and Cosmic Rays: Evidence for Acceleration of Particles (Runaway Electrons), Atmospheric Research, vol. 76, issues 1-4, July-August 2005, pp. 346-354.

48. А.С. Лидванский, В.Б. Петков, Н.С. Хаердинов, Вариации интенсивности мюонов космических лучей вызванные грозовыми электрическими полями, Изв. РАН, сер. физ., 2004, т. 68, № 11, стр. 1605-1607.

49. Алексеев Е.Н., 400-канальная сцинтилляционная установка для исследования центральной части ШАЛ. Диссертация канд. физ.-мат. наук, НИИЯФ МГУ, 1978.

50. Воеводский А.В., Применение жидкостных сцинтилляционных детекторов большой площади для измерения интенсивности космических лучей. Диссертация канд. физ.-мат. наук, ИЛИ АН СССР, 1974.

51. Воеводский А.В., Дадыкин В.Л., Ряжская О.Г., Жидкие сцинтилляторы для больших сцинтилляционных счетчиков. ПТЭ, №1, стр. 85-87, 1970.

52. Козяривский В.А., Исследование фона от естественной радиоактивности грунта большим сцинтилляционным счетчиком. Влияние магнитного поля Земли на коэффициент усиления ФЭУ. Дипломная работа МИФИ, 1969.

53. Алексеенко В.В., Измерение анизотропии космических лучей с энергией 1013 эВ. Диссертация канд. физ.-мат. наук, ИЛИ АН СССР, 1988.

54. Михеев С.П., Регистрация потока мюонов от нейтрино космических лучей методом измерения времени пролета. Диссертация канд. физ.-мат. наук, ИЛИ АН СССР, 1982.

55. Яносси Л., Космические лучи, М., Иностранная литература, стр.168-169, 1984.

56. Локк В., Миздей Д., Физика частиц промежуточных энергий, стр. 222223, 1984.

57. Хилльер. Л, Гамма астрономия. М., Мир, 1987.

58. Ивченко Г.И., Медведев Ю.И., Математическая статистика. М., Высшая школа, 1984.

59. Болыпев JI.H., Смирнов Н.В., Таблицы математической статистики. М., Наука, 1983.

60. Дорман Л.И., Вариации космических лучей и исследование космоса. М., Академия наук СССР, 1963.

61. Яноши JL, Теория и практика обработки результатов измерений, М., Мир, 1968.

62. Barker Paul R., Cosmic-Ray Electrons Near Sea Level and at Mountain Altitudes, Phys. Rev., 100, p. 860-869, 1955.

63. Мурзин B.C., Введение в физику космических лучей, М., Атомиздат, стр. 352-354,1979.

64. Хаякава С., Физика космических лучей, М., Мир. 1974.

65. Хргиан А.Х., Физика атмосферы, М., МГУ, 1986.

66. Дорман JL И., Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей, М., Наука, 1975.

67. Marshall Т.С., Stolzenburg М., Maggio C.R., Coleman L.M., Krehbiel P.R., Hamlin Т., Thomas R.J., Rison W., Observed electric fields associated with lightning initiation, Geophys. Res. Lett., 2005, vol. 32, no. 20, 2055.

68. Беляев А. А., Иваненко И. П. Каневский Б. JL и др., Электронно-фотонные каскады в космических лучах при сверхвысоких энергиях, М., Наука, 1980.

69. Зацепин Г.Т., Кузьмин В.А., Угловые распределения ц-мезонов высокой энергии в атмосфере и механизм их генерации, ЖЭТФ, т. 39, вып. 6 (12), стр. 1677, 1960.

70. Brancus I.M., Vulpescu В., Wentz J., et al. The charge ratio of cosmic ray muons, Proc. Workshop ANI-98, Mt. Aragats, Armenia, Eds. A.A. Chilingaryan, H. Rebel, and M. Roth, 1998.

71. Circella M., Ambriola M.I., Barbiellini G., et al., A new measurement of the muon component in the atmosphere, Proc. 26th ICRC, Salt Lake City, 1999, vol. 2, pp. 72-75.