Исследование вариаций космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли с помощью наземного широкоапертурного мюонного годоскопа

Борог, Владимир Викторович

Исследование вариаций космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли с помощью наземного широкоапертурного мюонного годоскопа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Борог, Владимир Викторович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.16 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование вариаций космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли с помощью наземного широкоапертурного мюонного годоскопа»

Автореферат диссертации на тему "Исследование вариаций космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли с помощью наземного широкоапертурного мюонного годоскопа"

ВОРОГ Владимир Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ГЕЛИОСФЕРЕ, МАГНИТОСФЕРЕ И АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ НАЗЕМНОГО ШИРОКОАПЕРТУРНОГО МЮОННОГО ГОДОСКОПА

01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

БОРОГ Владимир Викторович

01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете).

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Веселовский Игорь Станиславович, НИИЯФ МГУ, г. Москва

доктор физико-математических наук, профессор

Гальпер Аркадий Моисеевич, МИФИ, г. Москва

доктор физико-математических наук, профессор

Стожков Юрий Иванович, ФИАН, г. Москва

Ведущая организация: Институт земного магнетизма,

ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук, г. Троицк

Защита состоится «20» декабря 2006 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.130.07 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, дом 31, телефон 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан «17» ноября 2006 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного с о _________

доктор физико-математических наук С^—— профессор -—'" В.В.Дмитренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Космические лучи галактического (ГКЛ) и солнечного (СКЛ) происхождения успешно используются в качестве зонда, который несет информацию как о физических явлениях в самих источниках излучения, так и о процессах в среде, через которую они проникают.

Особая роль отводится высокоэнергичным заряженным протонам, представляющим собой основную долю КЛ. При этом интенсивность протонов СКЛ связана с высокоэнергичной импульсной активностью Солнца, а вариации и анизотропия ГКЛ указывают на динамическое состояние межпланетного магнитного поля. В целом, поток ГКЛ (Е > 10 ГэВ) в условиях спокойного Солнца практически изотропен по всей гелиосфере. Эта особенность ГКЛ, с учетом метеозависимости интенсивности вторичных проникающих мюонов, образующихся в результате взаимодействий КЛ с атомами воздуха (на высотах 10-20 км), позволяет также изучать поведение термодинамического поля атмосферы Земли. Таким образом, характеристики потока мюонов, регистрируемого на уровне Земли, являются эффективным индикатором, данным самой природой, динамики различных пространственно удаленных процессов в окружающей среде, включающей Солнце, гелиосферу, магнитосферу и атмосферу Земли.

На протяжении полувека большой круг физических явлений изучается с помощью разветвленной мировой сети автономных нейтронных мониторов. Исследован ряд важных закономерностей по физике Солнца, вариациям КЛ, связанным с крупномасштабными возмущениями в магнитосфере и магнитном поле Земли. Нейтронные мониторы язляются приборами интегрального типа, их пространственное разрешение определяется лишь светосилой, а результаты относятся к потоку КЛ с невысокой средней энергией (1-10 ГэВ). Действующие мюонные телескопы дают информацию, которая соответствует ГКЛ со средней энергией около 50 ГэВ, и позволяют детальнее изучать их вариации. Телескопы с крупной мозаичной структурой регистрируют КЛ из небольшого числа (4 — 20) пространственных направлений с угловым разрешением 20 - 30 градусов.

Однако детекторы такого типа имеют принципиальный недостаток — низкое угловое разрешение, что ограничивает круг задач, связанных с исследованием структуры и динамики ряда процессов и явлений в окружающей среде.

Эти трудности преодолеваются применением установок нового поколения — мюонных годоскопов, обладающих широкой апертурой и высоким угловым разрешением (1—2 градуса), способных в непрерывном режиме регистрировать пространственный поток КЛ в виде двумерных матриц. Одной из первых установок такого типа явился многоканальный сцинтилляционный мюонный годоскоп МИФИ, созданный по инициативе автора данной работы.

Цель работы

Целью диссертационной работы являлось обоснование и развитие нового направления в изучении различных высокоэнергетических процессов в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли и получение качественно новой информации об их пространственно-временной динамике на основе анализа временных рядов двумерных "снимков-матриц" интенсивности космического излучения с нескольких тысяч направлений, которое одновременно и непрерывно регистрируется с помощью широкоапертурного наземного мюонного годоскопа высокой грануляции.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработка и создание установки нового типа с высоким пространственно-временным разрешением.

2. Проведение серии продолжительных экспериментов по набору статистики с помощью созданного мюонного годоскопа.

3. Изучение связи пространственно-временных вариаций потока мюонов КЛ с высокоэнергетичными динамическими процессами в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли.

Научная новизна

Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие основные результаты:

1. Впервые для регистрации высокоэнергетических процессов солнечно-земной физики использован широкоапертурный наземный поворотный мюонный годоскоп с высоким пространственно-временным разрешением (1-2 градуса, временной интервал - I мин). В 1996 году решением Минобрнауки "Мюонный годоскоп" был внесен в "Перечень уникальных научно-исследовательских и экспериментальных установок национальной значимости" (per. номер 06-11).

2. Впервые создана база данных в виде последовательности одноминутных двумерных матриц (64x64 ячейки) интенсивности мюонов с 4096 различных пространственных направлений (апрель 1998 — декабрь 2001 гг). Данные относятся к средней энергии ГКЛ около 60 ГэВ. Суточное вращение Земли обеспечивает

* панорамность данных в растворе углов около 120 градусов.

3. Разработана и апробирована методика отдаленной идентификации корональных выбросов вещества (КВВ), которые распространяются в ММП, по приобретенной модуляции потока ГКЛ, проникающего через возмущенную область магнитного поля.

4. Впервые на космофизической установке (типа годоскоп) под большим зенитным углом (0 » 60°) зарегистрирован всплеск интенсивности мюонов (на уровне 4,6 среднеквадратичной ошибки) в узком растворе углов во время СПС 14.07.2000 г. (день Бастилии, UT 10:30). Продолжительность всплеска составила 3 минуты.

5. Впервые по матричным данным интенсивности мюонов зарегистрирована "тень" Луны в эффекте экранирования потока ГКЛ диском Луны . при умеренных энергиях (~ 30 ГэВ), когда отклоняющим действием магнитного поля Земли нельзя пренебречь.

6. Впервые по вариациям угловой интенсивности мюонов дифференциально измерены колебания температуры вертикального разреза атмосферы в широком диапазоне высот (на девяти уровнях - от 900 до 100 мб) в течение продолжительного отрезка времени.

Практическая значимость

Г. Действующий 512-канальный поворотный мюонный годоскоп, состоящий из узких и протяженных сцинтилдяционных счетчиков, сгруппированных в две пары координатных плоскостей (X-Y) вместе с регистрирующей препроцессорной электроникой на основе ПЛИС-технологии, показал себя надежным и стабильным прибором при продолжительной эксплуатации и может быть рекомендован в качестве основы типового прибора при создании мировой сети мюонных годоскопов нового поколения для проведения комплексных online исследований в области КЛ и солнечно-земной физики.

2. Предложенный и апробированный способ накопления и хранения данных о дифференциальном угловом распределении потока космических лучей в виде двумерных снимков-матриц может быть использован (и уже примененяется) в других мюонных годоскопах и установках, регистрирующих поток КЛ.

3. Раннее обнаружение распространяющихся в ММП по направлению к Земле корональных выбросов вещества (КВВ) по изменению потока КЛ может стать основой для выработки предиктора в службе мониторинга возмущений "Солнечной погоды".

4. Заблаговременное обнаружение стратосферных ВГВ по потоку мюонов является основой для разработки предиктора приближения атмосферных катаклизмов (типа мощных гроз и ураганов).

5. Непрерывные наблюдения за динамикой вертикального поля температуры над территорией порядка 1000 кв. км имеют практическое значение для региональной метеослужбы и экологического мониторинга большого мегаполиса с мощной техногенной активностью.

Работы по теме диссертации выполнялись при поддержке РФФИ практически на всех этапах исследований (1993 - 2006 гг), начиная с создания аппаратуры нового поколения, в виде грантов: 93-02-3061, 96-02-18242, 97-05-15131, 00-02-17062, 03-02-17313, 0602-17213, а также гранта Минобрнауки T02-I4.0-2369 (2003-2004 г).

С 1996 года работа установки Мюонный годоскоп финансировалась по программе поддержки уникальных научных установок и стендов Минпромнауки, а затем Минобразования и науки РФ.

Оспвные результаты работы, выносимые на защиту

1. Аппаратура и методика эксперимента:

мюонный годоскоп высокой грануляции для исследования вариаций потока КЛ, связанных с высокоэнергетическими динамическими процессами в области солнечно-земной физики; банк данных интенсивности потока атмосферных мюонов (соответствующий ГКЛ со средней энергией около 60 ГэВ) в виде двумерных матриц по 4096 направлениям небесной сферы с разрешением около 1-2 градуса за четырехгодичный период измерений с временным шагом в одну минуту; методика спектрального анализа двумерных временных рядов вариаций космического излучения для выявления скрытых периодичностей дифференциально по пространству.

2. Результаты исследований высокоэнергетических процессов на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере Земли по матричным данным вариаций космических лучей:

идентификация распространения коронального выброса вещества (КВВ) в межпланетном магнитном поле (ММП) в направлении Земли;

результаты спектрально-временного анализа пространственных возмущений ММП, связанных с КВВ и форбуш-эффектами; характеристики высокоэнергичной части солнечной протонной вспышки 14.07.2000 года (день Бастилии);

идентификация "тени" Луны в потоке ГКЛ умеренных энергий (больше 30 ГэВ).

3. Результаты исследований термодинамических характеристик атмосферы по потоку высокоэнергичных мюонов:

временные вариации вертикального поля температуры атмосферы от поверхности Земли до стратосферных высот, дифференциально по высоте (с шагом 100 мб); идентификация внутренних гравитационных волн (ВГВ или волн плавучести) при развитии и приближении мощных

атмосферных возмущений (типа гроз, ураганов, техногенных воздействий) к месту расположения мюонного годоскопа.

Личный вклад автора

Автору принадлежит идея создания мюонного годоскопа высокой грануляции для регистрации пространственно-временного потока космических лучей в виде двумерных снимков-матриц и ее реализация на всех этапах: от участия в проектировании, сборке и наладке аппаратуры до проведения четырехгодичного эксперимента, разработки алгоритмов и анализа физических явлений и процессов.

Апробация работы и публикации

Результаты, послужившие основой диссертации, докладывались на: международных конференциях:

по космическим лучам (Рим, 1995; Дурбан, 1997; Цукуба, 2003; Пуне, 2005);

Физика атмосферного аэрозоля (Москва, ИФА, 1999); Методы дистанционного зондирования и ГИС — технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды (Москва, МИГАиК, 1996, 1998,2000);

Европейском симпозиуме по космическим лучам (Москва, 2002); всероссийских конференциях:

по космическим лучам (Москва, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004);

- Риск - 2003 (Москва, МЧС 2003);

Физика солнечно-земных связей (Иркутск, ИГУ 2001, 2004); Физические проблемы экологии (Москва, МГУ, 2001, 2004); Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (Москва, ИКИ, 2003, 2005);

Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиофизической активности (Троицк, ИЗМИРАН, 2005); российских семинарах:

Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля вещества и окружающей среды (Москва, МИФИ, 2001, 2003, 2006);

ежегодных Научных сессиях МИФИ (1997-2006);

Первой Баксанской молодежной школе экспериментальной и

теоретической физики (Нальчик, НГУ, 2000);

научных семинарах: в МИФИ, НИИЯФ МГУ, ФИАН, ИПГ, ЦАО, ИЗМИРАН.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, отражены и опубликованы (1987 — 2006 гг): в 14 статьях в научных журналах, включенных в перечень ВАК для публикаций материалов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, в 37 трудах перечисленных выше конференций, семинаров, научных сессий, в 12 тезисах Всероссийских и Международных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Каждая из глав содержит краткое резюме ее содержания. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Перечень основных работ по теме диссертации с участием соискателя указан в приложении. Объем диссертации: 184 стр., 61 рис., 13 табл., 178 наименований цитируемой литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении кратко рассмотрено современное состояние изучения вариаций КЛ и динамических процессов в гелиосфере с помощью широко распространенных установок интегрального типа, таких как нейтронные мониторы и мюонные телескопы. Обосновывается актуальность и новизна представленной диссертационной работы. Указывается, что применение установки нового типа - многонаправленного мюонного годоскопа, который в непрерывном режиме одновременно регистрирует интенсивность КЛ по тысячам направлений в виде последовательности двумерных снимков-матриц, качественно улучшает и расширяет спектр исследований в области физики КЛ и солнечно-земных связей.

В главе 1 приводится описание первого мюонного годоскопа большой светосилы с высокой грануляцией, разработанного и созданного по инициативе автора для изучения разнообразных высокоэнергетических динамических процессов в области физики космических лучей на качественно новой основе.

До 1995 года при регистрации вариаций КЛ (с помощью нейтронных мониторов и мюонных телескопов) получаемая информация была интегрального типа. Полное число "чувствительных" направлений отдельных установок было, как правило, в пределах от одного до десяти. Мюонный годоскоп позволяет в непрерывном режиме получать снимки-матрицы пространственной интенсивности мюонов в широком диапазоне углов одновременно из 65025 направлений с разрешением 0,5 — 2 градуса. Схема установки приведена на рис.1. Годоскоп представляет собой четыре слоя узких длинных сцинтилляционных счетчиков, сгруппированных в две пары координатных плоскостей, разнесенных друг над другом на расстояние 1 м. Счетчики в каждой паре соседних плоскостей развернуты под прямым углом и образуют (Х,У) — координатную сетку. Отдельные плоскости содержат по 128 счетчиков. Рабочая площадь установки равна 9 м2. Уменьшение вклада в интенсивность мюонов от мягкой компоненты КЛ обеспечивает размещенный под установкой 5 см слой свинца, ниже которого расположен пятый слой крупногабаритных сцинтилляционных счетчиков. Мюоны регистрируются в режиме одновременного срабатывания счетчиков во всех плоскостях. Годоскоп находится в цокольном этаже лабораторного корпуса на глубине 2 м в. э. и размещен на поворотной раме, которая обеспечивает любой наклон рабочих плоскостей вплоть до зенитного угла 45 градусов в направлении Солнца. Интегральная интенсивность счета мюонов около 600 с'1. Соответствующий полный поток информации в регистрирующей системе составляет около 10 кб/с.

Рис.1. Схема поворотного мюонного годоскопа (ТЕМП) плои/адью 3x3 м2. XI, У1 — верхние, Х2, У2 — нижние слои сцинтилляторов, X — пятый слой крупногабаритных триггерных сцинтилляторов, РЪ — свинцовый поглотитель мягкой компоненты КЛ, толщиной 5 см.

Базовые счетчики выполнены на основе полистирола (с добавками РРО-РОРОР) путем экструдирования (лаборатория В.И.Рыкалина, ГНЦ ИФВЭ, Протвино). Каждый счетчик (размер: длина - 300 см, ширина - 2,5 см, толщина - 1 см) просматривается с одного торца малогабаритным ФЭУ-85. Выходной сигнал лежит в диапазоне от 10 до 100 фотоэлектронов, в зависимости от места попадания мюона по длине счетчика. Пороговый сигнал срабатывания усилителя-формирователя (длительностью 70 не) установлен на уровне 1 ф.э., что практически исключает просчет регистрации мюонов (0,2%), связанный со статистическими флуктуациями амплитуды сигналов. Измерения показали, что за прошедшее время с момента изготовления счетчиков (более 10 лет) их эффективность практически не изменилась.

Система регистрации представляет собой совокупность цифровых блоков для непрерывного приема, преобразования, буферизации и передачи данных в ЭВМ:

входных регистров (512 каналов) для приема и временного хранения входных сигналов (длительностью 70 не). Эти регистры срабатывают от мастерного импульса схемы совпадений (70 не) при одновременном наличии на входах сигналов от счетчиков во всех рядах годоскопа; контроллера чтения только сработавших регистров и преобразования позиционных кодов счетчиков в двоичные номера, пригодные для анализа в ЭВМ;

блока буферной памяти (типа FIFO) для временного накопления информации за фиксированный небольшой интервал времени (программно может изменяться в широких пределах, принят равным одной секунде) и последующей пересылки в память ЭВМ;

контроллера вычитывания буферной памяти с передачей данных на общую шину связи с ЭВМ.

Установка дополнительно снабжена цифровым датчиком атмосферного давления (с точностью 2 Па) и цифровыми часами.

Электроника позволяет записывать информацию о каждом мюоне. В этом случае суточный объем данных будет очень большим — около 1 Гб. Для экономии памяти ЭВМ применен матричный способ сбора данных. С этой целью непрерывно в режиме живого времени в памяти ЭВМ создается двумерная "матрица-снимок" интенсивности по многим направлениям за каждый последовательный интервал времени (в данном случае — за одну минуту). Для годоскопа МИФИ предельно возможная матрица N& составляет 255x255

различных пространственных направлений и обусловлена диапазоном изменения разности номеров сработавших счетчиков в одноименных (верхних и нижних) плоскостях детекторов: -127 < Дх < +127, -127 < Ау < +127. Таким образом, индексы ! и к лежат в пределах от 1 до 255. В отдельных ячейках матрицы накапливается количество мюонов, прошедших через установку с фиксированными разностями Ах и Ау сработавших счетчиков, просуммированное по всей площади апертуры. Это обеспечивает измерение интенсивности по 65025 направлениям. Пространственные углы легко восстанавливаются из геометрии событий:

1Ёе = ^(дх2 + ду2)/г, со5ф = дгДДдх2+д>>2),

где т — расстояние между верхними и нижними плоскостями (в масштабе ширины счетчиков). Такой способ накопления и хранения информации о пространственно-временных вариациях КЛ является наиболее универсальным. Исходная информация сохраняется практически в максимально дифференциальном виде. В процессе дальнейшего анализа, программным путем производится выборка и объединение данных по различным алгоритмам, в зависимости от конкретной физической задачи.

В первой серии экспериментов (1995 - 2001 годы) регистрирующая электроника была выполнена на дискретных элементах микросхем серии К500 (разработка ИФВЭ 80-х годов, система Вектор). На линии работала микро-ЭВМ ДВК-ЗМ с архивацией одноминутных данных в виде последовательности файлов на МЛ (с помощью двух магнитофонов ИЗОТ 5300.01, работающих попеременно в непрерывном режиме).

Ограниченные возможности ДВК-ЗМ позволяли осуществлять накопление данных в усеченном виде - только центральную часть матриц: -32 < Дх <+32 и -32 < Ау < +32 (матрицы размером 64x64 ячейки). Остальная внешняя часть матрицы (данные под большими зенитными углами) запоминалась интегрально, в виде одного числа. Такой режим записи сокращал суточный объем информации на МЛ до 50 Мб.

В период 2002-2005 лет проведена модернизация регистрирующей цифровой системы мюонного годоскопа. С июля 2005 года установка работает с новой системой регистрации, выполненной на современной элементной базе (ПЛИС) с большой степенью интеграции. Прием данных осуществляется в РС с архивацией на жестком диске (НОЕ)). Надежность работы установки значительно

возросла. Новые возможности аппаратуры позволили увеличить размер центральной части матрицы до размера 128x128 ячеек. Внешняя часть матриц берется с укрупненным шагом (по 8 ячеек).

Диссертация в большей части основывается на статистике, полученной в период 1996 - 2001 гг. С апреля 1998 г. по декабрь 2001 г. аппаратура работала практически непрерывно.

В главе 2 рассматриваются вопросы, связанные с методикой обработки многих синхронных временных рядов, получаемых с помощью мюоннго годоскопа, с целью поиска и анализа скрытых периодичностей в вариациях потока KJ1.

Аппаратура непрерывно регистрирует двумерные матрицы Njk(t) счета мюонов (размером 64x64 ячейки) по различным пространственным направлениям с временным разрешением одна минута. Комплект сервисных программ позволяет проводить предварительную обработку матриц с целью: выборки подматриц любого меньшего размера, вплоть до отдельных ячеек; определения средних значений по отдельным направлениям <Njk> и соответствующих им среднеквадратических отклонений о,ь формирования нормированных матриц nlk(t) = (Nlk(t) - <Nik> ) / о*. Матрицы nik(t) свободны от угловой зависимости потока атмосферных мюонов (~ cos"6) и влияния светосилы установки, которая изменяется при разных углах регистрации частиц. Данные ru(t) отражают пуассоновский характер потока KJI для спокойных условий в окружающей среде. На рис.2(а, б) приведены примеры исходной Nlk(t) и нормированной n;k(t) матриц для определенного момента времени.

Рис.2а. Матричные данные (64x64 ячейки центральной части матрицы) установки ТЕМП. Контуры соседних полос соответствуют изменению потока мюонов на 10% от его максимальной величины.

б] 57 53 49 45 41 37 33 29 35 21 17 13 9 5 1

--ЧТ) —

Рис.26. Фоновая матрица (64x64 ячейки) пространственной интенсивности мюонов в относительных отклонениях. Темный цвет: данные светлый — п1к>0.

Метеоэффекты (изменения атмосферного давления ДР и температуры ДТ) нарушают стационарность потока КЛ и приводят к медленным изменениям их интенсивности. В работе рассматриваются короткопериодические динамические процессы с характерными периодами от минут (минимальный период - 2 мин) до нескольких часов. Для поиска и анализа скрытых периодичностей (с амплитудами порядка пуассоновских флуктуации) используется модифицированный фурье-анализ, в котором требуется стационарность временных рядов. Поэтому, предварительно выделялся медленный тренд с помощью ортогональных полиномов Чебышева небольшой степени (третьего — четвертого порядка). Это эквивалентно фильтрации по низким частотам и практически не влияет на исследуемый частотный диапазон вариаций КЛ. При изучении явлений, связанных с метеоэффектами, используются исходные данные Н^) в периоды спокойного Солнца без каких-либо поправок.

Выделение периодичностей проводится методом оконного преобразования Фурье на рядах разной длительности, с характерными временами 3 — 5 часов. Небольшая длина временных рядов является определяющим фактором для изучения непродолжительных динамических процессов в гелиосфере и

атмосфере Земли. Вычисляется плотность спектра мощности (ПСМ) S(f) для дискретного набора частот во всем возможном диапазоне (О < f < 0,5 мин"'). Для изучения динамики процессов в зависимости от времени применяется метод спектрально-временного анализа (СВАН), который дает возможность более точно локализовать поведение функции ПСМ на большом временном интервале. Значения S(f) для стационарных рядов подчиняются у?-распределению, что позволяет оценивать достоверность аномально больших значений ПСМ на отдельных частотах. Синхронная регистрация многих временных рядов (при поиске скрытых периодичностей малой амплитуды) улучшает важный параметр для функции ПСМ - отношение "сигнал/шум". В случае наблюдения процесса на частоте fo при суммировании значений S(f0) из разных рядов результирующая усредненная амплитуда ПСМ будет расти, в то время как на других частотах случайные амплитуды будут "гаситься" и усредненная величина S(f) уменьшится. Тем самым, амплитуда ПСМ на частоте сигнала f0 значительно возрастет над средним "шумом". Кроме этого, будет уменьшаться роль случайных выбросов ПСМ в отдельных рядах на заданной частоте f0 и повышаться надежность спектральных оценок.

Проведены модельные расчеты выделения скрытых периодичностей на коротких временных рядах (продолжительность от 1 до 5 часов) с пуассоновскими флуктуациями. В стационарные пуассоновские ряды вносилась добавка гармонического типа с фиксированной частотой. Амплитуда синусоидальных колебаний составляла долю (от 0,1 до 0,8) среднеквадратической ошибки. Расчеты показали, что одновременные сигналы в девяти временных рядах продолжительностью не меньше трех часов обеспечивают суммарную величину ПСМ для данной частоты на уровне, превышающем отношение "сигнал/шум" более чем в три раза, если амплитуда самих колебаний не меньше 0,4 сигмы. С увеличением продолжительности (или числа) рядов порог чувствительности минимального сигнала снижается.

Дифференциальное наблюдение вариаций KJI по многим сотням временных рядов позволяет вычислять: пространственное распределение ПСМ на отдельных частотах f0 в виде двумерных снимков Ajk(fo) = [S(fo)]ik; пространственное распределение полной Plk = £ S(f) и аномально большой Plk(> За) мощности частотных вариаций KJI, а также ее суммарное значение в зависимости от времени P(t) = Е Pik. Изменение этих величин дает возможность

следить за динамикой процессов как в телиосфере, так и в атмосфере Земли. Возрастание функции ПСМ, предшествующее приближению "очага" возмущений, используется для выработки предикторов развития аномальных процессов.

В главе 3 приведена методика и результаты, связанные с регистрацией высокоэнергетичных процессов солнечной активности и распространения быстрых частиц ГКЛ в межпланетном магнитном поле (ММП) и в магнитосфере Земли.

СКЛ высокой энергии, выходя из области генерации, продолжают распространяться в ММП, созданном солнечным ветром. Существующие теоретические модели генерации СКЛ удовлетворительно описывают процессы до Е < 10 ГэВ. Для больших энергий имеются лишь качественные физические модели, которые указывают на возможность ускорения протонов вплоть до Е ~ Ю2 - 103 ГэВ. При этом остается неизвестным питч-угловое распределение таких протонов относительно паркеровской магнитной силовой линии. В работе проведены прямые траекторные расчеты для общепринятой модели ММП в виде архимедовой спирали. Для оценок бралось изотропное угловое распределение вылета частиц СКЛ. Результаты показывают, что вплоть до энергии Е < 10 ГэВ траектория ведущего центра на расстояниях 1 а.е. практически совпадает со спиралью Архимеда, независимо от величины начального питч-угла, в пределах от 0 до 30-40 градусов. Происходит полная фокусировка протонов СКЛ. В диапазоне 10 < Е < 100 ГэВ отклонение от линии ММП плавно возрастает до 15° на расстоянии 1 а.е. Начиная с 400 ГэВ, расчетные траектории практически не искривляются при движении в межпланетном пространстве.

ММП в сочетании с магнитным полем Земли и слоем атмосферы (эффективной толщиной 1000 / собО гсм"2) является хорошим природным спектрометром для регистрации солнечных протонов высоких энергий (> 10 ГэВ), падающих на Землю под зенитным углом 0. Определение максимальной энергии протонов (Етах) в солнечных вспышках (СПС) является важным фактором для понимания механизма работы природного ускорителя частиц. В СПС 14 июля 2000 года (10:30 иТ, День Бастилии) нейтронные мониторы мировой сети зарегистрировали максимальную энергию протонов, не превышающую 10 ГэВ. Существующие мюонные телескопы не обнаружили всплеска интенсивности КЛ в это время. Анализ матричных данных N¡^(0 мюонного годоскопа МИФИ показал, что в группе близлежащих ячеек матрицы зарегистрирован

всплеск под большим зенитным углом 6 « 60° с западного направления. Временной ряд скорости счета мюонов приведен на рис.3. Всплеск продолжительностью 3 минуты составляет 4,6 ст от среднего значения. Пересчет на интенсивность мюонов дает значение потока I = (3,8 ± 0,6) х Ю"4 см^сек^стер"1. Оценка средней энергии протонов СКЛ (по программе СОЯБГКЛ) для этого события, с учетом падающего энергетического спектра (показатель у ~ 6) и большого зенитного угла, дает значение около 50 ГэВ. Полученная интенсивность согласуется с общим видом ожидаемого энергетического спектра протонов СКЛ. Одновременно в ЦЕРНе (эксперимент ЬЗ+С, который содержал магнитный спектрометр с большим динамическим диапазоном измерения импульса частиц КЛ) был зарегистрирован всплеск интенсивности от СКЛ (рис.3) под углом 9 » 30°. Разница в зенитных углах связана с географическим расположением аппаратуры.

200_доо

1000 1200

400 600 аоо 1000 1200

ит(тт)

Рис.3. Сопоставление дифференциального (по зенитному углу) счета мюонов в течение 14.07.2000 г: вверху - данные установки ЬЗ+С (ЦЕРН); внизу - данные установки ТЕМП (МИФИ). Пунктир —уровень трех среднеквадратичных отклонений.

В связи с появлением снимков высокого разрешения в оптической области (БОЫО и другие) развития мощной солнечной активности (корональных выбросов вещества — КВВ) вновь возник интерес к изучению этих явлений на качественно новом уровне. Магнитная мощность КВВ достигает 1031 эрг и представляет опасность для различных технических установок. Поэтому раннее оповещение о приближении возмущений такого вида является актуальным. Спутник АСЕ сообщает о появлении фронта КВВ (ЮМЕ) на орбите Земли за 30-50 минут. Наземная мировая сеть нейтронных мониторов (НМ) и мюонных телескопов (МТ) дают информацию о возникновении анизотропии КЛ за (4 - 6) и (6 - 9) часов соответственно.

Линия ММП (спираль Архимеда) является выделенным направлением в гелиосфере, связанным с распространением потока плазмы непосредственно с поверхности Солнца. С помощью мюонного годоскопа было обнаружено появление гармонических осцилляций интенсивности мюонов за несколько часов до прихода фронта магнитных возмущений ICME к орбите Земли (рис.4). Этот эффект использован для поиска заблаговременных скрытых периодичностей во временных рядах КЛ, пересекающих внутреннюю область гелиосферы в направлении Земли. Подсчитывается полная аномальная мощность спектральных вариаций: Р = £ S(f), если амплитуда S превышает определенное число среднеквадратичных отклонений от среднего значения. При обработке суточных рядов интенсивности КЛ на смещающихся трехчасовых отрезках времени получаются "всплески" во временном поведении P(t). Превышение обнаруживается в утренние (6-10 LT) и послеполуденные часы (15-20 LT) на протяжении нескольких оборотов Земли (2-4 суток) до появления фронта форбуш-эффекта (ФЭ). Параметр P(t) может служить основой для построения предиктора "первого эшелона" в мониторинге солнечной погоды. В некоторых событиях наблюдается "выполаживание" аномальных значений Р(> За) на протяжении почти суточного времени экспозиции (рис.5). Сопоставление поведения ММП с прямыми измерениями на космических аппаратах указывает на регистрацию возмущений ММП типа магнитных облаков, которые представляют собой расширяющиеся петлевые структуры солнечной плазмы.

J0 .18 36 34

0 ISO 360 5-iO nunures

Рис.4. График зависимости дифференциальной интенсивности мюонов в узколг угловом иитерваче измерений во время форбуш-эффекта: вверху - событие 26.08.1998 г (зенитный угол в ~ 60°); внизу -событие 25.09.1998 г (0 ~ 30°). Ось Х- время измерения (мин).

К Л, ; V '

, И\ с

у' /II 'Л ГУ1- » / ^

\ V

0.00 5:00 1000 1?:00 20.00

ооо ? оо юоо н.оо :ооо

Рис.5, Изменение полной мощности вариаций РС>За) за шестисуточний период: с 04.11 по 09.11 (графики 1 - 6), связанной с ФЭ 08.11.1998. Вверху - изменение интенсивности потока КЛ в НМ ИЗМИРАН. Ось абсцисс — суточное время.

Большая апертура годоскопа позволяет заблаговременно регистрировать вариации КЛ непосредственно из области 1СМЕ при его приближении к орбите Земли. Во-первых, поток КЛ высокой

энергии (-100 ГэВ), пересекая возмущенное магнитное поле, приобретает высокочастотную вариацию, с характерными гармониками от нескольких минут до одного часа, которая практически мгновенно достигает Земли и значительно опережает время прибытия фронта ЮМЕ. На рис.6 приведен пример спектра ПСМ на трехчасовом отрезке времени по направлению на Солнце в разные дни перед ФЭ. Видно, что с приближением возмущения амплитуда Б вариаций растет. Происходит перекачка энергии между разными частотами. В окрестности Земли размер ЮМЕ перекрывает апертуру установки и вариации видны из боковых направлений. Достоверная информация такого типа появляется с опережением в среднем на 12 часов. Во-вторых, поток КЛ в неоднородном усиленном магнитном поле ЮМЕ приобретает пространственную анизотропию (рис.7), которая детально регистрируется в виде п,^) снимков-матиц (64*64 ячейки) с высоким угловым разрешением около 1-2 градуса. В отсутствие возмущений магнитного поля на снимках п,к(1) наблюдается равномерный по площади "шум" пуассоновских флуктуаций. Временная последовательность матриц ПйсО) может быть использована в решении обратной задачи для моделирования динамической структуры ЮМЕ.

1\ Л

/V \/\д

А .. М 1

л/ V,

¡Д: А' ,-у' 1/А Л ,

: Л

Рис.6. Спектральная мощность Бф в дни предшествующие форбуш-эффекту (06. 08.1999 г). Сверху вниз: 3, 4, 5 и 6 августа. Ось абсцисс — период колебаний 1//(в минутах),

а) 17.08 (гапаот) Ъ) 01:00(26.08) с) 02:00(26.08)

Рис. 7. Двумерные снимки изменения плотности потока заряженных частиц, проникающих через движущееся МО. Событие 26.08.1998 года. Снимки: б, в, г, д, е - относятся к 01, 02, 03, 04, Об часам местного времени. Снимок а- фоновое распределение за несколько суток до эрупции КВВ. Черный фон соответствует уменьшению числа частиц (рассеянию, п,к < 0) от первоначального значения; светлый фон — п> 0.

В решении задачи о восстановлении структуры 1СМЕ необходимо учитывать возможные искажения пространственной анизотропии при регистрации этого эффекта по вторичным атмосферным мюонам в установках типа мюонного годоскопа, расположенных на уровне Земли. На первом этапе требуется проверка адекватности учета магнитного поля Земли для частиц высоких энергий (50 — 100 ГэВ). С этой целью определялся эффект тени Луны (расстояние 0,003 а.е.) с учетом углового изменения траекторий протонов ГКЛ в поле Земли. Проведено 18 серий десятисуточных наблюдений тени Луны по уменьшению интенсивности мюонов п,к(0 в отдельных ячейках матричных данных. Ежесуточная экспозиция составляла 5 — 6 часов. Для определения "теневых" ячеек (определенные 0 и <р в заданное время) рассчитаны асимптотические углы (0», ср„) распространения в обратном направлении (практически с поверхности Земли за пределы магнитного поля) протонов (с отрицательным зарядом) при

различных начальных энергиях выше пороговой, равной 30 ГэВ. При совпадении углов в*,, ср„ с положением Луны фиксировалась ячейка матрицы и соответствующая ей интенсивность. Получен эффект затенения, который возрастал в 3 раза при переходе от пороговой энергии 30 ГэВ к 100 ГэВ (рис.8). Учет магнитного поля Земли проведен по модели Цыганенке, другие модели дают тоже близкие асимптотические углы для Е > 50 ГэВ.

100-, 10"

-100-200-

кг'уи-гМ^/^нч

-100.200 -300

Кк-гН

-400 J 100110.

Рис.8. Недостаток интенсивности потока ГКЛ из направления, связанного с Луной, при двух пороговых энергиях Елтм: а- 30 ГэВ, 6 -100 ГэВ; в - колебания фоновой интенсивности (далеко от направления на Луну). Ось абсцисс - календарное время (в сутках) полной экспозиции. Ось ординат - усредненные декадные значения уменьшения нормированной интенсивности птоо„ .

С другой стороны, экспериментальное определение эффекта тени Луны является обобщенной астрофизической калибровкой наземной аппаратуры, использующей космическое излучение для диагностических целей.

В главе 4 рассматривается новый метод мюонной диагностики динамики термодинамического поля атмосферы по вариациям потока мюонов высокой энергии. Информация получается одновременно и непрерывно по 4096 направлениям из матричных данных мюонного годоскопа, охватывающих площадь на уровне стратосферы около 1000 кв. км.

В атмосфере Земли высокоэнергичные частицы КЛ рождают короткоживущие пионы (на глубине порядка длины взаимодействия протонов - 100 г/см2), которые, распадаясь, образуют мюоны. Траектории этих трех поколений частиц лежат практически на одном луче. Поток мюонов, теряя энергию на ионизацию и частично распадаясь, достигает поверхности Земли. Количество мюонов определяется потоком первичных частиц и распределением плотности атмосферы р(Ь, Т) на высотах Ь при температуре Т(Ь). В общем виде, число мюонов с энергией больше Е на уровне наблюдения Н, летящих под зенитным углом 0, записывается в виде интеграла:

= А ■ р) ] <1Е-Ып{Е,1)\<1у •

О Р"' 0

А - нормировочная константа;

учитывает вероятность не распасться мюону Р[(Нд,р) - вдоль траектории от места образования I до глубины Н;

N„(E,t) - энергетический спектр промежуточных пионов; F2(E,y,t,p)

p(t,T)

вероятность распада пионов от границы атмосферы до глубины t;

плотность реальной атмосферы на высоте t при температуре T(t);

Для изучения чувствительности потока мюонов к барическим возмущениям рассчитаны изменения интенсивности (ДКМ при отклонении от равновесного распределения локальной плотности атмосферы на уровне И в слое толщиной АЬ. В этом слое плотность была взята в виде: р'(Ь, Т) = р(Ь, Т)х(1 + е). Величина е отражает относительное отклонение.

На рис.9 приведены результаты моделирования. По оси абсцисс указана высота атмосферы в км. Значения е взяты в

пределах: -0,2 < е S +0,2. Варьируемый слой Ah = 5 км последовательно располагался на всех высотах, вплоть до 45 км, где остаточная атмосфера практически отсутствует. Видно, что изменение потока мюонов наиболее чувствительно к возмущениям плотности воздуха на стратосферных высотах в районе 10 - 20 км. Здесь в основном происходит рождение мюонов в цепочке превращений: р -» л -> ц .

Рис.9. Изменение относительной интенсивности АЩ / Щ мюонов в зависимости от величины барического возмуи{ения в слое атмосферы 8 (%): -20; -10; 0; +10; +20. Ось х — высота атмосферы (км).

Следует отметить, что барический эффект отрицателен -увеличение плотности приводит к уменьшению числа рожденных мюонов, и наоборот - уменьшение плотности увеличивает количество мюонов.

Прецизионные измерения (с точностью 1 -2 градуса) дважды дифференциального углового распределения мюонов N(6, ф) позволяют провести изучение вариаций температурного поля ДТ в томографическом режиме. В этом случае при анализе вся атмосфера условно разбивается на отдельные слои толщиной с

фиксированными значениями Т/11' температуры в отдельных ячейках

ш1 каждого слоя. Флуктуации ДТ/Ы на разных высотах приводят к изменению потока мюонов ДЫ(6, <р) по различным направлениям в пространстве:

Д^е, фУ N(9, <р) - ррДР = £ W(ДE, Ь, 1)0, 9) ДТ/"1 ДЬ, ,

где Ь — глубина атмосферы, Ьо — уровень наблюдения, Де — пороговая энергия мюонов. Функция \У(Де, Ь, Ьо, 9) - априорно известные (модельные) температурные коэффициенты. Суммирование проводится по ячейкам ш1 на всех высотах вдоль луча-траектории мюонов в атмосфере с фиксированными углами 9, ф. Поправка на барометрический эффект за счет изменения давления атмосферы ДР учитывается интегрально в виде ррДР, где Рр = - 0,002 мб"1.

Такая постановка задачи эквивалентна веерной томографии, где роль многолучевого зондирующего источника излучения выполняют мюоны КЛ. Величины ДТ/"1 определяются из решения системы линейных уравнений при измеренных вариациях потока мюонов ДМ(9, ф)/ N(9, ф) под разными углами. На первом этапе проведена апробация томографической методики в упрощенном виде - восстанавливались изменения ДТ послойно (в пределах слоя температура принималась постоянной) - на девяти различных уровнях от 100 мб до 900 мб с шагом 100 мб. В этом случае, для увеличения статистической точности при каждом фиксированном угле 9 проведено суммирование интенсивности мюонов по азимутальному углу ф. Левая часть линейных уравнений ДЫ(9, ф)/ N(9, ф) заменялась на ДК(0)/ N(9). На рис.10 приведены примеры восстановленного поведения температуры в сопоставлении с прямыми измерениями с помощью шаров-зондов для двухнедельного периода непрерывных измерений. Для реализации полномасштабных томографических измерений динамики поля температуры необходимо увеличить статистическую точность, что может быть достигнуто на установках большей площади.

лт.*с

лт *с 200 мбар ■р •

2-Д 4 1б\ вА/ / 10 12 Г в14 Д 16

/..% лл] '''•■\jri\l' " у ••». / 1 ' 2 ' 1 ^ л'г ' ЧИ

300 мбар

дт,*с 400 мбар Д

12 Г' 14 V 1* \А

У • \ сутки

Рис.10. Вариации температурного поля на геопотенциалъных уровнях стратосферы: 100, 200, 300, 400 мб. Сплошная линия (1) -данные, полученные по вариациям углового распределения мюонов за двухчасовые интервалы и сглаженные методом скользящего среднего. Пунктирная линия с точками (2) - прямые измерения температуры с помощью шаров-зондов через 12-ти часовые интервалы. Ось х -календарное время (в сутках) с 15 по 31 мая 1998 г. Ось у -изменения температуры (градус) на фиксированных высотах.

Барическая зависимость интенсивности мюонов использована для дистанционной регистрации внутренних гравитационных волн (ВГВ), обусловленных различными высокоэнергетическими процессами в атмосфере. На рис.11 приведена схема опережающей регистрации ВГВ от отдаленной турбулентности, возникающей при накоплении энергии в грозообразующих облаках. ВГВ распространяются в пространстве значительно быстрее грозовых облаков. При поперечном пересечении потоком протонов ГКЛ волнового поля с модуляцией плотности воздуха, интенсивность образующихся вторичных атмосферных мюонов (из реакций ядерного взаимодействия протонов с рождением и последующим распадом пионов), достигающих уровня Земли, также приобретает модуляцию. Дифференциальное измерение потока мюонов в широком диапазоне углов 9 и (р позволяет изучить пространственно-временные характеристики волнового поля на площади около 1000 кв. км дистанционно из одной точки (рис. 12). Информация о скрытых периодичностях получается при проведении СВАН-обработки временных рядов матричных данных с различным угловым

разрешением. В серии экспериментов во время грозовой активности уверенно регистрировались ВГВ с периодами 2,5 - 50 минут. Достоверность выявления волнового процесса составляет более 99%. Дистанционная регистрация стратосферных ВГВ в области высокочастотных колебаний (с периодом 2-5 минут) традиционной барографической методикой является затруднительной из-за сильного затухания по высоте.

А А а 2 гр мб

Ч 1 уровень "тревоги" 3

1 / 1 Й ЛТ >

предиктор

время

Рис.11. Схема определения предиктора ЛТ грозы. 1 — динамическое поведение приземного давления перед грозой. 2 — изменение параметра А/а во времени. 3 — импульс давления ("грозовой нос"). ЛТ — величина опережения.

01.10Е-02-1.20Е*02

01 .ООЕ*02-1Л0Е-02

ОЭ.1ЮЕ»01-1.00Е-02

се.00Е»01-9.00Е*01

Рис.12 Пространственное распределение Р,к(0 во время грозы 15.05.1997 для двух моментов времени: 12:00 и 13:00 часов

Регистрация ВГВ с помощью мюонного годоскопа использована в качестве дистанционной диагностики искусственного воздействия маломощного специализированного генератора "Атлант", предназначенного для коррекции атмосферных условий на мезомасштабных расстояниях. Положительный эффект воздействия приводил к генерации ВГВ, мощность которых была сравнима с грозовыми процессами.

В заключении приведены основные результаты работы. 1) Аппаратура и методика эксперимента:

1. Предложена и реализована идея создания широкоапертурного мюонного годоскопа, который в непрерывном режиме одновременно регистрирует пространственную интенсивность мюонов космических лучей по нескольким тысячам направлений в виде последовательности снимков-матриц с угловым разрешением 1-2 градуса.

2. Под руководством и при участии автора:

разработан, изготовлен и запущен в непрерывную эксплуатацию первый в мире 512-канальный годоскоп на базе узких длинных сцинтилляционных счетчиков для изучения динамики высокоэнергетичных процессов в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли по вариациям пространственного потока мюонов космических лучей;

разработан комплекс аппаратуры и программного обеспечения космофизического эксперимента для ежесекундного приема-передачи потока информации 10 кб/с в непрерывном режиме в линию с микро-ЭВМ с малым мертвым временем, связанным с просчетами, на уровне 10"4 %;

проведено три серии экспериментов (с ноября 1996 по декабрь 2001) с полной экспозицией более 36 тысяч часов по одновременному наблюдению вариаций интенсивности мюонов из 65025 пространственных направлений. При суточном вращении Земли направления меняются и охватывают небесную сферу в угловом растворе 120°; создан банк в виде последовательности двумерных "снимков-матриц" (64x64 ячейки) интенсивности релятивистских мюонов с 4096 направлений небесной сферы, которые соответствуют ГКЛ со средней энергией около 60 ГэВ. Данные относятся к разным фазам 24-го солнечного цикла.

2) Вариации Ю1 и динамические процессы на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере Земли:

1. Предложена и впервые проведена идентификация распространения КВВ в ММП по аномальной величине частотных модуляций многонаправленной интенсивности ГКЛ, проходящих через область возмущенного магнитного поля коронального выброса.

2. Впервые зарегистрированы квазигармонические вариации потока ГКЛ (средняя энергия около 60 ГэВ) в направлении, близком к линии ММП, по колебаниям интенсивности мюонов на протяжении нескольких часов, предшествующих форбуш-эффекту. Характерный период вариаций составляет 45-60 минут, а продолжительность - несколько часов.

3. Впервые проведена трехмерная регистрация высокочастотных вариаций ГКЛ во время форбуш-эффекта, когда магнитное поле

от КВВ охватывает магнитосферу Земли. Получены характерные

размеры неоднородностей ММП порядка 106 км и значение

возрастания поля В порядка 25 у.

4. Исследована высокоэнергетическая часть солнечной протонной вспышки (СПС - День Бастилии, 14.07.2000) с максимальной энергией около 50 ГэВ: интенсивность потока СКЛ составляет не менее (3,8 ± 0.6) х 10"4 (см 2с стер)"1, продолжительность -около 3 минут.

5. Разработана методика и впервые зарегистрирована "тень" Луны по уменьшению интенсивности ГКЛ с учетом отклоняющего действия магнитного поля Земли. Эффект тени возрастает в три раза при увеличении пороговой энергии частиц от 30 ГэВ до 100 ГэВ.

3) Вариации КЛ и динамические процессы в атмосфере Земли:

1. Разработана методика мониторинга ВГВ в режиме реального времени и впервые проведено двухмерное наблюдение динамики волнового поля в стратосфере, обусловленного ВГВ от грозовой активности над территорией наблюдения около 1000 кв. км.

2. Впервые проведено наблюдение возрастания частотной модуляции интенсивности мюонов в предгрозовой период за счет регистрации опережающих колебаний плотности атмосферы на стратосферных высотах, обусловленных распространением ВГВ от отдаленного формирования грозовых возмущений. Результаты получены по синхронному наблюдению модуляций в сотнях временных рядов, что значительно увеличивает достоверность результатов.

3. Апробирована методика томографического типа непрерывного наблюдения за динамикой изменения вертикального поля температуры на девяти разных высотах (геопотенциальных уровнях, от 900 мб вплоть до 100 мб с равномерным шагом 100 мб) по вариациям углового распределения атмосферных мюонов в диапазоне зенитных углов от 0 до 55°.

4. Впервые обнаружен факт искусственной генерации ВГВ в стратосфере (сопоставимых с грозовыми) по частотной модуляции потока мюонов при небольших по мощности электростатических воздействиях. Данные получены дистанционно при мониторинге комплексных экспериментов (АО "АТЛАНТ" и ВУ РХБЗ) по изучению коррекции локальных термодинамических параметров атмосферы.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. В.В.Борог, В.В.Дронов, В.Г.Лапшин, В.И.Рыкалин, Идентификация сигналов от сцинтилляторов с различными временами высвечивания // ПТЭ, 1989, № 5, с.91-96.

2. V.V.Borog, A.Yu.Burinskij, V.V.Dronov, О.М.Chugunova. Large aperture muon hodoscope for research of solar-terrestrial physics (TEMP) И Moscow, MEPhI, preprint № 028-93, 1993, 11 p.

3. В.В.Борог, В.Г.Васильченко, А.В.Демехин, В.В.Дронов, В.В.Рыкалин. Сцинтилляционный годоскоп с рабочей поверхностью 50x50 см2 на основе годоскопических фотоумножителей И ПТЭ, 1987, № 3, с.46-50.

4. В.В.Борог, В.В.Дронов, В.Г.Лапшин. Идентификация сигналов от сцинтилляторов с различными временами высвечивания с помощью схемы временной привязки к математическому центру тяжести И Препринт ИФВЭ, № 88-89, 1988, 14 с.

5. V.V.Borog, A.Yu.Burinskij, A.V.Gvozdev, V.V.Dronov, A.A.Petrukhin. Large aperture muon hodoscope for studies in solar-terrestrial physics И Proc.24-th ICRC, 1995, Rome, v.4, p.1291-1295.

6. В.В.Борог, А.Ю.Буринский, В.В.Дронов. Мюонный годоскоп для исследования солнечно-земных связей в области энергий больше 10 Го В И Изв. РАН, сер.физ., 1995, т.59, № 4, с. 191-194.

7. В.В.Борог, А.Ю.Буринский, В.В.Дронов, Е.В.Коломеец, В.М.Смирнов. Генерация, распространение и регистрация СКЛ высоких энергий И Изв.РАН, сер. физ., 1997, т.61, № 6, с.1053-1056.

8. В.В.Борог, А.Ю.Буринский, А.В.Гвоздев, В.В.Дронов. Угловые и временные характеристики интенсивности мюонов по данным широкоапертурного сцинтилляционпого годоскопа II Изв.РАН, сер. физ., 1997, т.61, № 6, с.1256-1260.

9. V.V.Borog, A.Yu.Burinskij, A.V.Gvozdev, V.V.Dronov. Angular and temporary cosmic ray muon flux characteristics measured with large aperture scintillator hodoscope II Proc. 25-th ICRC, 1997, Durban, South Africa, v.2, p. 449-452.

10. В.В.Борог, А.В.Гвоздев, В.В.Дронов. Изучение волновых процессов, возбуждаемых в апъмосфере Земли конвективно-грозовыми явлениями, с помощью мюонного годоскопа // Изв. АН, ФАО, 1999, т. 35, №1, с. 24-33.

11. В.В.Борог, О.В.Белоносова, В.В.Дронов, В.В.Зубко, С.П.Перов, -Г.М.Крученицкий. Галактическое космическое излучение как

инструмент для изучения динамических процессов в озоносфере И Труды междунар. конфер. Физика атмосферного аэрозоля, М.,1999, с.413-422.

12. В.В.Борог, В.В.Дронов. Изучение. короткопериодических колебаний интенсивности мюонов, связанных с конвективно-грозовыми явлениями в атмосфере Земли И Изв РАН, сер. физ.,1999, T.Ó3; № 8, с. 1675-1677.

13. В.В.Борог. Мюонная томография П Труды 1-ой Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики, Нальчик, НГУ, 2000, с. 129-136. .

14. В.В.Борог, В.В.Дронов. Изучение динамических процессов в гелиосфере с помощью мюонного годоскопа II Астрономический вестник, 2000, т. 34, № 2, с. 126-130.

15. В.В.Борог, В.В.Дронов, С.П.Перов, Г.М.Крученицкий. Вариации мюонной компоненты во время Форбуш-эффектов 1998 г по данным наземного сцинтилляционного годоскопа ТЕМП // Изв. РАН, сер. физ., 2001, т.65, № 3, с.381-384.

16. В.В.Борог. Мюонная томография - новый метод дистанционного мониторинга гелиосферы и атмосферы Земли Н Сб. Трудов Ш-Всерос. научн. конфер. Физические проблемы экологии, М., МГУ, 2001, т.7, с.5-14.

17. О.В.Белоносова, В.В.Борог, П.О.Симаков, В.М.Смирнов. Регистрация динамических процессов в гелиосфере в томографическом режиме // Материалы III Российского семинара Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды, Москва, 2001, с. 83.

18. О.В.Белоносова, В.В.Борог, В.В.Дронов, В.В.Зубко, П.О.Симаков, С.П.Перов, Г.М.Крученицкий. Изменчивость метеорологических параметров атмосферы над Москвой по данным наземного мюонного годоскопа-томографа II Атлас

. временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов, М., Научный Мир, 2002, т.З, с.353-358.

19. О.В.Белоносова, В.В.Борог, В.В.Дронов, П.О.Симаков. Наземный мюонный томограф для изучения динамики солнечно-земных связей И Сб. Трудов Всерос. конфер. по физике солнечно-земных связей. Вып.2(115), Иркутск, 2002, с.135-136.

20. О.В.Белоносова, В.В.Борог, П.О.Симаков. Методика регистрации Форбуш-эффекта в томографическом режиме П Изв. РАН, сер. физ., 2003, т.67, №4, с.515-518.

21. О.В.Белоносова, В.В.Борог, П.О.Симаков. Методика патрулирования солнечной погоды по вариациям космического излучения высокой энергии // Материалы IV Российского семинара Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды, М., 2003, с. 130-132.

22. O.V.Belonosova, V.V.Borog, A.A.Petrukhin, P.O.Simakov. The technique of Forbush decrease registration in tomography mode I I Proc. 28-th ICRC, Tsukuba, Japan, 2003, p. 3627- 3630.

23. О.В.Белоносова, В.В.Борог, П.О.Симаков. Наблюдение аномальных процессов в атмосфере по вариациям интенсивности космического излучения // Всероссийская конфер. Оценка и управление природными рисками, М., 2003, т. 1, с.57 - 61.

24. О.В.Белоносова, А.В.Белов, В.В.Борог, А.С.Давыдов, Г.М.Крученицкий, С.П.Перов, В.Г.Янке. Мониторинг температуры атмосферы на разных высотах по угловому спектру мюонов И Изв. РАН, сер. физ., 2005, т.69, № 3, с 439441.

25. О.В.Белоносова, В.В.Борог, Е.Ю.Сметанина, П.О.Симаков, В.Г.Янке. Наблюдение "тени" Луны в потоке космических лучей умеренных энергии (десятки ГэВ) И Изв. РАН, сер. физ., 2005, т.69, № 3, с.436 - 438.

26. V.V.Borog, O.V.Belonosova, P.O.Simakov. Observation of muon flux increase during GLE of 14.07.2000 by means of large aperture hodoscope I I Proc. 29-th ICRC, Pune, India, 2005, v.l, p. 87-90.

27. V.V.Borog, O.V.Belonosova, A.S.Davydov, G.M.Kruchenitskii, S.P.Perov, V.G.Yanke. Studu of Atmospheric Temperature at Different Altitudes using Muon Angular Distribution at Sea Level II Proc. 29-th ICRC, Pune, India, 2005, v.2, p.381-384.

29. В.В.Борог, О.В.Белоносова, Т.А.Орлова. Патрулирование солнечной погоды с помощью наземного мюонного годоскопа-томографаИ Изв. РАН, сер. физ., 2006, т.70, № 10, с. 1549 - 1552.

30. В.В.Борог. Методика патрулирования солнечной погоды по вариациям космического излучения высокой энергии П Материалы V Российского семинара Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды, М., 2006, с. 93-95.

Подписано в печать ¡И. • О ё> Заказ Тираж

Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Борог, Владимир Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. УСТАНОВКА МЮОННЫЙ ГОДОСКОП.

1.1. Характеристики 5 12-канального годоскопа.

1.1.1. Базовый трехметровый сцинтшляционный счетчик.

1.1.2. Сборка усилителей-формирователей сигналов ФЭУ.

1.1.3. Установка Мюонный годоскоп "ТЕМП".

1.2. Сбор и накопление данных в режиме on-line.

1.2.1. Система регистрации при работе с микро-ЭВМ ДВК-ЗМ.

1.2.2. Модернизированная система сбора на элементах ПЛИС.

1.2.3. Блок-схема модернизированной системы регистрации.

1.3. Эффективность работы аппаратуры.

1.3.1. Тестирование в непрерывном режиме.

1.3.2. Характеристики работоспособности установки.

1.3.3. Статистика экспериментальных данных.

1.4. Краткие выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ МАТРИЧНЫХ ДАННЫХ МЮОННОГО ГОДОСКОПА.

2.1. Подготовка данных для физической обработки.

2.1.1. Первичное представление данных.

2.1.2. Учет тренда временных рядов.

2.1.3. Выравнивание при наличии выбросов.

2.2. Выделение скрытых периодичностей.

2.2.1. Оконное преобразование Фурье.

2.2.2. Анализ синхронных временных рядов.

2.2.3. Особенности анализа временных рядов пространственной интенсивности KJI.

2.3. Краткие выводы.

ГЛАВА 3. ВАРИАЦИИ КЛ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА СОЛНЦЕИВММП.

3.1. CKJI высокой энергии.

3.1.1. Распространение релятивистских CKJI в ММП.

3.1.2. Регистрация CKJI высокой энергии в интегральном потоке мюонов.

3.1.3. Регистрация СПС "День Бастилии" по матричным данным.

3.2. Диагностика возмущений ММП в потоке ГКЛ.

3.2.1. Зондирование динамического состояния ММП.

3.2.2. Зондирование структуры КВВ при их распространении в ММП.

3.2.3. Идентификация петлевых структур ММП.

3.3. Изучение динамики ГКЛ высокой энергии.

3.3.1. Движение высокоэнергичных частиц ГКЛ в магнитосфере Земли.

3.3.2. Метод регистрации тени Луны при умеренных энергиях ГКЛ.

3.3.3. Тень Луны по матричным данным годоскопа.

3.4. Краткие выводы.

ГЛАВА 4. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ И ДИАГНОСТИКА

АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ.

4.1. Высокоэнергичные мюоны в атмосфере.

4.1.1. Решение кинетического уравнения для мюонов.

4.1.2. Вариации потока мюонов в атмосфере.

4.1.3. Метеоэффекты и метод мюонной диагностики.

4.2. Диагностика температурного поля атмосферы.

4.2.1. Оценка вариаций температуры по интегральному потоку мюонов.

4.2.2. Методика определения поля температуры по угловому спектру мюонов.

4.2.3. Динамика вертикального поля температуры по данным мюонного годоскопа.

4.3. Диагностика волновых процессов в атмосфере.

4.3.1. Изучение ВГВ от грозовой активности.

4.3.2. Изучение ВГВ при активных воздействиях на атмосферу.

4.3.3. Предикторы высокоэнергетичных волновых процессов.

4.4. Краткие выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование вариаций космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли с помощью наземного широкоапертурного мюонного годоскопа"

Космические лучи галактического (ГКЛ) и солнечного (СКЛ) происхождения на протяжении десятков лет успешно используются в качестве зонда, который несет информацию как о физических явлениях в самих источниках излучения, так и о процессах в среде, через которую они проникают. Особая роль отводится высокоэнергичным заряженным протонам, составляющим основную долю КЛ, попадающих на Землю. При этом интенсивность протонов СКЛ связана с высокоэнергичной импульсной активностью Солнца, а короткопериодные вариации и анизотропия ГКЛ в основном указывают на динамическое состояние межпланетного магнитного поля. В целом, поток ГКЛ (£>10ГэВ), в условиях спокойного Солнца, практически изотропен по всей гелиосфере. Эта особенность ГКЛ, с учетом метеорологической зависимости интенсивности вторичных проникающих мюонов, образующихся в результате взаимодействий КЛ с атомами воздуха (на высотах 10-30 км), позволяет изучать поведение термодинамического поля нижней атмосферы Земли.

Вторичный поток мюонов обладает большей информативностью по сравнению с ядерноактивной нейтронной компонентой на поверхности Земли. При высокой энергии (Е> 10 ГэВ) все три поколения частиц (протоны, пионы и мюоны: практически лежат на одной траектории, что позволяет восстанавливать пространственно-временные характеристики первичного потока КЛ. В этом смысле, регистрация мюонов для диагностических целей даже более предпочтительна. Таким образом, характеристики потока мюонов, регистрируемого на поверхности Земли, являются эффективным индикатором, данным самой природой, для дистанционного изучения динамики различных процессов в окружающей среде, включающей Солнце, гелиосферу, магнитосферу и атмосферу Земли.

На протяжении полувека, большой круг физических явлений изучается с помощью разветвленной сети автономных нейтронных мониторов. Исследован ряд важных закономерностей по физике Солнца, вариациям КЛ, связанным с крупномасштабными возмущениями в гелиосфере, различными эффектами в магнитосфере и атмосфере Земли [1, 2, 3]. В настоящее время мировая сеть нейтронных мониторов (НМ) состоит из более 40 установок, расположенных в разных точках земного шара [4]. Среди НМ преобладают детекторы типа NN'1-64, объединяющие пропорциональные крупногабаритные счетчики ВР3, окруженные свинцовым поглотителем и полиэтиленовым замедлителем. НМ являются установками для измерения интегрального потока КЛ с относительно узкой угловой апертурой, которая "обрезается" сильным поглощением ядерноактивных частиц при увеличении зенитного угла по экспоненциальному закону. При угле около 60° интенсивность ядерной компоненты убывает в 103 раз, в то время как мюонная компонента уменьшается лишь в 2 раза. Данные нейтронных мониторов относятся в основном к потоку КЛ с невысокой средней энергией (1-30 ГэВ).

Число действующих мюонных телескопов (МТ) значительно меньше. Традиционно, МТ выполняются из крупногабаритных счетчиков. Это -газоразрядные счетчики, пропорциональные камеры, объединенные в большие секции, либо пластические сцинтилляторы с характерными размерами порядка у

1 х 1 м [5, 6, 7]. Как правило, МТ собраны в два ряда счетчиков с мозаичной структурой, прослоенных свинцовым фильтром толщиной 5 - 10 см для поглощения мягкой компоненты КЛ, и работают в режиме двукратных совпадений разных комбинаций верхних и нижних счетчиков. Такая структура детекторов позволяет выделить в пространстве несколько направлений: от 4 до 19 с угловым разрешением 20-30 градусов [8, 9]. Характерные размеры МТ колеблются в пределах 4-36 м2. В настоящее время также работают детекторы-сэндвичи на основе компактного объединения двухрядного сцинтилляционного МТ (одновременно выполняющего роль замедлителя) с у размещенным внутри НМ [10, 11]. Их характерные размеры невелики (1 - 4 м ) при достаточно низком угловом разрешении. Действующие мюонные телескопы дают информацию, которая соответствует ГКЛ со средней энергией около 50 ГэВ для вертикального направления, и позволяют детальнее изучать их вариации.

В последние годы запущено на регистрацию еще две модификации мюонных телескопов с достаточно высокой грануляцией: в Японии и Индии [12, 13]. Установка [12] выполнена из крупных пропорциональных газовых камер круглого сечения диаметром 10 см, сгруппированных в две координатные пары (х, у) - слоев площадью по (4 х 4) м с угловым разрешением ± 7°. Данные получаются в виде матриц размером (11x11) ячеек. Система детекторов [13], предназначенных изначально для изучения ШАЛ, состоит из 16 штук отдельных четырехрядных детекторов, площадью по 6x6м. Каждый детектор также представляет собой две пары (х,у) - плоскостей. Отдельные газовые счетчики имеют поперечный размер в виде квадрата размером 10x10 см2, что обеспечивает угловое разрешение ± 8°. Данные также формируются в виде последовательности матриц размером (15x15) ячеек. В этих установках круглые и квадратные пропорциональные камеры, сложенные в виде детектирующих плоскостей, имеют внутри апертуры много зон пониженной эффективности на границах вдоль каждого счетчика, обусловленных плохим собиранием электронов из отдаленных (от центральной нити) участков камер и щелевыми зазорами между счетчиками. Таким образом, даже улучшенные конструкции мюонных телескопов имеют угловое разрешение около 10 градусов.

Для анализа результатов по вариациям КЛ, особенно в проблеме мониторинга высокоэнергетичных солнечных возмущений, используются данные детекторов различного типа - как НМ, так и МТ. Обсуждаются проекты объединения всех детекторов в единую мировую сеть, в которой Земля будет представлять собой квазисферический распределенный детектор КЛ -"Космический корабль" среди неспокойного галактического "моря" космического излучения [14].

НМ и МТ до сих пор остаются наиболее распространенными наземными установками, которые продолжают постоянно модифицироваться и совершенствоваться. Однако они имеют принципиальный недостаток - низкое угловое разрешение, что ограничивает круг задач, связанных с исследованием структуры и динамики ряда процессов и явлений в окружающей среде.

Эта трудность преодолевается применением установок нового типа -мюонных годоскопов, обладающих широкой апертурой и высоким угловым разрешением (1-2 градуса), способных в непрерывном режиме регистрировать пространственный поток КЛ в виде двумерных "снимков-матриц" одновременно из сотен и даже нескольких тысяч направлений.

Первой установкой такого типа является 512-канальный сцинтилляционный годоскоп "ТЕМП" (МИФИ), предложенный и созданный в 1995 г по инициативе автора работы [15, 16, 17]. Годоскоп представляет собой сборку из двух пар координатных плоскостей (х,у), площадью 3 x3 м на основе узких трехметровых сцинтилляционных счетчиков.

В последние два-три года в ряде стран запущено на регистрацию несколько годоскопов (с разрешением около одного градуса) разной светосилы в виде многорядных газовых счетчиков высокой грануляции, работающих в режиме ограниченного стримерного разряда [18, 19]. Примером одной из лучших установок такого типа служит восьмирядный годоскоп "Ураган" площадью 4 х 11 м2 с угловым разрешением 0,7°, созданный в России (Москва, МИФИ) для проведения мониторинга в области солнечно-земной физики [19,20].

Таким образом, за прошедшие 10 лет после запуска годоскопа "ТЕМП", он и в настоящее время входит в число самых высокоточных детекторов среди работающих наземных мюонных телескопов и годоскопов в области физики космических лучей. Кроме этого, "ТЕМП" обладает определенным преимуществом, поскольку собран на поворотной раме и может быть использован для эффективной регистрации частиц космических лучей с выбранного направления, например, от Солнца.

Целью данной диссертационной работы является: Обоснование и развитие нового направления в изучении различных высокоэнергетических процессов в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли и получение качественно новой информации об их пространственно-временной динамике на основе анализа временных рядов двумерных "снимков-матриц" интенсивности космического излучения с нескольких тысяч направлений, которое одновременно и непрерывно регистрируется с помощью широкоапертурного наземного мюонного годоскопа высокой грануляции.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Разработка и создание установки нового типа с высоким пространственно-временным разрешением.

3. Изучение связи пространственно-временных вариаций потока мюонов КЛ с высокоэнергетическими процессами в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

1. Аппаратура и методика эксперимента:

• мюонный годоскоп высокой грануляции для исследования вариаций потока КЛ, связанных с высокоэнергетическими динамическими процессами в области солнечно-земной физики;

• банк данных интенсивности потока атмосферных мюонов (соответствующий ГКЛ со средней энергией около 60 ГэВ) в виде двумерных матриц из 4096 направлений небесной сферы с разрешением около 1-2 градуса за четырехгодичный период измерений с временным шагом в одну минуту;

• методы спектрального анализа двумерных временных рядов вариаций космического излучения для выявления скрытых периодичностей дифференциально по пространству.

• идентификация распространения коронального выброса вещества (КВВ) в межпланетном магнитном поле (ММП) в направлении Земли;

• результаты спектрально-временного анализа пространственных возмущений ММП, связанных с КВВ и форбуш-эффектами (ФЭ);

• характеристики высокоэнергичной части солнечной протонной вспышки 14.07.2000 г (день Бастилии);

• идентификация "тени" Луны в потоке ГКЛ умеренных энергий (больше 30 ГэВ).

3. Результаты исследований термодинамических характеристик атмосферы по потоку высокоэнергичных мюонов:

• временные вариации вертикального поля температуры атмосферы от поверхности Земли до стратосферных высот, дифференциально по высоте (с шагом 100 мб);

• идентификация внутренних гравитационных волн (ВГВ или волн плавучести) при развитии и приближении мощных атмосферных возмущений (типа гроз, ураганов) к месту расположения мюонного годоскопа.

Научная новизна результатов:

1. Впервые для регистрации вариаций космических лучей, связанных с высокоэнергетическими процессами солнечно-земной физики, использован широкоапертурный наземный поворотный мюонный годоскоп высокой грануляции с пространственно-временным разрешением (1-2 градуса, временной интервал - 1 мин). В 1996 г решением Минпромнауки "Мюонный годоскоп" был внесен в "Перечень уникальных научно-исследовательских и экспериментальных установок национальной значимости" (per. номер 06-11).

2. Впервые создан банк данных в виде последовательности одноминутных двумерных матриц (64 х 64 ячейки) интенсивности мюонов из 4096 различных пространственных направлений (апрель 1998 - декабрь 2001 гг). Данные относятся к средней энергии ГКЛ около 60 ГэВ. Суточное вращение Земли обеспечивает панорамность матричных данных в растворе зенитных углов около 120 градусов.

3. Разработана и апробирована методика отдаленной идентификации корональных выбросов вещества (КВВ), распространяющихся в ММП по приобретенной модуляции потока ГКЛ, проникающего через возмущенную область магнитного поля.

4. Впервые на космофизической установке (типа годоскоп) под большим зенитным углом (9 « 60°) зарегистрирован всплеск интенсивности мюонов (на уровне 4,6 среднеквадратичного отклонения) в узком растворе углов во время СПС 14.07.2000 г (день Бастилии, UT 10:30), длительностью 3 минуты.

5. Впервые по вариациям угловой интенсивности мюонов дифференциально измерены колебания температуры вертикального разреза атмосферы в широком диапазоне высот (на девяти уровнях - от 900 до 100 мб) в течение продолжительного отрезка времени.

6. Впервые по матричным данным интенсивности мюонов зарегистрирована "тень" Луны в эффекте экранирования потока ГКЛ диском Луны при умеренных энергиях (~30ГэВ), когда отклоняющим действием магнитосферы Земли нельзя пренебречь.

Практическая значимость работы:

1. Действующий 512-канальный поворотный мюонный годоскоп, состоящий из узких протяженных сцинтилляционных счетчиков, сгруппированных в координатные плоскости (х,у) вместе с регистрирующей препроцессорной электроникой на основе ПЛИС-техпологии, показал себя надежным и стабильным в продолжительной эксплуатации и может быть рекомендован в качестве основы для типового прибора при создании мировой сети мюонных годоскопов нового поколения для проведения комплексных on-line исследований в области КЛ и солнечно-земной физики.

2. Предложенный и апробированный способ накопления и хранения данных о дифференциальном угловом распределении потока космических лучей в виде двумерных снимков-матриц может быть использован (и уже используется) в других мюонных годоскопах и установках, регистрирующих космические лучи.

3. Раннее обнаружение распространяющихся в ММП в направлении к Земле корональных выбросов вещества (КВВ) по изменению потока КЛ может стать основой для выработки заблаговременного предиктора в службе мониторинга возмущений "Солнечной погоды".

4. Заблаговременное обнаружение стратосферных ВГВ по потоку мюонов являются основой для разработки предиктора приближения атмосферных катаклизмов (типа мощных гроз и ураганов).

5. Непрерывные наблюдения за динамикой вертикального поля температуры над территорией порядка 1000 кв км имеют практическое значение для региональной метеослужбы и экологического мониторинга большого мегаполиса с мощной техногенной активностью.

Работы по теме диссертации выполнялись при поддержке РФФИ практически на всех этапах исследований (1993-2006 гг), начиная с создания аппаратуры нового поколения, в виде грантов: 93-02-3061, 96-02-18242, 97-0515131, 00-02-17062, 03-02-17313, 06-02-17213, а также гранта Минобразования Т02-14.0-2369 (2003-2004 г).

С 1996 г работа установки Мюонный годоскоп финансировалась по программе поддержки уникальных научных установок и стендов Минпромнауки, а затем Минобразования и науки РФ

Личный вклад автора

Автору принадлежит идея создания мюонного годоскопа высокой грануляции для регистрации пространственно-временного потока космических лучей в виде "двумерных снимков-матриц" и ее реализация на всех этапах: от участия в проектировании, сборке и наладке аппаратуры до проведения четырехгодичного эксперимента, разработки алгоритмов и анализа физических явлений и процессов.

Апробация работы и публикации Результаты, послужившие основой диссертации, докладывались на Международных конференциях:

- по космическим лучам (Рим, 1995; Дурбан, 1997; Цукуба, 2003; Пуне, 2005);

- "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва, ИФА, 1999);

- "Методы дистанционного зондирования и ГИС - технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды" (Москва, МИГАиК, 1996, 1998,2000);

- Европейский симпозиум по космическим лучам (Москва, 2002); Всероссийских конференциях:

- по космическим лучам (Москва, 1994, 1996, 1998,2000, 2002, 2004);

- "Риск - 2003" (Москва, МЧС 2003);

- "Физика солнечно-земных связей" (Иркутск, ИГУ 2001, 2004);

- "Физические проблемы экологии" (Москва, МГУ, 2001,2004);

- "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" (Москва, ИКИ, 2003, 2005);

- "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиофизической активности" (Троицк, ИЗМИРАН, 2005);

Российских семинарах - "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля вещества и окружающей среды" (Москва, МИФИ, 2001,2003,2006);

Ежегодных Научных сессиях МИФИ (1997-2006);

Первой Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики (Нальчик, НГУ, 2000); научных семинарах: в МИФИ, НИИЯФ МГУ, ФИАН, ИПГ, ЦАО, ИЗМИРАН.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, отражены и опубликованы (1987-2006 гг): в 14 статьях в научных журналах, включенных в перечень ВАК для публикации материалов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, в 37 трудах перечисленных выше конференций, семинаров, научных сессий; в 12 тезисах Всероссийских и Международных конференций.

Структура диссертации

Заключение диссертации по теме "Физика атомного ядра и элементарных частиц"

Основные результаты и выводы диссертационной работы можно кратко сформулировать следующим образом.

1) Аппаратура и методика эксперимента:

1. Предложена и реализована идея создания широкоапертурного мюонного годоскопа, который в непрерывном режиме одновременно регистрирует пространственную интенсивность мюонов космических лучей по нескольким тысячам направлений в виде последовательности "снимков-матриц" с угловым разрешением 1-2 градуса.

2. Под руководством и при участии автора:

- разработан, изготовлен и запущен в непрерывную эксплуатацию первый в мире 512-канальный годоскоп на базе узких длинных сцинтилляционных счетчиков для изучения динамики высокоэнергетичных процессов в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли по вариациям пространственного потока мюонов космических лучей;

- разработан комплекс аппаратуры и программного обеспечения космофизического эксперимента для ежесекундного приема-передачи потока информации 10 кб/с в непрерывном режиме в линию с микро-ЭВМ с малым мертвым временем, связанным с просчетами, на уровне 10"4 % ;

- проведено три серии экспериментов (с ноября 1996 по декабрь 2001) с полной экспозицией более 36 тысяч часов по одновременному наблюдению вариаций интенсивности мюонов из 65025 пространственных направлений. При суточном вращении Земли направления меняются и охватывают небесную сферу в угловом растворе 120°;

- создан банк данных в виде последовательности двумерных "снимков-матриц" (64x64 ячейки) интенсивности релятивистских мюонов с 4096 направлений небесной сферы, которые соответствуют ГКЛ со средней энергией около 60 ГэВ. Данные относятся к разным фазам 24-го солнечного цикла.

2) Вариации КЛ и динамические процессы на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере Земли:

3. Впервые проведена трехмерная регистрация высокочастотных вариаций ГКЛ во время форбуш-эффекта, когда магнитное поле от КВВ охватывает магнитосферу Земли. Получены характерные размеры неоднородностей ММП порядка 10бкм и значение возрастания поля В порядка 25 у.

4. Исследована высокоэнергетическая часть солнечной протонной вспышки (СПС - День Бастилии, 14.07.2000) с максимальной энергией около 50 ГэВ: интенсивность потока СКЛ составляет не менее (3,8 ± 0.6) хЮ'4 (см 2с стер)"1, продолжительность - около 3 минут.

5. Разработана методика и впервые зарегистрированы «тень» Луны по уменьшению интенсивности ГКЛ с учетом отклоняющего дейтсвия магнитного поля Земли. Эффект тени возрастает в три раза при увеличении пороговой энергии частиц от 30 ГэВ до 100 ГэВ.

3) Вариации КЛ и динамические процессы в атмосфере Земли:

БЛАГОДАРНОСТИ

Весь объем работ, представленных в диссертации, был выполнен в экспериментальном комплексе "ЭК НЕВОД" МИФИ.

Автор выражает свою признательность А.А.Петрухину за предоставленную возможность проведения самостоятельной научной работы, за помощь и поддержку при создании установки "Мюонный годоскоп", а также постоянные творческие дискуссии.

Я глубоко благодарен сотрудникам и аспирантам: О.В.Белоносовой, А.Г.Богданову, А.Ю.Буринскому, А.В.Гвоздеву, В.В.Дронову, К.Г.Компанийцу, Д.А.Роому, П.О.Симакову, В.В.Шутенко, принимавшим участие на разных этапах проектирования, наладки, модернизации аппаратуры и обработки данных;

Н.С.Барбашиной, А.Н.Дмитриевой, МЛ.Кравец - за подготовку и оформление текста диссертации, чей вклад трудно переоценить;

Р.П.Кокоулину, Д.А.Тимашкову, И.И.Яшину, коллегам по работе, - за полезные дискуссии и внимание к работе; всему коллективу "ЭК НЕВОД" и студентам МИФИ за участие в проведении продолжительного эксперимента.

Я признателен коллегам из других организаций, непосредственно причастным к данной работе:

В.И.Рыкалину, В.Г.Лапшину - за совместные исследования по оптимизации характеристик протяженных сцинтилляционных счетчиков и помощь в изготовлении комплекта сцинтилляторов для счетчиков годоскопа на технологическом участке ГНЦ ИФВЭ;

В.А.Сенько, А.Н.Исаеву, Н.А.Шаланде, В.И.Якимчуку - за консультации, оснащение и модернизацию цифровой электроники стандарта СУММА и МИСС (ГНЦ ИФВЭ), которая с успехом использована в продолжительном космофизическом эксперименте;

Г.М.Крученицкому, С.П.Перову - за предоставление данных аэрологического зондирования атмосферы на полигоне ЦАО Росгидромета РФ;

В.И.Уйбо - за предоставление возможности дистанционного зондирования характеристик атмосферы во время эксперимента НПО "Атлант" по активной коррекции погодных условий.

Искренне благодарен коллегам-космофизикам из научных академических институтов (ИЗМИРАН, ПГИ, ИКФИА): А.В.Белову, Э.В.Вашенюку, В.И.Козлову, В.Г.Янке - за плодотворные дискуссии и предоставление возможности использования (через Интернет) созданных их трудом баз данных нейтронных мониторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Борог, Владимир Викторович, Москва

1. L.I.Dorman. Cosmic rays in the earth's atmosphere and undeground. Asrophis. and Space Sience Libraiy. 2004. V. 303. 856 p.

2. A.Hanslmeier. The Sun and Space weather. Asrophis. and Space Sience Library.2002. V. 277. 243 p.

3. L.I.Miroshnichenko. Solar Cosmic Rays. Kluwer Academic Publishs. 2001. 492 P

4. В.Г.Янке. Наземные наблюдения космических лучей и представление информации в интернет в реальном времени. Солнечно-земная физика. Иркутск. 2002. Вып.2(115). с. 99-103.

5. А.А.Уполников и др. Азимутальный мезонный телескоп на счетчиках СГМ-14. Сб. Исследования по космофизике и аэрономии. Якутск ЯФ СО АН СССР. 1975.C.150-154.

6. Е.П.Мурашов, В.Г.Картышер, А.Б.Журавлев, В.Г.Янке. Многонаправленный мюонный телескоп на больших пропорциональных счетчиках и его характеристики (в печати).

7. Z.Fuji, S.Sakakibara, K.Fujimoto, H.Ueno. Multi directional cosmic ray intensities, Nagoya, 1986-1988. Report of cosmic-ray research laboratory. Nagoya university. Nagoya. Japan. 1990.

8. Л.И.Дорман, И.Я.Либин. Короткопериодические вариации интенсивности космических лучей. УФН. Т. 145.1985. вып.З. 403-440.

9. K.Munakata, J.W.Bieber, S.Yasue et al. Precursors of geomagnetic storms observed by the muon detector network. JGR. V.105.№ A 12.2745727468.2000.

10. Y.Muraki et al. Solar flare and nutron telescope. Nucl.Phys.B. Proc. Suppl.V. 60B.3-11. 1998.

11. A.Chilingarian, A.Avakyan, V.Babayan et al. Aragats Space-Environmental Center: Status and SEP Forecasting Possibilities. Nucl. Part. Phys.G. V.29.2003.

12. Y.Ohashi, A.Okada, T.Aoki et. al. New narrow angle muon telescope at Mt. Norikura. Proc. 25th ICRC. Durban. 1997. v. 1. p. 441- 444.

13. S.Kawakami, K.Fujimoto, S.K.Gupta et al. Search of muons in association with large colar flares with the Grapes-3 MMT at Ooty. Proc. 28th ICRC. 2003. Tsukuba. p. 3405-3408.

14. K.Munakata, J.W.Bieber, T.Kuvabara et al. A prototype muon detector network covering a full range of cosmic ray pitch anglies. Proc. 27th ICRC. Hamburg. 2001. p. 3494-3497.

15. V.V.Borog, A.Yu.Burinskij, V.V.Dronov, O.M.Chugunova. Large aperture muon hodoscope for research of solar-terrestrial physics (TEMP). Moscow. Mephi. Preprint 028-93. 1993. lip.

16. V.V.Borog, A.Yu.Burinskij, A.V.Gvozdev, V.V.Dronov, A.A.Petrukhin. Large aperture muon hodoscope for studies in solar-terrestrial physics. Proc. 24th ICRC. Rome. 1995. V.4.p. 1291-1295.

17. В.В.Борог, А.Ю.Буринский, В.В.Дронов. Мюонный годоскоп для исследования солнечно-земных связей в области энергий больше 10 ГэВ. Изв.РАН, 1995. сер. физ., Т.59. № 4. 191-194.

18. F.Riggi. The ЕЕЕ project: status and perspectives. CRIS. Catanij. 2006.

19. D.V.Chernov, N.S.Barbashina, G.Mannocchi et al. Experimental setup for muon diagnostics of the Earth atmosphere and magnetosphere (the URAGAN project). Proc. 29th ICRC. Pune. 2005. p. 457-460.

20. N.S.Barbashina, V.V.Borog, A.N.Dmitrieva et al. Stadies of magnetosphere perturbations by means of wavelet analysis of atmospheric muon data. Proc. 29th ICRC. Pune. 2005. p.377-380.

21. В.В.Борог, В.В.Дронов, О.В.Демехин, О.М.Чугунова. Разработка узлов детектора кластеров первичной ионизации и крупногабаритных сцинтилляционных годоскопов. Научный отчет МИФИ. Per. № 0187.0075925, 1989. 157 с.

22. В.Борог, В.Г.Васильченко, А.В.Демехин и др. Сцинтилляционный годоскоп с рабочей поверхностью 50x50 см2 на основе годоскопических фотоумножителей. ПТЭ, 1987, № 3. 46-50.

23. В.В.Борог, В.В.Дронов, В.Г.Лапшин, В.И.Рыкалин. Идентификация сигналов от сцинтилляторов с различными временами высвечивания. ПТЭ. 1989. №5. 91-96.

24. С.С.Ветохин, И.Р.Гулаков, А.Н.Перцев, И.В.Резников. Одноэлектронные фотоприемники. М. Атомиздат, 1979. 192 с.

25. В.В.Борог, А.Ю.Буринский, А.В.Гвоздев, В.В.Дронов. Угловые и временные характеристики интенсивности мюонов по даннымширокоапертурного сцинтилляционного годоскопа. Изв. РАН. сер. физ. 1997. т.61.№6. с. 1256-1260.

26. V.V.Borog, A.Yu.Burinskij, A.V.Gvozdev, V.V.Dronov, Angular and temporary cosmic ray muon flux characteristics measured with large aperture scintillator hodoscope, Proc. 25-th ICRC. 1997. Durban. South Africa, v.2. p. 449-452.

27. Ю.П.Гуз, В.В.Лапин, В.Г.Лапшин и др. Подавление одноэлектронного шума ФЭУ в сцинтилляционных счетчиках. Препринт ИФВЭ 88-215 ОЭФ. Серпухов 1988. 11 с.

28. Ю.М.Антипов, В.А.Беззубов, Ю.Б.Бушнин и др. Унифицированная электронная аппаратура для пропорциональных камер. Препринт ИФВЭ 88-215 ОЭФ. Серпухов 1977. 16 с.

29. Ю.Б.Бушнин, А.А.Денисенко, А.Ф.Дунайцев и др. Модули системы наносекундной логической электроники с управлением параметрами от ЭВМ. Препринт ИФВЭ 86-12 ОЭА. Серпухов 1986.17 с.

30. Н.В.Горбунов, С.А.Зелепукин, С.В.Изгаршев и др. Модульный комплекс средств связи аппаратуры вектор/сумма с ЭВМ серии СМ. Препринт ИФВЭ 88-54 ОЭА. Серпухов 1988. 18 с.

31. С.Г.Голобородько, В.И.Иньшаков, А.П.Леонов и др. интерфейс обработки импульсных сигналов в режиме прямого доступа к памяти ЭВМ «Электроника-60». Препринт ИФВЭ 80-103 ОЭА. Серпухов 1980. 11 с.

32. Ю.Б.Бушнин, А.К.Коноплянников, В.И.Якимчук. Развитие электронной аппаратуры ' для пропорциональных камер, применяемой в экспериментальных установках ИФВЭ. Препринт ИФВЭ 82-176 ОЭА. Серпухов 1982. 15 с.

33. Ю.В.Ермолин, В.Г.Рыбаков, А.Н.Сытин. Модули для буферизации и блочной передачи данных с использованием специального канала. Препринт ИФВЭ 84-8 ОЭА. Серпухов 1984. 12 с.

34. Б.Ю.Балдин, В.Н.Говорун, А.К.Коноплянников и др. Блоки для многоконтроллерного управления в каркасе системы сумма. Препринт ИФВЭ 81-84 ОЭА. Серпухов 1981.24 с.

35. Altera Corporation: The Programmable Solutions Company. http://www.altera.com

36. В.В.Борог, Н.А.Шаланда. 64-канальный входной регистр с памятью для координатного детектора Мюонный годоскоп. Научная сессия МИФИ-2006. Сб. научных трудов. 2006. т.7. с.88-89.

37. В.В.Борог, Н.А.Шаланда. Блок управления системой регистрации мюонного годоскопа на основе ПЛИС фирмы ALTERA. Научная сессия МИФИ-2002. Сб. научн. трудов. 2002. т. 7. с.33-34.

38. В.А.Сенько, В.И.Якимчук. Аппаратура сопряжения электронных систем МИСС, СУММА и VME с микроЭВМ "Электроника-60". Препринт ИФВЭ 95-105 ОЭА. Протвино 1995. 15 с.

39. Ю.Б. Бушнин, В.С.Ваньев, П.И.Гончаров и др. Быстродействующая система регистрирующей и триггерной электроники для экспериментальных исследований в ИФВЭ. Препринт ИФВЭ 88-47 ОЭА. Серпухов 1988. 19 с.

40. Л.И.Дорман. Метеорологические эффекты космических лучей. М., Наука, 1972.208 с.

41. СЛ.Марпл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М. Мир. 1990. 584 с.

42. А.А.Самарский, А.В.Гулин. Численные методы. М. Наука. 1989. 430 с.

43. А.К.Митропольский. Техника статистических вычислений. М. Физматгиз. 1971.576 с.

44. Д.Худсон. Статистика для физиков. М. Мир. 1967. 242 с.

45. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Наука. 1978. 832 с.

46. П.Хьюбер. Робастность в статистике. М. Мир. 1984. 303 с.

47. А.В.Крянев, Г.В.Лукин. Математические методы обработки неопределенных данных. М. Физматлит. 2003. 213 с.

48. Дж.Себер. Линейный регрессионный анализ. М. Мир. 1980. 456 с.

49. Л.И.Дорман, И.А.Пименов, В.В.Сацук. Математическое обеспечение исследований геофизических закономерностей на примере космических лучей. М. Наука. 1978.152 с.

50. Б.И.Шахтарин. Случайные процессы в радиотехнике. М. Радио и связь. 2002. 568 с.

51. Р.Отнес, Л.Эноксон. Прикладной анализ временных рядов. М. Мир. 1982. 428 с.

52. Г.Дженкинс, Д.Ватгс. Спектральный анализ и его приложения. М. Мир. Вып. 1,2. 1971.316 с. 1972. 287 с.

53. Н.М.Астафьева. Вейвлет анализ: основы теории и примеры применения. УФН. 1996 Т.166. №11. с.1146-1170.

54. А.В.Николаев (ред.). Проблемы геотомографии.М. Наука. 1997. 336 с.

55. В.И.Козлов, П.Ф.Крымский. Физические основания прогноза катастрофических геофизических явлений. Якутск. ЯНЦ СОР АН. 1993.163 с.

56. Н.В.Капралова, Л.Н.Петрова, Г.М.Швед. Колебания атмосферы и земной поверхности с устойчивыми частотами в диапазона периодов 0,7-1,5 и 2,65 час. Изв.РАН ФАО. 2004. т.40. №1. с 13-24.

57. L.LMiroshnichenko. High-energy cuttof for solar cosmic rays by the data of large non-stndard detectors. 28th ICRC. Tsukuba. 2003. p. 3321-3325.

58. Базилевская Г.А., Голынская P.M. О распространении солнечных космических лучей в межпланетной среде с учетом адиабатической фокусировки. Геомагнетизм и Аэрономия. 1989. т.29. № 2. с. 204-209.

59. S.Fischer, M.Vandas, A.Geranios, E.V.Vashenyuk, et al. Magnetic clouds and energetic particles. Proc. The Third SOLTIP Symp., Beijing, China, Oct. 14-18 1996, ed. By Feng X.S., Wei F.S. and Dryer M., Int.Academic Publishers, 1998. p.481-486.

60. N.K.Bekalaeva, E.A.Chebakova, E.V.Kolomeets et al. Drifts effects in solar cosmic rays. Proc.20th ICRC. Moscow. 1987. v.3 p. 162-165.

61. Е.Паркер. Динамические процессы в межпланетном пространстве. М. Мир. 1965. 362с.

62. Г.Ф.Крымский, А.И.Кузьмин, П.А.Кривошапкин и др. Космические лучи и солнечный ветер. Новосибирск. Наука. 1981.224 с.

63. Л.Д.Ландау, Е.М.Лившиц. Теория поля. М. Физматгиз. 1960. 400 с.

64. Л.А.Арцимович, Р.З.Сагдеев. Физика плазмы для физиков. М. Атомиздат. 1979.317 с.

65. Э.Прист, Т.Форбс. Магнитное пересоединение. М. Физматлит.2005. 591 с.

66. Б.В.Сомов. Солнечные вспышки. Астрономия. Т.34. Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР.М. 1987. с. 78-135.

67. Ю.Э.Литвиненко, Б.В.Сомов. Ускорение частиц в пересоединяющихся токовых слоях. Изв. РАН. сер. физ. 1995. т.59. с. 15-18.

68. В.В.Борог, А.Ю.Буринский, В.В.Дронов, Е.В.Коломеец, В.М.Смирнов. Генерация, распространение и регистрация CKJ1 высоких энергий. Изв.РАН. 1997. сер. физ. т.61. №6. с. 1053-1056.

69. А.Д.Чертков. Солнечный ветер и внутреннее строение Солнца. М. Наука. 1982. 248 с.

70. D.B.Swinson, M.A.Shea. The September 29, 1989 ground-level event observed at high rigidity. Geophys.Res.Lett. 1990. v. 17. № 8. p. 1073-1075.

71. K.Munakata, T.Kuwabara, S.Yasue et al. A "loss-cone" precursor of an approaching shock observed by a cosmic ray muon hodoscope on October 28, 2003. Geophis. Res. Letters. 2005. v.32. L03S04.

72. K.Munakata, J.W.Bieber, T.Kuwabara et al. Prototype muon detector network covering a full range of cosmic ray pitch angles. Proc. 27th ICRC, Hamburg, 2001,p.3494-3497.

73. K.Munakata, J.Bieber, S.Yasue et al. Precursors of geomagnetic storms observed by the muon detector network. J.Geophys.Res. 2000. v. 105, № A12, p. 27,457-27,468.

74. D. Heck, J.Knapp, J.N.Capdevielle et al., CORSIKA: A Monte Carlo Code to Simulate Extensive Air Showers. Forschungszentum Karlsruhe, 1998. FZKA 6019. 90 p.

75. V.V.Borog, O.V.Belonosova, P.O.Simakov. Observation of muon flux increase during GLE of 14.07.2000 by means of large aperture hodoscope. Proc. 28th ICRC, Tsukuba. 2003. v.l. p.87-90.

76. O.Adriani et al. The L3+C detector, a unique tool-set to study cosmic rays. Nucl.Inst. and Meth. 2002. A488(l-2). p.209- 225.

77. Y.Ma. Search for a muon flux enhancement during the solar flare of 14 jule 2000 with the L3+C date. Proc. 28th ICRC. Tsukuba. 2003. v.6. p. 3393-3396.

78. J.W.Bieber et al. Energetic particle observatuons during the 2000 jule 14 solar event. Astrophs. J. 2002. v. 567. p.622-634.

79. R.P.Lepping, D.B.Berdichevsky, L.F.Burlaga et al. The bastille day magnetic clouds and upstream shocks. Solar Physics. 2001. v.204. p. 287-305.

80. И.М.Черток. Корональные выбросы массы и их роль в космической погоде. Солнечно-земная физика. Иркутск 2002. Вып.2(115). с.7- 9.

81. А.Дмитриев, А.Белов, Р.Гор1уца и др. Российские инициативы по по космической погоде. Иркутск 2002. Солнечно-земная физика. Вып.2(115). с.140-141.

82. В.Г.Елисевич. Физические основы прогнозирования возмущений в околоземной среде по характеристикам солнца. Солнечно-земная физика. Вып.2(115). Иркутск 2002. с.57-60.

83. В.П.Максимов. Солнечные факторы, определяющиеизменения космической погоды, и задачи их прогнозирования. Солнечно-земная физика. Вып.2( 115). Иркутск 2002. с. 13-15.

84. A.C.Sterling, H.S.Hudson, B.J.Thompson, D.M.Zarro. Yohkoh SXT and SOHO EIT Observations of "Sigmoid-to-Arcade" Evolution of Structures Associated with Halo CMEs. Astrophys. J. 2000. v.532. p.628-633.

85. И.С.Веселовский. Гелиосфера и солнечный ветер в максимуме 23-го цикла. Солнечно-земная физика. Вып.2(115). Иркутск 2002. с.50-53.

86. В.В.Борог; В.В.Дронов. Изучение динамических процессов в гелиосфере с помощью мюонного годоскопаю. Астрономический вестник. 2000. т. 34. № 2. с.126-130.

87. R.P.Lepping, J.A.Jons, L.F.Burlaga. Magnetic structure of interplenetary of magnetic cloud at 1 a.u. J.Geophys.Res. 1990. v. 95. p. 11957-11965.

88. M.Vandas, S.Fischer, M.Dryer et al. Simulation of magnetic cloud propagation in the inner Heliosphere in two dimentions. J.Geophys.Res. 1995. v. 100 p.12285-12292.

89. С.А.Стародубцев. Динамика спектров флуктуаций KJI перед солнечными протонными вспышками и форбуш-понижениями. Геомагнетизм и аэрономия. 1985. т.25. №6. с.997-1000.

90. В.И.Козлов. Прогноз космической погоды в реальном времени по данным наземных станций космических лучей. Солнечно-земная физика. Вып.2(115). Иркутск 2002. с.96-98.

91. А.В.Белов, Л.М.Байсултанова, Е.А.Ерошенко и др. Необычно большой магнитосферный эффект в космических лучах 20 ноября 2003 г. Изв. РАН. сер. физ. 2005. т.69. № 6. с.857-859.

92. М.И.Тясто, О.А.Данилова, Н.Г.Птицына и др. Магнитосферный эффект космических лучей в период геомагнитных бурь. Изв. РАН. сер. физ. 2005. т.69. №6. с.861-864.

93. E.V.Vashenyuk, Yu.V. Balabin, B.B.Gvozdevsky. Relativistic solar proton dynamics in large GLE of 23rd Solar Cycle. Proc.28th ICRC. 2003. v.6. p.3401-3434.

94. А.В.Белов, Е.А.Ерошенко, В.А.Оленева и др. Питч-угловое распределение КЛ перед геомагнитными бурями. Солнечно-земная физика. Иркутск. 2002. Вып.2(115). с.83-85.99. http://www.sec.noaa.gov/ace/MAGSWEPAM24h.html

95. В.В.Борог, А.Г.Баскин, П.О.Симаков. Методика ранней диагностики солнечных ударных волн на орбите Земли. Научная сессия МИФИ-2001, Сб. научн. трудов. 2001. т.7. с.18-19.

96. В.В.Борог. Мюонная томография новый метод дистанционного мониторинга гелиосферы и атмосферы Земли. Сб. Трудов III Всерос. научн. конфер. "Физические проблемы экологии". М. МГУ. 2001. т.7. с.5-14.

97. O.V.Belonosova, V.V.Borog, P.O. Simakov. The technique of registration of Forbuch-decrease in tomography mode. 18th European Cosmic Ray Symposium. Moscow. 2002. Jule 8-12. Abstracts. SH22P.

98. О.В.Белоносова, В.В.Борог, П.О.Симаков. Методика регистрации Форбуш-эффекта в томографическом режиме. Изв. РАН. сер. физ. 2003. т.67. № 4. с.515-518.

99. O.V.Belonosova, V.V.Borog, A.A.Petrukhin, P.O.Simakov. The technique of Forbush decrease registration in tomography mode. Proc. 28th ICRC. Tsukuba. 2003. p ,3627-3630.

100. В.В.Борог, О.В.Белоносова, Т.А.Орлова. Патрулирование солнечной погоды с помощью наземного мюонного годоскопа-томографа. Изв. РАН. сер. физ. 2006. т.70. № 10. с. 1549-1552.

101. N.K.Bekalaeva, E.A.Chebakova, E.V.Kolomeets et al. Drifts effects in solar cosmic rays. Proc.20th ICRC. Moscow. 1987. v.3. p.162-165.

102. А.В.Белов, Е.А.Ерошенко, К.Г.Иванов, В.Г.Янке. Причины и предвестники форбуш-понижений. Изв. РАН. сер. физ. 1997. т.61. №6. с.1100-1103.

103. K.Fujimoto, J.Okada, T.Aoki et. al. Observation of Forbush decrease by the narrow angle muon telescope at Mt. Norikura. Proc. 26th ICRC. p. 484-487. 1999

104. T.Nonaka, Y.Hayashi, Y.Ishida et al. Study of cosmic term variations using GRAPES-3 muon telescopes. Proc. 28th ICRC. 2003. p. 3561-3564.

105. В.В.Борог. Мюонная томография. Труды 1-ой Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. Нальчик. НГУ. 2000. с.129-136.

106. T.Kuwabara, K.Munakata, S.Yasue et al. Geometry of an interplanetary CME on October 29.2003 dedused from cosmic rays. Geophis. Res. Let. 2004. v.31. L19803.

107. I.S.Petukhov, S.I.Petukhov, S.A.Starodubchev. Dynamics in the arrival directions of galactic cosmic rays in the presence of large-scale solar wind distrurbances. Proc.29th ICRC. Pune. 2005. p.101-104.

108. В.В.Борог, В.В.Дронов, С.П.Перов, Г.М.Крученицкий. Вариации мюонной компоненты во время Форбуш-эффектов 1998 года по данным наземного сцинтилляционного годоскопа ТЕМП. Изв РАН.сер. физ. 2001. т.65, № 3. с.381-384.

109. L.F.Burlaga, E.Sittler, F.Mariani et al. Magnetic loop behind an interplanetary shock: Voyager, Helios and IMP 8 observation. J Geophys. Res. 1981. v. 86. p. 6673-6684.

110. J.T.Gosling, D.J.McComas, J.L.Phillips, S.J.Bame. Geomagnetic activity associated with earth passage of interplanetary shock disturbances and coronal mass ejection. J.Geophys.Res.1991. v. 96. p.7831-7841.

111. Zhang G., Burlaga L.F. Magnetic clouds, geomagnetic disturbances and cosmic ray decreases. J.Geophys.Res. 1988. v. 93. p.2511-2518.

112. T.Mulligan, C.T.Russel. Multispacecrafi modelling of the flux rope structure of ICME: Cylindrically symmetric versus nonsymmetrical topologies. J.Geophys.Res. 2001. v.106. p.10581-10596.

113. K.Munakata, T.Kuvabara, J.W.Bieber et al. CME geometry dedused from cosmic ray anisotropy. Proc. 28th ICRC. Tsukuba. 2001. p.3561-3564.

114. Vashenyuk E.V., Fischer S., Vandas M., Shea M.A., Smart D.F. Peculiarities of anisotropy during Ground Level Events of the 22 cycle of solar activity. Proc. 24th ICRC. Rome. 1995. v. 4. p.317-320.

115. Л.И.Дорман, В.С.Смирнов, М.И.Тясто. Космические лучи в магнитном поле Земли. М. Наука. 1971. 400 с.

116. M.A.Shea, D.F.Smart. Possible evidence for a rigidity-dependent release of relativistic protons from the solar corona. Sci.Rev.1982. v. 32. p.251-271.

117. А.М.Гальпер. С.В.Колдашов, А.М.Мурашов. Численное моделирование физических процессов на атмосферной границе радиационного пояса. Космические исследовния. 2000. т.38. с.102-107.

118. V.V.Phelkin, E.V.Vashenyuk, B.B.Gvozdevsky. Relativistic solar proton dynamics during the 14 July 2000 GLE. Modeling results. Proc. 27th ICRC Hamburg. 2001. p. 3379-3382.

119. N.A.Tsyganenko. A magnetospheric magnetic field model with a warped tail current sheet. Planet.Space Sci. 1989. v. 37. № 1. p.5-20.

120. N.A.Tsyganenko. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry. 1. Mathematical structure. J. Geophys. Res. 2002. v. 107. 10.1029/2001JA000219.

121. G.W.Clark. Arrival directions of cosmic ray air showers from the northern sky. Phys. Rev. 1957. v. 108. p. 450-457.

122. D.E.Alexandreas, R.C.Allen, D.Berley et al. Observation of shadowing of ultrahigh-energy cosmic rays by the Moon and the Sun. Physical Review D. 1991. v.43. №5. p.1735-1738.

123. M.Ambrosio, R.Antolini, C.Aramo et al. Observation of shadowing of cosmic rays by the Moon using a deep underground detector. Prysical Review D.1998. v.59. №1.012003-1-012003-7.

124. Ю.М.Андреев, В.Н.Закидышев, С.Н.Карпов, В.Н.Ходов. Наблюдение тени Луны по мюонам космических лучей. Космические исследования. 2002. т.40. №6. с. 604-609.

125. О.В.Белоносова, В.В.Борог, Е.Ю.Сметанина, П.О.Симаков, В.Г.Янке, Наблюдение "тени" луны в потоке космических лучей умеренных энергии (десятки ГэВ). Изв. РАН. Сер. физ. 2005. т.69. № 3. с.436-438.

126. С.Хаякава. Физика космических лучей. 4.1. М. Мир. 1973. 701 с.

127. В.В.Борог, Мюонная томография новый метод дистанционного мониторинга гелиосферы и атмосферы Земли. Сб. Трудов III-Bcepoc. научн. конфер. "Физические проблемы экологии". М, МГУ. 2001. т.7. с.7-14.

128. Люк К.Л. Юань, Ц.С.Ву (ред.). Принципы и методы регистрации частиц. М. Изд.Иностр.Лит. 1963. 343 с.

129. Справочник стандартной атмосферы. М. Гидрометеоиздат. 1977. 356 с.

130. O.C.Allkofer, P.K.F.Crider. Cosmic rays on Earth. Physics Data. 1984. №25-1

131. Peter K.F. Grider. Cosmic Rays at Earth. 2001. Elsevir. 1093 p.

132. Л.И.Дорман, В.Г.Янке. К теории метеорологических эффектов космических лучей. Изв. АН СССР. сер. физ. 1971. т. 35. №12. с.2571-2586.

133. Дж.Вильсон (ред.). Физика космических лучей. 1954. М. Изд. Иностр. Лит. т.1. 437 с.

134. Г.Брасье. Аэрономия средней атмосферы. Л. Гидрометеоиздат. 1987. 414 с.

135. В.В.Зуев. Лидарный контроль стратосферы. Новосибирск. Наука.2004. 422с.

136. Г.С.Голицын, А.А.Васильев (ред.). Гидрометеорологические опасности. М. Крук. 2001.296 с.

137. С.Д.Данилов, А.И.Свертилов. Внутренние гравитационные волны, генерируемые при прохождении гроз. Изв. АН ФАО. 1991. т.27, №3. с. 234-241.

138. В.В.Борог, О.В.Белоносова, П.О.Симаков. Мониторинг мощных гроз по вариациям интенсивности мюонов. Научная сессия МИФИ-2003, Сб. научных трудов. 2003. т.7. с. 43-44.

139. В.Борог, С.А.Смирнов. Методика измерения флуктуаций температуры в верхней атмосфере с помощью наземного мюонного годоскопа. Научная сессия МИФИ-98. Сб. научн. трудов. 1998. т.2. с. 49-50.

140. О.В.Белоносова, А.В.Белов, В.В.Борог, А.С.Давыдов, Г.М.Крученицкий, С.П.Перов, В.ГЛнке. Мониторинг температуры атмосферы на разных высотах по угловому спектру мюонов. Изв. РАН. сер. физ. 2005. т.69. № 3. с. 439-441.

141. В.В.Борог, А.В.Гвоздев, В.В.Дронов. Регистрация гравитационных волн в период грозовой активности с помощью мюонного годоскопа, в кн. Научная сессия МИФИ-98. Сб. научн. трудов. 1998. т.2. с.5-47.

142. В.В.Борог, А.В.Гвоздев, В.В.Дронов. Изучение волновых процессов, возбуждаемых в атмосфере Земли конвективно-грозовыми явлениями, с помощью мюонного годоскопа. Изв. АН Сер. ФАО. 1999. т.35. №1. с. 2433.

143. V.V.Borog,V.V.Dronov. Registration of acoustic waves in the top atmosphere with the help of ground level muon hodoscope. Proc of XXIV General Assembly of EGS. Hague. Netherlands. 1999. Abstracts. ST2.

144. Л.И.Дорман, Ю. Я. Крестьянин ков. Среднемассовая температура и спектрографический метод исследования вариаций космических лучей. Гемагнетизм и аэрономия. 1977. т. 17. № 4. с. 622-627.

145. Y. Miyazaki, M. Wada. Acta Phys. Acad. Sci. Hung. v.29. Suppl. 2. 1970. p. 591-594.

146. А.В.Белов, ЯЛ.Блох, Л.И.Дорман, С.И.Роговая. Температурные вариации атмосферы по данным наземных наблюдений. Тр. Всесоюзн. конф. по косм, лучам. 1987. Алма-Ата. с.75-76.

147. А.В.Белов, Я.Л.Блох, Л.И.Дорман, С.И.Роговая. Дистанционная диагностика атмосферного профиля температуры по наземным измерениям мезонной момпоненты. Сб. "Солнечная активность и солнечно-земные связи". Ленинград. ЛТФИ. 1987. с.186-189.

148. М.П.Ананьева, В.В.Борог, В.В.Дронов, А.С.Иванов. Изучение динамики среднемассовой температуры атмосферы с помощью мюонного годоскопа, Научная сессия МИФИ-99, Сб. научн. трудов. 1999. т. 4. с.46-47.

149. V.V.Borog, O.V.Belonosova, A.S.Davydov, G.M.Kruchenitskii, S.P.Perov, V.G.Yanke. Studu of Atmospheric Temperature at Different Altitudes using Muon Angular Distribution at Sea Level. Proc. 29th ICRC. Pune.2005. v.2. p.381-384.

150. П.В.Трусов (ред.). Введение в математическое моделирование. М. Интермет инжиниринг. 2000. 440 с.

151. Астрономический календарь. Постоянная часть. 1968. 456 с.

152. Н.Н.Романова, Н.Г.Якушкин. Внутренние гравитационные волны в нижней атмосфере и источники их генерации. Изв. АН ФАО. 1995. т.31. №2. с. 163-186.

153. A.M.Galper, V.G.Kirillov-Ugryumov, N.G.Leikov, B.I.Luchkov. Proc. 17th ICRC. 1981. v.10. p.293-296.

154. Л.И.Дорман, И.Я.Либин и др. Регистрация солнечного терминатора с помощью нейтронного монитора. Изв. АН. сер.физ. 1975. т.55. №10. с.778-791.

155. Э.Э.Госсард, У.Х.Хук. Волны в атмосфере. М. Мир. 1978. 532 с.

156. В.В.Борог, В.В.Дронов. Изучение динамических процессов в гелиосфере с помощью мюонного годоскопа. Астрономический вестник. 2000. т. 34. № 2. с. 126-130.

157. В.В.Алексеенко, В.Г.Сборщиков, А.Е.Чудаков. Микровариации интенсивности космических лучей и электрическое поле атмосферы. Изв. АН. сер. физ. 1984. т. 48. №11. с. 2152-2154.

158. В.В.Ростопчин, В.И.Уйбо, Н.Н.Бондаренко, С.Г.Чевардов. Установка для коррекции погодных условий. Патент № 2161881.

159. А.А.Палей, В.И.Уйбо. Способ воздействия на атмосферу. Патент № 2084128.

160. В В.В.Борог, В.В.Дронов, В.И.Уйбо. Искусственная генерация внутренних гравитационных волн и их регистрация наземным мюонным годоскопом. в Научная сессия МИФИ-2000. Сб. научн. трудов. 2000. т.7. с.35-36.

161. Ю.А.Глаголев. Справочник по физическим параметрам атмосферы. Ленинград .1970.211 с.

162. M.J.Gurry, R.C.Murty. Thunderstorm generated gravity waves. J.Atmospheric. Sci. 1974. v.31. № 5. p.1402-1408.

163. Система АКСОПРИ (http://www.kruk0v0.0rg/data/archive/law/51 .doc).