Модели потоков частиц космических лучей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени

М.В.ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

имени Д-В.Скобельцина

НЫММИК РИХО АЛЬФРЕДОВИЧ

//9

МОДЕЛИ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ (РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ)

(01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц)

Диссертация

на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Общая характеристика работы 4

Актуальность темы Цель работы Научная новизна Практическая значимость Апробация работы

Основные положения выносимые на защиту

Глава 1. Динамическая модель галактических космических лучей 12

1.1 Галактические космические лучи и проблемы моделирования потоков частиц. 12

1.2 Динамическая модель ГКЛ: исходные положения 22

1.3 Спектры частиц ГКЛ в ближнем межзвездном пространстве 23

1.4 Модуляционная функция. 29

1.4.1 Модуляционный потенциал.Эффект запаздывания изменения

потоков частиц. 31

1.4.2 Эффект модуляции, зависимый от знака заряда частиц. 43

1.5 Некоторые особенности модели, ее точность и реализация. 45

1.5.1 Некоторые отличительные черты модели 45

1.5.2 Точность модели 46

1.5.3 Реализация модели 51

Глава 2. Вероятностная модель солнечных космических лучей 53

2.1 Солнечные космические лучи и проблемы моделирования потоков частиц. 53

2.2 Вероятностная модель СКЛ: исходные положения. 59

2.3 Энергетические спектры частиц СКЛ. 60

2.3.1 Энергетические спектры протонов СКЛ 60

2.3.2 Энергетические спектры тяжелых ионов СКЛ. 73

2.3.3 Резюме о виде энергетических спектров частиц СКЛ 81

2.4 Частота событий СКЛ, регистрируемых на орбите Земли. 83

2.5 Функция распределения событий СКЛ по величине флюенса протонов. 87

2.6 Вероятностная модель потоков: логика расчетов, реализация. 97

Глава 3. Проникновение частиц на околоземные орбиты ИСЗ 106

3.1 Оценка величин эффектов пенумбры и угловой зависимости

при упрощенном расчете функций проникновения 108

3.2 Суточные выриации жесткости обрезания в спокойной магнитосфере при малых

жесткостях 111

3.3 Изменение жесткости обрезания при больших жесткостях согласно

модели Цыганенко-89 114

3.4 Обобщенный алгоритм для вычисления изменении величины геомагнитного

обрезания в зависимости от возмущённое™ магнитосферы 119

3.5 Функции проникновения на орбиту международной станций "Альфа" 125

Глава 4. Исследование характеристик потоков частиц космических лучей

на базе модельных представлений. 127

4.1. Потоки частиц СК/1 на околоземных орбитах ИСЗ 127

4.1.1 Событие СКЛ от 16. мая 1981 - эксперимент "Астро-1" 127

4.1.2 Потоки ионов событии СКЛ с зарядом ядра Z>20 на орбите

станций "Салют" и "Мир" 131

4.1.3 Потоки ионов событий СКЛ 1989 года на орбитах ИСЗ и зарядовые состояния ионов СКЛ высоких энергий 133

4.2 Потоки тяжелых частиц ГКЛ на околоземных орбитах ИСЗ 136

4.2.1 Потоки тяжелых ионов на орбите станции Солют-6 (эксперимент "Астро-2") 137

4.2.2 Другие эксперименты ("Anuradha", "Каштан", "LDEF") в свете гипотезы о

неполностью ионизованных частицах ГКЛ 143

4.3 Зарядовое состояние аномального кислорода, метод двух орбит. 150

Глава 5. Некоторые важнейшие приложения в смежных науках и практике. 155

5.1 Некоторые характеристики радиационных полей на околоземных орбитах 155

5.2 Одинночные сбои в интегральных микросхемах. 160

5.3 Галактические и солнечные космические лучи в атмосфере Земли. 170

Заключение 175

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации 178

Цитируемая литература 184

Приложения 195

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена решению задач математического моделирования основных закономерностей поведения потоков частиц космических лучей при изменении факторов солнечной активности в разных областях ближнего космического пространства, а также применению разработанных моделей для определения характеристик потоков высокоэнергичных частиц и радиационных условий в космосе.

Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в ближнем космическом пространстве состоят из трех компонентов космических лучей - галактического, солнечного и аномального (ГКЛ, СКЛ и АКЛ, соответственно), к которым в околоземном космическом пространстве добавляются потоки частиц захваченной магнитным полем Земли радиации. Кроме того, в условиях полета космических аппаратов (КА) к естественной радиации добавляются потоки частиц, индуцированные в конструкционных элементах самих аппаратов. Каждый из названных потоков характеризуется своими закономерностями поведения во времени и пространстве. Поскольку ни один из них не существует в пространстве изолированно, то систематическое и дифференцированное исследование каждого из них, за исключением редких ситуаций, связано с необходимостью использования разностных методов, при которых из наблюдаемого суммарного потока вычитаются потоки частиц, являющиеся по отношению к исследуемым потокам фоновыми, или наоборот, налагаются на исследуемый поток временно. Ясно, что достоверность результата при применении разностной методики в существенной степени зависит от достоверности математических моделей, описывающих поведение потоков частиц в пространстве и времени.

За годы активных экспериментальных исследований характеристик потоков заряженных частиц космических лучей накоплен достаточно большой объем фактического материала. Однако этот материал во многом носит фрагментарный характер, до сих пор остается необобщенным, а часто и противоречивым. Так, например, многочисленные эксперименты по исследованию химического состава разных компонент космических лучей не всегда приводили к совместимым результатам. Не всегда математическое описание вида энергетического спектра для сравнения с той или иной теоретической концепцией выбирается соответствующей наиболее адекватной. Бывает, что исследователи делают по полученным экспериментальным результатам неправильные выводы лишь потому, что нет простых модельных представлений, которые могли бы служить объективным критерием справедливости таких выводов. При всех таких обстоятельствах критерием могли бы служить математические модели, при создании которых был бы обобщен весь имеющийся экспериментальный и теоретический опыт.

Острая необходимость в моделях потоков частиц космических лучей имеет место и в многочисленных смежных науках, например, при изучении солнечно-земных

связей; при решении проблем воздействия высокоэнергичных частиц на атмосферы планет; при обеспечении радиационной безопасности в космосе для жизнедеятельности объектов органической природы вообще и человека, в частности; при решении проблем бесперебойной работы космической техники.

Создание математических моделей потоков частиц является обобщением (категория синтеза в мышлении) имеющихся экспериментальных и теоретических сведений. При этом процесс моделирования с необходимостью включает процесс исследования, который невозможен без создания модели. Это обстоятельство обуславливает способ изложения материала диссертационной работы, где вопросы математического моделирования объекта тесно переплетаются с вопросами его исследования.

Цель работы

Целью работы является создание математических моделей, описывающих потоки частиц галактических и солнечных космических лучей в зависимости от факторов солнечной активности, применение разработанных моделей для определения характеристик потоков высокоэнергичных частиц в космическом пространстве и для определения радиационных условий полета космических аппаратов.

Научная новизна

К основным результатам диссертации, обладающих научной новизной, относится следующее.

1. В результате анализа и обобщения совокупности опубликованных экспериментальных данных по исследованию потоков частиц галактических космических лучей:

- определены вид функции и параметры, описывающие форму спектров протонов и ядер (1 < г < 28 ) ГКЛ в диапазоне энергии 10-И О4 МэВДнуклон) за пределами области солнечной модуляции - в ближнем межзвездном пространстве (БМЗП);

определены количественные закономерности эффекта запаздывания изменения потоков частиц галактических космических лучей по отношению к изменению уровня солнечной активности (СА) в зависимости от жесткости частиц, от уровня солнечной активности, от полярности общего (полярного) магнитного поля Солнца;

- разработаны алгоритмы и программы, в совокупности составляющие математическую модель описания крупномасштабных изменений потоков частиц ГКЛ на орбите Земли в зависимости от изменения уровня солнечной активности и общего магнитного поля Солнца.

- создана база экспериментальных данных потоков частиц ГКЛ и общедоступная программа расчета энергетических спектров частиц в сети Интернет.

2. В результате анализа и обобщения совокупности опубликованных экспериментальных данных о потоках частиц солнечных космических лучей:

- предложен новый аналитический вид энергетических спектров частиц (протонов и тяжелых ионов) солнечных космических лучей (СКЛ) - степенная функция импульса на нуклон, отличающийся от известных тем, что спектральный индекс спектра для всех частиц постоянен в области энергии выше 30 МэВ/нуклон, а в области энергии ниже указанного уменьшается как степенная функция энергий. Такой спектр точнее, чем прежние, описывает экспериментальные данные флюенсов и пиковых потоков часстиц;

- определены величины параметров, описывающих имеющуюся совокупность экспериментальных данных о флюенсах и пиковых потоках частиц СКЛ как в среднем, так и их флюктуации; найдены аналитические зависимости указанных параметров как от величины событий СКЛ, так и от величин одних параметров от других;

- установлено, что в событиях СКЛ отношение потоков тяжелых ионов к потоку протонов в среднем не является постоянным, а уменьшается с возрастанием энергии (на нуклон) частиц;

- разработаны алгоритмы и программы, в совокупности составляющие математическую модель, устанавливающую вероятность появления на орбите Земли флюенсов и пиковых потоков протонов и ионов СКЛ с зарядом ядра 1 < г < 28 в диапазоне энергии Ю-ИО^ МэВ/(нуклон) в зависимости от уровня солнечной активности и продолжительности времени наблюдения; создана общедоступная программа расчета энергетических спектров частиц СКЛ в сети Интернет.

3. Путем обобщения имеющихся экспериментальных данных и результатов

теоретических расчетов разработаны простые и эффективные алгоритмы для расчета жесткости геомагнитного обрезания и функции проникновения заряженных частиц на околоземные орбиты искусственных спутников Земли, учитывающие суточные вариации и депрессию геомагнитного поля во время возмущений.

4. Совместное использование вышеназванных моделей и расчетных программ

позволяло получить ряд новых физических результатов, в том числе:

- установить, что наблюдаемые на околоземных орбитах в ряде экспериментов ("Астро-1" и "Платан") потоки тяжелых частиц являются потоками частиц СКЛ, проникавшимися во время геомагнитных возмущений на орбиты из-за депрессии геомагнитного поля;

- указание на то, что зарядовые состояния ионов железа в крупных событиях СКЛ 1989 года распределены нормально со стандартным отклонением около 2

зарядовых единицы, а среднее зарядовое состояние с увеличением энергий от 50 до 500 МэВ/нуклон возрастает.

5. Предложен и реализован метод определения зарядовых состояний частиц

космических лучей, основанный на одновременном измерении потоков частиц, проникающих на две околоземных орбиты ИСЗ разного наклонения. Определено, что частицы кислорода аномального компонента космических лучей - суть однократно ионизованные атомы.

6. Определены характеристики энергетического баланса галактических и солнечных

космических лучей, воздействующих на атмосферу Земли. Показано, что в условиях наблюдаемого в последние десятилетия уровня солнечной активности, большую часть энергий космических лучей в атмосферу вносят потоки частиц СКЛ, динамика которых определяет в глобальном масштабе эффекты, вызываемых заряженными частицами высоких энергий в верхней атмосфере.

7. Показано, что расчетные оценки частоты одиночных сбоев электронных микросхем

при воздействий потоков частиц, выполненные на основе разработанных моделей ГКЛ и СКЛ, находятся в согласии с экспериментальными данными. Установлено, что при воздействий на микросхемы потоков частиц СКЛ, при небольшой толщине защиты микросхем преобладает эффект от многозарядных ионов, а при увеличении толщины защиты определяющим становится эффект, обусловленный воздействием протонов.

Практическая значимость.

Основная практическая значимость работы состоит в использовании для нужд физики космических лучей, космонавтики и смежных наук разработанных математических моделей галактических и солнечных космических лучей, являющихся обобщением экспериментальных данных о потоках частиц. Модели в целом и выявленные при их разработке отдельные закономерности, характеризующие поведение потоков частиц, дают возможность:

1. Проводить анализ экспериментальных данных многокомпонентых потоков частиц космической радиации.

2. Планировать новые космические эксперименты, анализировать и интерпретировать их результаты.

3. Иметь количественную основу при исследовании Солнечно-земных связей, воздействия разных компонентов космических лучей на верхнюю атмосферу Земли, планет и т.д.

4. Определять и прогнозировать радиационные условия на околоземных орбитах ИСЗ и трассах межпланетных полетов,

5. Рассчитать параметры воздействия потоков космических лучей на материалы, технические системы космических аппаратов, на объекты органической природы, в том числе и на человека в условиях космических полетов.

Разработанные модели нашли признание международного научного сообщества, используются многими ведущими научными центрами мира. Международной Организацией Стандартизации принято решение об утверждении модели ГКЛ в качестве международного Стандарта. Модель СКЛ рассматриваются этой-же организацией в качестве проекта международного стандарта.

Разработанные модели ГКЛ и СКЛ доступны для выполнения расчетов в сети Интернет.

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены автором:

На Всесоюзных (межнациональных) конференциях по космическим лучам в Алма-Ате, (1989), в Самарканде (1992) и в Москве, (1996).

На научных ассамблеях КОСПАР в Вашингтоне (США, 1992) в Гамбурге (ФРГ, 1994) и Бирмингеме (Англия, 1996).

На международных конференциях по космическим лучам в Москве (1987) и Йоханнесбурге (1997).

На 9. пленарном совещании "Интеркосмос", Гавана (Куба), 1986.

На всесоюзных (российских) совещаниях "Математические модели ближнего космоса", (1988, 1990, 1992, 1996), "Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов", (Томск, 1991) и "Проблемы взаимодействия ИСЗ с космической средой", (Иркутск, 1992).

На международных научных семинарах: "Радиация в космосе: эмпирические и физические модели", (Дубна, 1993) и "Радиация в космосе: новые явления", (Москва, 1997).

На XVII международной конференции по твердотельным ядерным детекторам, (Дубна, 1994).

На конференции РАН "Информационные системы в науке", (Москва, 1995).

На первом американо-российском научном совещании по эксперименту "Fire" (Солнечный Зонд), (Москва, ИКИ, 5-7 июня 1995).

На II международном симпозиуме ученых и исследователей России и США, выполняющих исследования по программе "Наука-НАСА", (г. Королев, 18-22 ноября 1996).

На симпозиуме Европейского космического агентства "Моделирование окружающей среды для космических исследований, (Ноордвик, Нидерланды, 18-20

сентября 1996). На рабочем совещании HACA "Влияние событий солнечных энергичных частиц на обитаемые полеты" .(Хьюстон ,США, 9-11 сентября 1997).

На научных семинарах НИИ ядерной физики им. Д.В.Скобелцына и астрономического института им. Штернберга МГУ, Физико-технического Института РАН им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург), Физического Института РАН, на семинаре Центра космической среды Национальной администрации океанологий и атмосферы (NOAA, г. Боулдер, США), на научных совещаниях рабочих групп по радиационной безопасности космических полетов и международной организации стандартизации.

Доклады были представлены и опубликованы в трудах международных конференциях по космическим лучам в Бангалоре (Индия), 1983, в Аделаиде (Австралия), 1990, в Дублине (Ирландия), 1991, в Калгари (Канада), 1993, в Риме (Италия), 1995; на XIII международном совещании по Солнечной физике в Одессе, 1988.

Основные положения выносимые на защиту

1. Результаты анализа и обобщения совокупности опубликованных экспериментальных данных по исследованию потоков частиц галактических космических лучей, в том числе:

- параметры, описывающие форму спектров ядер (1 < z < 28 ) галактических космических лучей за пределами области солнечной модуляции - в ближнем межзвездном пространстве;

- количественные закономерн�