Зимой 2017 года на российской станции Мирный в Антарктиде стартовал новый этап долговременной программы ФИАНа по измерению космических лучей в земной атмосфере. О значении этих исследований «ФИАН-информу» рассказали научные сотрудники ФИАНа Сергей Александрович Бунчук и Владимир Салимгереевич Махмутов.

    Исследования галактических и солнечных космических лучей (ГКЛ и СКЛ) в ФИАНе имеют давнюю историю. Ежедневные зондовые измерения потоков космических лучей в атмосфере были начаты сотрудниками Института в 1957 г. на двух станциях в северном полушарии (Мурманск и Москва). А с 1963 г. начаты непрерывные измерения в Антарктиде на станции Мирный. Эта многолетняя программа ФИАНа выполнялась при участии многих институтов Академии наук и других ведомств.

    В настоящее время работа продолжается на двух станциях в северном полушарии (Мурманск и Москва) и на российской станции Мирный в Антарктиде.

 
Корпус аэрологии на станции Мирный, где производятся основные работы
по подготовке и запуску радиозондов

     С помощью радиозондов, разработанных и изготовленных сотрудниками Лаборатории физики Солнца и космических лучей ФИАН, регистрируются потоки вторичных космических лучей в верхней атмосфере. Эти вторичные частицы образуются первичными космическими протонами. На высокоширотных стратосферных станциях (Мурманск и Мирный) регистрируются частицы с энергиями Е > 100 МэВ , а на средних широтах (Москва) – с энергией Е > 1600 МэВ. Такой подход дает уникальные возможности. Поскольку измерения производятся на стационарных станциях, в пределах одних и тех же геомагнитных координат, и с помощью одинаково калиброванных радиозондов, то в результате получаются ряды однородных данных, позволяющих исследовать временны́е, пространственные (планетарные) и энергетические распределения заряженного излучения в атмосфере Земли на высотах от уровня моря до 30-35 км.

    Огромное значение имеет и продолжительность проводимых ФИАНом исследований. Достаточно сказать, что столь длинные ряды однородных данных по космическим лучам с энергией Е > 100 МэВ в земной атмосфере больше нигде в мире не существуют. Исследования на околоземных космических станциях имеют, как правило, более короткую продолжительность. Полученные же учеными ФИАНа результаты предоставляют возможность для рассмотрения многих проблем физики космических лучей, физики Солнца, гелиосферы и солнечно-земной физики.

    «Длительный, уже почти 60-летний период наблюдений, сопоставление полученных характеристик космических лучей с другими данными (по циклам солнечной активности и пр.) позволяет нам надеяться на формирование точных критериев по долгосрочному, краткосрочному и оперативному прогнозированию возникновения критичных потоков высокоэнергичных частиц в земной атмосфере. А это уже представляет собой не только научный, но и важный прикладной интерес, поскольку данные по потокам частиц как галактического, так и солнечного происхождения привлекаются к решению задач, связанных с изменениями климата и погоды, для объяснения многих атмосферных процессов (ионизация в тропосфере, грозовые явления), для оценок доз радиации на самолетных высотах и за пределами атмосферы и многое другое», – рассказывает Сергей Александрович.

Запуск радиозонда для измерения космических лучей в атмосфере

    Полученные на сегодняшний день экспериментальные данные по потокам ГКЛ в атмосфере позволили обнаружить ряд уникальных явлений. Так, например, было обнаружено, что интенсивность потоков частиц носит периодический характер. Причем можно наблюдать несколько циклов: «длинные» – 11- и 22-хлетние, хорошо согласующиеся с циклами солнечной активности, и «сезонный» – 3-хмесячный.

    Отдельное направление в рамках наблюдений за ГКЛ приобрели исследования т.н. высыпаний высокоэнергичных электронов магнитосферного происхождения. Магнитосфера Земли содержит заряженные частицы (протоны и электроны) в радиационных поясах. Взаимодействие магнитосферы с потоками высокоскоростной плазмы (солнечного ветра) приводит к дополнительному ускорению заряженных частиц, которые при определенных условиях могут вторгаться в земную атмосферу. Характеристики высыпающихся электронов, тесно связанные с межпланетными магнитными полями и активными процессами на Солнце, способны дать ценную информацию о механизмах взаимодействия магнитосферы Земли с солнечным ветром.

    Важность этих исследований, помимо чисто научного интереса, определяется тем, что потоки высыпающихся высокоэнергичных электронов оказывают влияние на физико-химические свойства земной атмосферы, создают опасность радиационного облучения на околоземной орбите, создают помехи в работе спутников, систем связи и наземного высокоточного оборудования. Высокоэнергичные электроны принимают деятельное, хотя и опосредованное, участие в формировании баланса озона в атмосфере Земли.

    Осознание важности высыпаний частиц в земную магнитосферу для прогнозирования и оценки магнитосферных процессов привели к росту интереса к данным ФИАН со стороны международного научного сообщества. В ФИАН были проведены многочисленные расчеты и численное моделирование распространения потока электронов в верхней атмосфере Земли. На основании долговременных наблюдений и расчетов сотрудниками ФИАН был составлен и опубликован уникальный «Каталог наблюдений высокоэнергичных магнитосферных электронных высыпаний», который продолжает пополняться новыми данными. Многолетние исследования фиановцев по космическим лучам в атмосфере Земли позволяют двигаться нашим ученым в авангарде международных работ, порою опережая их на несколько шагов.

    «В последние десятилетия предприняты колоссальные усилия для понимания и прогнозирования электронных высыпаний. Были организованы серии международных экспериментов с привлечением спутников и аэрозондов с целью одновременного наблюдения потоков электронов в космическом пространстве и в атмосфере. Проводимые ранее исследования позволили определить некоторые характеристики спектров высыпающихся электронов, соотнести их с данными по ГКЛ, солнечным циклам и пр.

    Созданный нами Каталог весьма полезен для изучения отношений между параметрами электронных спектров и сопутствующих явлений с целью лучшего понимания основной физики явления. Область исследований электронных высыпаний по-прежнему очень широка. Необходима дополнительная информация о динамике энергетических спектров, временно́й изменчивости высыпаний, относительном вкладе различных механизмов в истощение радиационного пояса в зависимости от типа геомагнитных возмущений. Что же касается практической «полезности», то, на наш взгляд, Каталог будет незаменим при моделировании атмосферных эффектов, например таких, как дополнительная ионизация соединений NOx и HOx, которые, в свою очередь, оказывают влияние на баланс озона в земной атмосфере», – отметил Владимир Салимгереевич, руководитель научного проекта.

      В январе 2017 года, после долгого перехода из г. Санкт-Петербург в Антарктиду, приступила к работе очередная смена полярников на станции Мирный, в которую входит и сотрудник ФИАН С.А. Бунчук. На протяжении долгого периода он будет проводить регулярные измерения космических лучей, осуществлять предварительную обработку и передачу результатов на материк, где предстоит проведение дальнейшего анализа данных, сопоставления их с ранее полученными результатами, с данными других станций, проведение расчетов по интенсивности ГКЛ.

   Проводимые в настоящее время исследования позволят ученым дополнить существующую базу данных новыми наблюдениями с целью уточнения уже обнаруженных зависимостей и установления новых закономерностей.

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»