Метод азимутального сканирования для исследования атмосферных явлений в потоке мюонов космических лучей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тимаков Станислав Сергеевич

• Тимаков Станислав Сергеевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Тимаков Станислав Сергеевич

4.6 Анализ откликов

5 Заключение

1 Введение

Мюоны - это нестабильные заряженные лептоны с массой около 105 МэВ и средним временем жизни около 2.2 микросекунды. Мюоны космических лучей составляют наибольшую часть заряженных частиц на уровне моря, образующихся при взаимодействии первичного космическиго излучения с ядрами атмосферы Земли. Большинство мюонов рождаются в распадах заряженных п-мезонов на высоте около 15-17 км (Hg, уровень генерации), что соответствует глубине атмосферы около 100 г/см2. Средняя энергия мюонов на уровне моря для вертикального потока составляет примерно 4 ГэВ [1].

Поскольку поток мюонов зависит от потока первичных космических лучей, то он может использоваться для исследования процессов на Солнце, которые меняют конфигурацию гелиосферного магнитного поля вследствие выброса вещества во время солнечных вспышек, корональных выбросов массы и иных явлений. В то же время, поток вторичных мюонов зависит и от характеристик той среды, в которой они распространяются. Благодаря этому возможно изучение атмосферы с помощью мюонов - мюонная диагностика атмосферы.

Разделим возможные атмосферные явления на глобальные и локальные по их влиянию на поток мюонов в точке наблюдения. Глобальные явления оказывают свое влияние сразу на весь поток со всех зенитных и азимутальных углов. Учитывая, что распределение мюонов по зенитному углу 9 на уровне моря можно описать формулой [2]:

I(9) = I(0°) • cosn 9, n =1.85 ± 0.10, (1)

где I(0°) - поток мюонов с вертикального направления, то 99% всех регистрируемых мюонов приходят в диапазоне зенитных углов от 0° до 75°. С учетом Hg и предельного зенитного угла 75°, получим примерный радиус Reff = 56 км для области наблюдения - конус в атмосфере высотой Hg и радиусом Reff, вершина которого расположена в точке наблюдения. Глобальное атмосферное явление -это такое, которое не влияет на азимутальное распределение потока мюонов. Примером глобального атмосферного явления может служить установление в области наблюдения определенного атмосферного давления.

Локальное атмосферное явление - это такое явление, которое не удовлетворяет условию глобального атмосферного явления. Примером могут служить

отдельные облака или резкие перепады значений метеорологических характеристик в области наблюдения. Локальные атмосферные явления имеют пространственные характеристики: характерные размеры, скорость движения, форму и т.п. Строго говоря, все атмосферные явления имеют пространственные характеристики, но в случае локальных явлений характерные размеры меньше области наблюдения.

Для того, чтобы исследовать пространственные характеристики явления, екорость счета детектора должна быть достаточной для того, чтобы набрать необходимую статистику за время наблюдения атмосферного явления. Характерные скорости движения зависят от природы явления. Если допустить, что скорости атмосферных явлений сопоставимы со скоростями движения атмосферных фронтов, то получим средние скорости от 25 км/ч до 50 км/ч [3]. С учетом ранее вычисленного Я^ необходимая статистика должна быть набрана буквально за единицы часов.

Если детектор мюонов регистрирует частицы в относительно узком диапазоне зенитных углов, то его Яeff будет ниже. Если детектор представляет собой комплекс из нескольких детекторов, расположенных в разных точках наблюдения, то его область наблюдения уже нельзя описать одним конусом, а масштабы локальных и глобальных явлений изменятся. Кроме того, величина п в формуле 1 зависит от пороговой энергии.

Для большинства исследований потока мюонов на уровне Земли разделение на локальные и глобальные явления не нужно, поскольку для рассматриваемых в них событий изучается зависимость рапределения мюонов от времени для какой-либо характеристики атмосферы, даже если явление было локальным. Это происходит из-за того, что большинство установок, регистрирующих мюоны, является счетчиками из одного детектора, исследующими лишь интегральный поток мюонов со всех направлений разом. Изучение пространственных характеристик локальных явлений в таких условиях возможно через создание сети детекторов. В теоретической работе Luszczak [4] рассматривается возможность улучшения метеопрогнозов путем добавления к обрабатываемым данным показаний детекторов мюонов у поверхности Земли, а по результатам моделирования видно, что для сети детекторов можно рассматривать даже циклон как локальное явление.

В случае, если детектор мюонов имеет возможность различать частицы,

пришедшие с разных направлений (телескопы, годоскопы), то для него становится возможным исследование локальных явлений. Такие работы проводились на мюонном годоскопе УРАГАН и имели ограниченный успех: с помощью метода мюонографии были зарегистрированы изменения скорости счета мюонов с направлений, в которых мюоны проходят через грозовое облако [53; 54]. В рамках данной работы разработан метод для изучения вариаций потока атмосферных мюонов, которые в обычном случае лежат в пределах 3а статистической погрешности, и не являются статистически значимыми при исследовании интегральных или дифференциальных рядов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод азимутального сканирования для исследования атмосферных явлений в потоке мюонов космических лучей»

Цель работы

Разработка и развитие метода, основанного на анализе дифференциальных рядов скорости счета мюонов, регистрируемых в годоскопическом режиме, который позволяет обнаруживать атмосферные явления, не наблюдаемые в интегральном потоке мюонов.

Научная новизна

Разработан новый метод азимутального сканирования потока мюонов космических лучей, позволяющий обнаруживать влияние на поток мюонов локальных атмосферных явлений длительностью более 20 минут.

Показана возможность выделения методом азимутального сканирования отклика потока мюонов, значение которого не превышает доверительный интервал 3а при анализе скорости счета полного потока мюонов.

Впервые наблюдались изменения в потоке мюонов, связанные с атмосферными процессами в области тропопаузы (на высоте 8-10 км) с периодами до одного часа.

Показана реакция потока мюонов на такие события, как прохождение через область наблюдения высотного струйного течения и внутренней гравитационной волны от извержения вулкана.

Практическая значимость

Разработанный метод представляет собой новый способ дистанционного сканирования атмосферы, который чувствителен к процессам в верхней тропо-

сфере, области тропопаузы и нижней стратосфере, изучение которых представляет сложность для стандартных средств мониторинга атмосферы.

Метод может быть использован для обнаружения и отслеживания атмосферных фронтов в потоке мюонов: он способен зафиксировать факт прохождения фронта и оценить его пространственную ориентацию и динамику. Метод позволяет выявлять локальные атмосферные явления, которые плохо обнару-жимы в данных от наземных метеостанций или спутниковых снимках, что представляет интерес для повышения точности локальных прогнозов и уточнения данных численных моделей прогноза погоды (например, СЭЛЯ), предоставляя независимые данные о параметрах атмосферы.

Разработанный алгоритм и программное обеспечение могут быть адаптированы для любых детекторов, способных разделять мюоны по азимутальным углам.

Личный вклад автора

Автором предложена исходная концепция метода, его физическое обоснование, а также разработана и реализована методика обработки и анализа, включающая алгоритмы построения дифференциальных рядов (поток мюонов с определенных азимутальных углов), их вейвлет-анализ и создание откликов.

Автором разработан комплекс программных средств, обеспечивающий основные этапы работы: обработка матричных данных в формате (9, ф), визуализация результатов и полуавтоматический анализ событий.

Автором самостоятельно выполнен полный цикл обработки экспериментальных данных, включая отбор событий, анализ откликов и их сопоставление с данными независимых источников (спутниковые снимки, синоптические карты, данные радаров и метеостанций).

Автором продемонстрированы возможности метода при регистрации различных атмосферных явлений.

Автор принимал непосредственное участие в тестировании и апробации метода, включая сопоставление результатов с данными сцинтилляционного мю-онного годоскопа (СцМГ).

Все основные результаты, представленные в диссертации, получены лично автором и отражены в публикациях и патенте, подготовленных при его непосредственном участии.

Автор защищает:

1. Разработанный метод азимутального сканирования, способный выявлять атмосферные вариации потока мюонов, амплитуда которых лежит в области шумов интегральной скорости счета мюонов, включающий в себя:

• физическое обоснование регистрации локальных атмосферных явлений через анализ малых азимутальных анизотропий потока мюонов;

• алгоритм обработки и анализа, основанный на построении дифференциальных рядов для сканирующих плоскостей/полуплоскостей, их вейвлет-анализе и алгоритмах постобработки для подавления флуктуаций;

• способ визуализации результатов в виде круговых диаграмм, накладываемых на метеоданные.

2. Результаты экспериментального обнаружения и анализа с помощью данного метода локальных атмосферных явлений, зарегистрированных на установке УРАГАН:

• Прохождение атмосферных фронтов (теплых, холодных, окклюзии) с определением их пространственной ориентации.

• Выявление откликов, связанных с динамическими процессами в области тропопаузы и нижней стратосферы, которые не проявляются в интегральном потоке мюонов.

• Обнаружение локальных атмосферных явлений (например, ложбина), сопровождаемых аномалиями в потоке мюонов, но слабо выраженных в стандартных метеорологических наблюдениях.

Апробация работы и публикации

Результаты работы были представлены на ряде всероссийских и международных конференциях: всероссийских конференциях по космическим лучам (МГУ 2022, ФИАН 2024), международном симпозиуме по космическим лучам и астрофизике (МИФИ, 2023), симпозиумах «Физические основы прогнозирования гелиогеофизических процессов и событий» (ИЗМИРАН 2022, ИЗ-МИРАН 2024), международной конференции «Thunderstorms and elementary particle acceleration» (Ереван, 2024).

Результаты работы были опубликованы в журналах:

1. Тимаков C.C., Петрухин А.А. Азимутальное сканирование атмосферы в потоке мюонов // Известия РАН: Сер. Физ. - 2023. - Т. 87, № 8. - С. 1214-1216. [5]

2. Timakov S.S, Petrukhin A.A., Epifanov V.R. Investigation of Atmospheric Fronts by Means of Cosmic Ray Muon Flux // Phys. Atom. Nuclei. - 2023. -V. 56, I. 6. - P. 1114-1118. [6]

3. Тимаков С.С., Петрухин А.А. Исследование малых вариаций потока мюонов космических лучей в атмосфере // Вестник МИФИ. - 2025. - Т. 14, № 3. - С. 203-213. [7]

4. Патент РФ, no. RU 2819137 «Способ азимутального сканирования атмосферы с использованием потока мюонов космических лучей». 2024. [8]

Достоверность

Экспериментальные данные получены на мюонном годоскопе УРАГАН, который является сертифицированным прибором, входящим в перечень оборудования научно-технологической инфраструктуры Российской Федерации [9].

Получаемые новым методом характеристики явлений (время, направление) подтверждаются данными акустических детекторов, метеорологических радаров и спутниковых изображений для рассматриваемых событий.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации: 97 страниц, 55 рисунков, 1 таблица, 85 источников.

В первой главе рассматриваются общие вопросы и различные аспекты прохождения мюонов вторичных космических лучей через атмосферу Земли. Оценивается возможное влияние различных характеристик атмосферы на поток мюонов.

Во второй главе рассматривается разработанный метод для анализа дифференциальных потоков мюонов: все этапы отбора и фильтрации данных, визуализация результатов и сопоставление с иными источниками информации.

В третьей главе рассматриваются результаты применения метода для анализа различных атмосферных явлений. Проводится детальный разбор получаемых откликов.

В заключении перечислены основные результаты работы.

2 Мюоны в атмосфере Земли

2.1 Прохождение мюонов через атмосферу

Как отмечалось выше, основной канал рождения мюонов в атмосфере Земли включает в себя распад заряженных пионов:

П- —> и- +

+ ^ + и (2)

Слой генерации расположен на глубине атмосферы 100 г/см2, которая примерно соответствует высоте при давлении 100 мбар. Его положение варьируется от широты в точке наблюдения и параметров атмосферы. На рис. 1 приведена высота уровня 100 мбар для разных широт данным СЭЛЯ [10] за 2021 год, на котором видны сезонные вариации.

При прохождении атмосферы мюоны испытывают преимущественно ионизационные потери, которые описываются формулой Бете-Блоха [1]:

dE\ г 1/1 Мв 212^тах

= К- 7» - 1п т2 - в2

МэВ

г/см2

(3)

\ dx / Лв2\2 I2

где К = 0.307МВТ2, г/А - отношение зарядового числа среды к её атом-

ной массе, М = 1.022 МэВ, 'Ш'тах - наибольшая передаваемая электронам среды энергия в одном столкновении, I - средняя энергия выхода электронов среды, в и 7 - относительная скорость и лоренц-фактор мюона [1]. Если подставить в формулу 3 параметры сухого воздуха (г/А = 0.5, I = 85.7 эВ), то получится распределение средних потерь от импульса мюона, представленное на рис. 2. Из рисунка видно, что для энергий мюонов в десятки ГэВ можно принять средние потери энергии в 2 Г/СмВ.

Мюон - нестабильная частица с временем жизни покоя ти = 2.2 микросекунды. Время жизни мюона в атмосфере зависит от его полной энергии Е [11]:

т = Ти (Е/т,,с2) (4)

Потери энергии в начале пути через атмосферу уменьшают вероятность мюона дожить до достижения поверхности Земли. Воспользовавшись уравнением 3

17.0

16.8

16.6

16.4

16.2

о 16.0 и

ей

15.8

15.6

15.4

15.2

15.0

г- ■ . _ к

ч N. ■41 ч Ч

__

V-. ч N •ч.

Ч.

\

-- Дате — т л ?гт

..... 01.04.2021 \

--- 01.10.2021 —,-I-

10 20

30

40

50

60

70

80

90

Широта, град

Рис. 1: Высота атмосферы на уровне 100 мбар на 37° В.Ш. по данным ОВДБ для разных сезонов в 2021 году.

102

Импульс мюона, МэВ/с

Рис. 2: Средние потери энергии мюонов при прохождении 1 г/см2 сухого воздуха.

Рис. 3: Вероятность распада мюона при прохождения слоя 16 км стандартной атмосферы сухого воздуха.

и параметрами стандартной атмосферы, можно оценить вероятность распада мюона во время прохождения слоя атмосферы в 16 км (рис. 3). По графику видно, что мюоны с энергиями в единицы и десятки ГэВ лежат на области, наиболее чувствительной к изменениям полной энергии в начале пути, которая влияет на вероятность мюона достичь поверхности Земли.

Чтобы оценить степень этого влияния, проведем упрощенное моделирование. Пусть мюоны будут проходить через три разных типа атмосферы (рис. 4, слева):

1. Стандартная атмосфера.

2. Стандартная атмосфера, но приподнятая на 1 км.

3. Особая атмосфера, в которой плотность в верхней тропосфере и нижней стратосфере была искусственно увеличена за счет нижних слоев, но с сохранением интеграла плотности по высоте стандартной атмосферы.

Результаты моделирования представлены на рис. 4, справа. По ним можно оценить влияние зависимости времени жизни мюонов от потерь энергии на их приземный поток как незначительное (около 0.1%).

В некоторых исследованиях рассматривается зависимость приземного потока от влажности атмосферы. В работе А.Н. Ма§ЬгаЫ а1. [12] утверждается наличие значимой корреляции между потоком мюонов и приземной влажностью на масштабах времени от месяцев до пары лет, хотя среднее значение по-

-I-■----■---■— 0.750-1-I-I-■-■-.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 100 м 300 м 1 км

Высота, км Высота

Рис. 4: Слева: распределения плотности для разных типов атмосфер. Справа: относительные потоки мюонов на высотах от 100 м до 1 км при прохождении разных типов атмосфер на расстоянии 16 км.

лученного коэффициента влажности варьируется от -1.29 до 0.69. В статье V. Овкошоу et а1. [13] указывается, что коэффициент взаимной корреляции между влажностью и потоком мюонов варьируются от 0.3 до 0.7 в зависимости от рассматриваемых в работе внутреннего устройства детектора мюонов. Оценим долю водяного пара в общей толщине атмосферы. Для этого воспользуемся формулой абсолютной влажности (удельной массы водяного пара) [14]:

а (г,Т ) = 217 ^^ (5)

где г - относительная влажность, в8 - насыщающая упругость водяного пара в мбар, Т - температура в К. Рис. 5 (слева) демонстрирует абсолютную влажность на разных уровнях высоты, вычисленную с помощью табличных данных стандартной атмосферы. Используя эти данные, можно посчитать толщину слоя водяного пара. На рис. 5 слева представлены профили удельной массы водяного пара при разной относительной влажности на каждом из уровней.

Как видно из рис. 5 (справа), она составляет 3 г/см2 - меньше 1% от общей толщины атмосферы. В эти расчеты не входит вода в облаках, поскольку она не отражается в относительной влажности, однако учитывая, что водность облака лежит в порядках 10-1 г/м3 [14], пренебрежем этим влиянием в общих оценках. Учитывая проведенные расчеты, можно сказать, что влияние влажности на поток мюонов ожидается слабым, а возможные корреляции изменения потока мюонов с влажностью могут быть объяснены корреляцией влажности с иными параметрами атмосферы. Кроме того, сравнение потока мюонов с приземной влажностью не учитывает влажность на других уровнях атмосферы.

-1--1--1--1---— 0.0 -I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-Г-

1050 950 850 750 650 550 450 350 250 150 50 1050 950 850 750 650 550 450 350 250 150 50

Давление, мбар Давление, мбар

Рис. 5: Слева: распределения абсолютной влажности для разных высотных уровней при различных относительных влажностях (относительная влажность одинаковая для каждого уровня). Справа: толщина слоя водяного пара в зависимости от высотного уровня при относительной влажности на всех уровнях 100%.

2.2 Исследования атмосферы в потоке мюонов

Известна корреляция приземного потока мюонов и давления. Для любого детектора мюонов может быть вычислен барометрический коэффициент, который показывает, на сколько процентов изменится интенсивность потока мюонов при изменении атмосферного давления на 1 мбар. По данным ранее расмотренной работы A.H. Maghrabi et al. [12], барометрический коэффициент для их мюонного детектора составляет около -0.23 %/мбар. В исследовании J. Poirier et al. [15] рассматривается вычисление барометрического коэффициента для детектора GRAND при прохождении атмосферного фронта через область наблюдения для данных с шагом в 10 мин, и его значение составляет около -1.00. В работе И.Г. Алексеева и др. [16] вычислялся барометрический коэффициент для детектора, расположенного под блоком реактора и регистрирующим мюоны, прошедшие через 50 м.в.э., и составляет около -0.067. Величина коэффициента определяется характеристиками установки, и в области до 1 ТэВ практически не зависит от энергии мюонов [17]. Увеличение давления прямо влияет на увеличение количества вещества, которое необходимо пройти мюону до его взаимодействия с детектором, а увеличение количества вещества приподнимает слой генерации мюонов, что увеличивет расстояние, которое необходимо преодолеть мюону. Таким образом, увеличение атмосферного давления в области наблюдения всегда сопровождается снижением потока мюонов.

Отдельно отметим, что мюоны низких энергий (единицы МэВ) ведут се-

бя иначе. Так, в работе Э. Styгa et а1. [18] статистический анализ данных за 2002-2003 годы показал, что снижение потока мюонов в энергетическом интервале 1.2-1.6 МэВ, зарегистрированное в определённые утренние и дневные часы (с 8 до 13 часов), позволило прогнозировать минимальное атмосферное давление в Вильнюсе через 3-6 дней. Общая точность прогноза для одного временного интервала составляла 56-67%. Однако при учёте дополнительного условия - падения давления со значения 1005 гПа и ниже - эффективность прогноза по всем интервалам в течение 6 дней возрастала до 92% в 2002 году и 82% в 2003 году. Авторы отмечают, что на реализацию прогноза могут влиять внешние факторы, такие как гроза или вихреобразования, что иногда приводит к невыполнению прогноза. Таким образом, метод демонстрирует потенциальную применимость для краткосрочного прогнозирования циклонической активности, но требует учёта дополнительных метеорологических условий.

Корреляция между температурой и потоком мюонов менее очевидна, поскольку приземная температура не отражает распределения температуры на всей длине пути мюона в атмосфере Земли. Если рассматривать вертикальный столб атмосферы до слоя генерации, то увеличение его общей температуры ведет к расширению вещества и приподнятию слоя генерации мюонов. Мюоны рождаются выше и проходят больший путь, что ведет к отрицательной корреляцией с приземным потоком мюонов. С другой стороны, увеличение температуры ведет к уменьшению плотности внутри рассматриваемого столба воздуха, что должно приводить к уменьшению высоты слоя генерации, и увеличению приземного потока мюонов. Фактическая корреляция регистрируемого потока мюонов зависит от конкретного детектора, а именно от средней энергии регистрируемых мюонов: влияние уменьшения плотности заметно на наземных детекторах с относительно низкой средней энергией регистрируемых мюонов, на которых наблюдаются отрицательные коэффициенты корреляции [19; 20], тогда как влияние увеличения высоты слоя генерации наиболее заметно на подземных (или защищенных) детекторах, в которых средняя энергия мюонов выше, и коэффициент корреляции положительный [16; 21]. В работе [20] наглядно показан рост коэффициентов с ростом энергии мюонов. Помимо этого, существует несколько разных способов вычисления температурного коэффициента [22].

Известно влияние грозовых облаков на поток мюонов. Помимо того, что

грозовые облака обладают повышенной водностью в отличие от не грозовых (более 1 г/м3), в них присутствуют электрические поля. В работе G. Karapetyan [23] указывается, что в грозовых облаках может наблюдаться уменьшение потока положительных мюонов в нижней части грозового облака. Автор разрабатывает количественную модель, которая учитывает два ключевых физических процесса, влияющих на мюоны в электрическом поле грозового облака: изменение их энергетического спектра вследствие ускорения или замедления в электрическом поле и распад мюонов из-за их ограниченного времени жизни. Для расчёта результирующего потока приведены кривые потерь, определяющие минимальную энергию, необходимую мюону, рожденному на опреджеленной высоте, для достижения детектора. Дальнейшиее развитие это исследование получило в виде работы на детекторе SEVAN, включающей в себя анализ сразу нескольких источников. Наблюдения, проведённые на высоте 3200 м в Армении [24], показывают, что во время гроз поток мюонов с энергией выше 250 МэВ снижается на 2-5%. Это уменьшение объясняется торможением положительных мюонов в электрическом поле облака, направленном вниз. Сравнение данных с результатами моделирования в CORSIKA позволило оценить, что для самых мощных случаев максимальный перепад потенциала в облаке достигает 350 МВ, а наиболее вероятная напряжённость электрического поля составляет около 2 кВ/см.

В работе R. Abbasi et al. [25] исследовались грозовые облака на детек-тре космических лучей площадью около 700 км2. было зафикисировано, что во время гроз поток мюонов может испытывать как кратковременные понижения, так и повышения. Моделирование показало, что наблюдаемое понижение скорости счета частиц в основном обусловлено именно мюонами. В модели с электрическим полем внутри облака (отрицательное поле, направленное вниз) оно замедляет положительные мюоны, увеличивая вероятность их распада, что приводит к уменьшению числа мюонов, долетающих до детектора. Именно мю-онная компонента вносит основной вклад в наблюдаемое снижение скорости счёта на уровне 0.5-1%, которое удалось воспроизвести в модели при разности потенциалов около ±0.2 ГВ. Наблюдаемые снижения потока мюонов длились десятки минут, что сопоставимо со временем прохождения грозового фронта через область наблюдения. Это исследование подтверждает выводы, полученные в вышеперечисленных работах.

В исследовании B. Hariharan et al. [26] изучается прохождения крупного

грозового облака над детектором мюонов GRAPES-3. Наблюдение анизотропии потока мюонов, регистрируемых на установке, показало, что электрические поля внутри грозовых облаков могут достигать значений в гигавольты. В работе А. ЬМуапБку et а1. [27], касающемся изучению низкоэнергетичных мюонов (около 100 МэВ) во время гроз, обнаружено два типа вариаций, возникающих из-за электрических полей: регулярные (малые, амплитуда которых составляет около 0.1%), коррелирующие с напряжённостью приземного электрического поля, и сильные (до нескольких процентов), часто прерываемые разрядами молний. Также, в результате исследования были обнаружены события с аномально сильными полями (до 100 МВ в тропосфере) в ясную погоду, что может указывать на возможную связь с геофизическими процессами, поскольку такие события противоречат моделированию прохождению моюнов в электрических и магнитных полях, проведенному авторами работы [28] в Geant4. Целью моделирования было выяснение, насколько электрические и магнитные поля могут изменять энергетические спектры и интенсивность вторичных мюонов, рожденных в атмосфере первичными космическими лучами, и определить относительный вклад каждого поля в этот процесс. Проведенное моделирование показало, что электрическое поле Земли в условиях ясной погоды не оказывает существенного влияния на потоки мюонов на уровне моря, а магнитное поле Земли изменяет потоки как отрицательных, так и положительных мюонов, особенно при энергиях ниже 1 ГэВ.

Рассмотрим вопрос о степени влияния атмосферы на поток мюонов. В исследовании [29] с помощью моделирования в CORSIKA была вычислена количественная оценка влияния различных факторов на мюонный поток. По результатам оценки, наибольшее воздействие оказывает высота расположения детектора, которая наиболее существенна для мюонов низких энергий: на высоте 1000 м над уровнем моря интегральный поток мюонов примерно на 17% выше, чем на уровне моря. Влияние геомагнитного поля планеты рассматривается только для низкоэнергетичных мюонов: до 5%, причем значимую роль играет только горизонтальная компонента поля. Атмосферные параметры (температура, давление), влияющие на плотность атмосферы и вероятность распада мезонов и мюонов, в сезонных вариациях колеблются в пределах около 8%, а в предельных случаях (полярные и экваториальные условия) может достигать 10%.

В исследовании [30], анализирующем многолетние измерения потока заряженных частиц вторичных космических лучей в тропосфере, были выявлены разные долговременные периоды, отличающиеся амплитудой сезонных вариаций. При спокойной атмосфере вариации составляли около 5%, в то время как в при возмущенной вариации достигали 20-30%.

Особый интерес представляют работы, в которых рассматривается возможность практического использования потока мюонов для наблюдения за состоянием различных слоев атмосферы. В исследовании [31], рассматривающем зависимость вариаций мюонов высоких энергий от температуры за 24 года наблюдений, было обнаружено, что во временном масштабе нескольких лет мюо-ны наиболее чувствительны к вариациям температуры в верхней стратосфере: была выявлена доминирующая годичная периодичность в рядах мюонов и температуры.

В исследовании [32] мюоны рассматриваются в качестве инструмента для дистанционной диагностики электрических полей в тропосфере во время глобальных геофизических возмущений: на протяжении промежутка времени с 1 по 2 сентября 2019 года были зарегистрированы вариации потока мюонов с энергиями от 30 до 70 МэВ, характерные для электрических полей в тропосфере, сопровождающих грозовые облака. Предполагается, что наблюдаемые изменения в электрическом поле были вызваны электрическими токами, сопровождающими процессы в литосферных плитах: в рассматриваемый промежуток времени регистрировался наклон и спад литосферной плиты. В данной работе изменение в потоке мюонов служило индикатором электрических полей, вызванных сейсмической активностью в области наблюдения, при отсутствии грозовых облаков.

В работе [33] проводится моделирование, по результатам которого видно, что мюоны могут использоваться для изучения локального атмосферного явления - исследования внутренней структуры облачной системы, сопровождающей торнадо. Область мезоциклона и сам торнадо создают возмущение в плотности воздуха, в котором лежат траектории мюонов, что приводит к локальному увеличению мюонного потока примерно на 1% по сравнению с фоном. Результаты этой работы приведены на рис. 6: цветом обозначено уменьшение потока мюонов, соответствующее области возникновения торнадо. Изображения сделаны для разных моментов времени формирования явления. Однако указывается,

Рис. 6: Идеализированные (без шума Пуассона) ожидания влияния суперячейки грозы на поток мюонов в атмосфере. Каждое изображение объединяет поток мюонов за предыдущий час. Торнадо формируется в момент £ = 5580 секунд, и после этого времени можно наблюдать соответствующее возмущения потока мюонов с азимутального угла ф =100 градусов.

что для обнаружения этих изменений с достаточной статистической значимостью, необходим детектор площадью 1000 м2 при времени интегрирования в 1 час. Для детектора площадью 100 м2 сигнал также различим, но с большими статистическими флуктуациями.

В статье М. ТгатоПлш et а1. [34] рассматривается возможность использования портативных детекторов мюонов, изначально разработанных для прикладных задач томографии, для исследования температурных вариацй потока мюонов в стратосфере. Результаты исследования показывают, что такой детектор в условиях подавленного фона (пассивная защита около 700 м.в.э.) способен регистрировать не только сезонные вариации, но и кратковременные аномалии, связанные с внезапными стратосферными потеплениями. С помощью него было зарегистрировано увеличение потока мюонов в январе и феврале 2017 года, совпавшее по времени с крупным стратосферным потеплением, наблюдаемым также в независимых метеорологических данных.

В исследовании С. Тапеео et а1. [35] отмечается, что зависимость потока мюонов от температуры стратосферы существует не только в масштабе годов, но и более мелком - от нескольких дней до нескольких недель. Были обнаружены краткосрочные колебания потока мюонов в зимний период. Исследование географического распределения изменений температуры в каждом слое показало, что связь между потоком мюонов и эффективной температурой зависит от того, происходят ли изменения однородно на всей глубине атмосферы. Отмечается, что мюоны проявляют большую чувствительность к краткосрочным колебаниям, чем данные о температуре, так что некоторые локальные атмосферные возмущения, наблюдаемые мюонами, могут быть упущены в наборе данных о температуре.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тимаков Станислав Сергеевич, 2026 год

Список литературы

1. Tanabashi M. [и др.]. Review of Particle Physics // Phys. Rev. D. — 2018. — Авг. — Т. 98, вып. 3. — С. 030001.

2. Grieder P. K. Chapter 3 - Cosmic Rays at Sea Level // Cosmic Rays at Earth / под ред. P. K. Grieder. — Amsterdam : Elsevier, 2001. — С. 305—457.

3. Anderson C. Estimating the propagation velocity of atmospheric fronts from surface wind observations // Atmosphere-Ocean. — 1990. — Т. 28, № 3. — С. 330—344. — eprint: https://doi.org/10.1080/07055900.1990.9649381.

4. Luszczak W., Chan M.-Y. Using Cosmic Rays to Predict the Weather: Meteorologicg Data Assimilation of Atmospheric Muon Flux Data. — 09.2025.

5. Тимаков С. С., Петрухин A. A. Азимутальное сканирование атмосферы в потоке мюонов // Известия РАН. Серия Физическая. — 2023. — Т. 87, № 8. — С. 1214—1216.

6. Timakov S. S., Petrukhin A. A., Epifanov V. R. Investigation of Atmospheric Fronts by Means of Cosmic Ray Muon Flux // Physics of Atomic Nuclei. — 2023. — Дек. — Т. 86, № 6. — С. 1114—1118.

7. Timakov S. S., Petrukhin A. A. Исследование малых вариаций потока мюонов космических лучей в атмосфере // Вестник НИЯУ МИФИ. — 2025. — Т. 14, № 3. — С. 203—213.

8. Способ и устройство для получения мюонографий : RU 2819137 C1 / С. C. Тимаков, А. А. Петрухин, С. С. Хохлов ; МИФИ. — Заявл. 05.2024.

9. Научно-технологическая инфраструктура Российской Федерации. — URL: https://ckp-rf.ru/equipment/search_usu/407363/ (дата обр. 01.10.2025).

10. NCEP Global Data Assimilation System GDAS data provided by the NOAA PSL, Boulder, Colorado, USA. — Accessed: 2024-06-28. https://psl.noaa. gov.

11. Дорман Л. Метеорологические эффекты космических лучей. — Наука, 1972.

12. Maghrabi A., Alzahrani S., Alruhaili A. The Role of Atmospheric Pressure, Temperature, and Humidity on Cosmic Ray Muons at a Low Latitude Station // International Journal of Astronomy and Astrophysics. — 2023. — Янв. — Т. 13. — С. 236—258.

13. Oskomov V. [и др.]. Investigation of humidity using the muon component of cosmic rays // Journal of Physics Conference Series. Т. 936. — 12.2017. — С. 012051. — (Journal of Physics Conference Series).

14. Матвеев Л. Курс общей метеорологии. — Гидрометеоиздат, 1976.

15. Poirier J., Catanach T. Atmospheric Effects on Muon Flux at Project GRAND // Contributions to the 32nd International Cosmic Ray Conference. — 2011. — Янв.

16. Алексеев И. [и др.]. Исследование влияния метеорологических параметров на поток космических мюонов с использованием метода эффективного уровня генерации на основе данных детектора DANSS // Письма в ЖЭТФ. — 2023. — Т. 118, вып. 3. — С. 159—165.

17. Berkova M. [и др.]. Barometric Effect of High-Energy Muons (> 230 GeV). — 2014. — Февр.

18. Styra D. [и др.]. On possibility of short-term prognosis of cyclonic activity after-effects in Vilnius by variation of hard cosmic ray flux // Journal of Environmental Engineering and Landscape Management. — 2008. — Т. 16, №4. — С. 159—167. — eprint: https://doi.org/10.3846/1648-6897.2008. 16.159-167.

19. Riadigos I. [и др.]. Atmospheric Temperature Effect in Secondary Cosmic Rays Observed With a 2 m2 Ground-Based tRPC Detector // Earth and Space Science. — 2020. — Т. 7, № 9. — e2020EA001131.

20. Augusto C. [и др.]. Signals at ground level of relativistic solar particles associated with a radiation storm on 2014 April 18 // Publications of the Astronomical Society of Japan. — 2015. — Нояб. — Т. 68, № 1. — С. 8.

21. Prihtiadi H. [и др.]. Measurement of the cosmic muon annual and diurnal flux variation with the C0SINE-100 detector // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. — 2021. — Февр. — Т. 2021, № 02. — С. 013—013.

22. Berkova M. [и др.]. Temperature effect of muon component and practical questions of how to take into account in real time // Astrophysics and Space Sciences Transactions. — 2012. — Дек. — Т. 8. — С. 41—44.

23. Karapetyan G. G. Variations of muon flux in the atmosphere during thunderstorms / Physical Review D - Particles, Fields, Gravitation and Cosmology. — 2014. — Май. — Т. 89, вып. 9.

24. Chilingarian A. [и др.]. Stopping muon effect and estimation of intracloud electric field // Astroparticle Physics. — 2021. — Т. 124. — С. 102505.

25. Abbasi R. U. [и др.]. Observation of variations in cosmic ray single count rates during thunderstorms and implications for large-scale electric field changes // Phys. Rev. D. — 2022. — Март. — Т. 105, вып. 6. — С. 062002.

26. Hariharan B. [и др.]. Measurement of the Electrical Properties of a Thundercloud Through Muon Imaging by the GRAPES-3 Experiment // Phys. Rev. Lett. — 2019. — Март. — Т. 122, вып. 10. — С. 105101.

27. Lidvansky A. S., Khaerdinov M. N., Khaerdinov N. S. Variations of Cosmic Ray Muons during Thunderstorms // Journal of Experimental and Theoretical Physics. — 2022. — Апр. — Т. 134, № 4. — С. 417—432.

28. Bektasoglu M., Arslan H. Estimation of the effects of the Earth's electric and magnetic fields on cosmic muons at sea level by Geant4 // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2012. — Т. 74. — С. 212—216.

29. Cohu A. [и др.]. Atmospheric and Geodesic Controls of Muon Rates: A Numerical Study for Muography Applications // Instruments. — 2022. — Т. 6, № 3. —

C. 24.

30. Bazilevskaya G. A. [и др.]. Variations of charged particle fluxes in the earth troposphere // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. — 2007. — Дек. — Т. 34, № 12. — С. 348—351.

31. Agafonova N. Y. [и др.]. Characterization of the varying flux of atmospheric muons measured with the Large Volume Detector for 24 years // Phys. Rev.

D. — 2019. — Сент. — Т. 100, вып. 6. — С. 062002.

32. Khaerdinov N. S. [h gp.]. Disturbance of a Glow in the Night Sky in Clear Weather at Middle Latitudes // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2021. — hoh6. — T. 85, № 11. — C. 1317—1319.

33. Luszczak W, Orf L. Effect of tornadic supercell thunderstorms on the atmospheric muon flux // Phys. Rev. D. — 2025. — ^hb. — T. 111, Bbm. 2. — C. 023018.

34. Tramontini M. [h gp.]. Middle-Atmosphere Dynamics Observed With a Portable Muon Detector // Earth and Space Science. — 2019. — T. 6, № 10. — C. 1865— 1876. — eprint: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10. 1029/2019EA000655.

35. Taricco C. [h gp.]. Exploration of the stratosphere with cosmic-ray muons detected underground // Phys. Rev. Res. — 2022. — HroHb. — T. 4, Bbm. 2. — C. 023226.

36. Tolkacheva N. V. [h gp.]. Meteorological effects in the intensity of muon groups // Bull. Lebedev Phys. Inst. — 2010. — T. 37, № 6. — C. 173—174.

37. Borog V. [h gp.]. Study of Atmospheric Temperature at Different Altitudes using Muon Angular Distribution at Sea Level // 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics. T. 2. — 01.2005. — C. 381.

38. Tanaka H. [h gp.]. Atmospheric muography for imaging and monitoring tropic cyclones // Scientific Reports. — 2022. — Okt. — T. 12. — C. 16710.

39. Tanaka H. Monitoring stratospheric morphology with cosmic-ray muons. — 2023. — okt.

40. Tanaka H. K. M. Distance of flight of cosmic-ray muons to study dynamics of the upper muosphere // Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems. — 2025. — T. 14, № 1. — C. 1—11.

41. Osprey S. [h gp.]. Sudden stratospheric warmings seen in MINOS deep underground muon data // Geophysical Research Letters. — 2009. — T. 36, № 5. — eprint: https : / / agupubs . onlinelibrary . wiley . com / doi / pdf / 10 . 1029 / 2008GL036359.

42. Varotsos C, Cracknell A., Tzanis C. Major atmospheric events monitored by deep underground muon data // Remote Sensing Letters. — 2010. — T. 1, № 3. — C. 169—178.

43. Nikolashkin S. V., Titov S. V., Gololobov P. Y. The effect of winter stratospheric warmings on the intensity of the muon component of secondary cosmic rays // 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics. Т. 11560 / под ред. G. G. Matvienko, O. A. Romanovskii. — International Society for Optics, Photonics. SPIE, 2020. — С. 115608X.

44. Yampolski Y. M, Sopin A. A. PARAMETER ESTIMATION OF THE CYCLONE KYRILL COLD FRONT FROM SYNCHRONOUS MEASUREMENTS OF THE ATMOSPHERIC PRESSURE AND MUON FLUX // Radio Physics and Radio Astronomy. — 2011. — Т. 2, № 3. — С. 247—253.

45. Barbashina N. [и др.]. The URAGAN wide-aperture large-area muon hodoscope // Instruments and Experimental Techniques. — 2011. — Март. — Т. 51. —

С. 180—186.

46. Barbashina N. [и др.]. Muon diagnostics of the Earth's atmosphere and magnetosphe Bulletin of The Russian Academy of Sciences: Physics. — 2007. — Июль. —

Т. 71. — С. 1041—1043.

47. Petrukhin A. [и др.]. Muon diagnostics of the Earth's atmosphere // Contributions to the 32nd International Cosmic Ray Conference. — 2011. — Янв.

48. Yashin I. [и др.]. Real-time data of muon hodoscope URAGAN // Advances in Space Research. — 2015. — Т. 56, № 12. — С. 2693—2705.

49. Дмитриева А. [и др.]. Учет температурного разреза атмосферы в данных мюонного годоскопа УРАГАН с использованием данных ЦАО, GDAS и информации "АЛИСА-СК": 2007-2014 гг. // Известия Российской академии наук. Серия физическая. — 2015. — Янв. — Т. 79. — С. 417—419.

50. Дмитриева А. [и др.]. Температурный эффект в потоке мюонов космических лучей: методы учета и оценка параметров атмосферы земли // Известия Российской академии наук. Серия физическая. — 2013. — Янв. — Т. 77, № 5. — С. 625—627.

51. Способ и устройство для получения мюонографий : RU 2406919 C2 / Н. C. Барбашина [и др.] ; МИФИ. — Заявл. 10.2008.

52. Barbashina N. S., Petrukhin A. A., Shutenko V. V. Method of Muonography and Prospects of Its Further Development // Physics of Atomic Nuclei. — 2021. — Нояб. — Т. 84, № 6. — С. 1182—1194.

53. Михайленко А. С. [и др.]. Изучение вариаций потока мюонов на поверхности земли по данным мюонного годоскопа во время нестационарных атмосферных процессов // Материалы XXXI Всероссийской конференции. — 2010.

54. Михайленко А. С. [и др.]. Исследование отклика потока мюонов космических лучей на нестационарные процессы в атмосфере Земли // Краткие сообщения по физике ФИАН. — 2010. — 28 апр. — № 6.

55. Barbashina N. S. [и др.]. Muon flux variations detected by the URAGAN muon hodoscope during thunderstorms // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2017. — Т. 81, № 2.

56. Качур А. П. [и др.]. Отклик мюонного годоскопа УРАГАН на грозовые события в Московском регионе // Ученые записки физического факультета Московского Университета. — 2018. — Т. 4. — С. 1840404.

57. Качур А. [и др.]. Эффекты, наблюдаемые в потоке мюонов во время гроз, по данным мюонного годоскопа УРАГАН // Известия Российской академии наук. Серия физическая. — 2021. — Янв. — Т. 85. — С. 1654—1656.

58. Reiter E. R., Haurwitz B. Internal gravity waves in the atmosphere // Archives for Meteorology Geophysics and Bioclimatology Series A Meteorology and Atmopsheric Physics. — 1974. — Июнь. — Т. 23, № 2. — С. 101—114.

59. Plougonven R., Zhang F. Internal gravity waves from atmospheric jets and fronts // eviews of Geophysics. — 2014. — Т. 52, № 1. — С. 33—76.

60. Куличков С. Н. [и др.]. Внутренние гравитационные и инфразвуковые волны во время урагана в Москве 29 Мая 2017 г. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. — 2019. — Т. 55, № 2. — С. 32—40.

61. Oleynikov A., Jacobi C., Sosnovchik D. Parameters of internal gravity waves in the mesosphere-lower thermosphere region derived from meteor radar wind measurements // Annales Geophysicae. — 2005. — Дек. — Т. 23.

62. Chunchuzov I. P. [и др.]. Influence of internal gravity waves on meteorological fields and gas constituents near Moscow and Beijing // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. — 2017. — Т. 53, № 5. — С. 524—538.

63. Turhan D. M. Joint Time / Frequency Analysis , Q Quality factor and Dispersion computation using Gabor-Morlet wavelets or Gabor-Morlet transform //. — 1999.

64. Архив спутников Meteosat. — URL: https://weather.us/satellite/ russia-west/top-alert-15min/20210502-0245z.html (дата обр. 28.06.2024).

65. Хабутдинов Ю. Г., Шанталинский К. М., Николаев А. А. Учение об атмосфере. — Казань : Казанский государственный университет, 2010. — 256 с.

66. Schultz D. M., Vaughan G. Occluded Fronts and the Occlusion Process: A Fresh Look at Conventional Wisdom // Bulletin of the American Meteorological Society. — Boston MA, USA, 2011. — Т. 92, № 4. — С. 443—466.

67. Ramachandran P., Varoquaux G. Mayavi: 3D Visualization of Scientific Data // Computing in Science & Engineering. — 2011. — Т. 13, № 2. — С. 40—51.

68. Mohanakumar K. Waves in the Troposphere and Stratosphere //. — 01.2008.

69. World Meteorological Organization. International Meteorological Vocabulary. — 2-е изд. — Geneva, Switzerland : Secretariat of the World Meteorological Organization, 1992. — С. 636.

70. Hoerling M. P., Schaack T. K., Lenzen A. J. Global Objective Tropopause Analysis // Monthly Weather Review. — Boston, MA, USA, 1991. — Т. 119, № 8. — С. 1816—1831.

71. Convective Weather Maps. — URL: https : //www . lightningwizard . com/ maps/ (дата обр. 01.10.2025).

72. Архив синаптических карт британской метеорологической службы. — URL: https://www.wetter3.de/archiv_ukmet_dt.html (дата обр. 28.06.2024).

73. Федеральная Служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. — URL: https://meteoinfo.ru/ (дата обр. 01.10.2025).

74. Mohanakumar K. Stratosphere-Troposphere Exchange // Stratosphere Troposphere Interactions: An Introduction. — Dordrecht : Springer Netherlands, 2008. —

С. 331—355.

75. Архив спутников дистанционного зондирования Sentinel. — URL: https : //apps.sentinel-hub.com/eo-browser/ (дата обр. 01.10.2025).

76. Архив погоды в Москве (ВДНХ). — URL: https://rp5.ru/0/0D00/o900/oD10/o800/o D1%85%D0%B8%D0%B2_0/oD0%BF%D00/oBE0/oD0%B3%D0%BE%D00/oB40/oD1°/o8B_%D00/oB2_ 0/0D00/09C0/0D00/0BE0/0D10/0810/0D00/0BA0/0D00/0B20/0D00/0B5_(0/0D00/0920/0D00/0940/0D00/09D0/0D00/0A5) (дата обр. 01.10.2025).

77. Sassen K., Wang Z. Classifying clouds around the globe with the CloudSat radar: 1-year of results // Geophysical Research Letters. — 2008. — Т. 35, № 4. — eprint: https : //agupubs . onlinelibrary . wiley . com/doi/pdf/10 . 1029/2007GL032591.

78. Дашко Н. А. Курс лекций по синоптической метеорологии. — Владивосток : ДВГУ, 2005.

79. Карты струйных течений. — URL: https : //www. weatheronline . co . uk/ cgi-bin/expertcharts?LANG=en&MENU=0000000000&C0NT=euro&M0DELL= gfs&M0DELLTYP=1&BASE=-&VAR=jet3&HH=0&Z00M=0&ARCHIV=0&PRINT=0& PANEL=0&INF0=1&M0USE=0&M0USE=0 (дата обр. 01.10.2025).

80. Прогностическая модель GFS. — URL: https : / /www . emc . ncep . noaa . gov / emc / pages / numerical _ forecast _ systems / gfs . php0 (дата обр. 01.10.2025).

81. Gupta A. K. [и др.]. Eruption chronology of the December 2021 to January 2022 Hunga Tonga-Hunga Ha'apai eruption sequence // Communications Earth & Environment. — 2022. — Т. 3, № 1. — С. 314.

82. Marty J. The IMS Infrasound Network: Current Status and Technological Developments // Infrasound Monitoring for Atmospheric Studies: Challenges in Middle Atmosphere Dynamics and Societal Benefits / под ред. A. Le Pichon, E. Blanc, A. Hauchecorne. — Cham : Springer International Publishing, 2019. — С. 3—62.

83. Kulichkov S. N. [и др.]. Acoustic-Gravity Lamb Waves from the Eruption of the Hunga-Tonga-Hunga-Hapai Volcano, Its Energy Release and Impact on Aerosol Concentrations and Tsunami // Pure and Applied Geophysics. — 2022. — 1 мая. — Т. 179, № 5. — С. 1533—1548.

84. Дмитриева А. Н. [и др.]. Измерения интегральной интенсивности мюо-нов при больших зенитных углах // Известия РАН. Серия физическая. — 2007. — Т. 71, № 4. — С. 569—572.

85. Ампилогов Н. В. Мюонный годоскоп на сцинтилляционных странах с оптоволоконным светосбором : дис. ... канд. / Ампилогов Николай Владимирович. — Москва : Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2016.