Методика исследования форбуш-эффектов в потоке мюонов космических лучей, регистрируемых в годоскопическом режиме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Барбашина, Наталья Сергеевна

• Барбашина, Наталья Сергеевна
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Барбашина, Наталья Сергеевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МЮОННЫЙ ГОДОСКОП УРАГАН, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И АНАЛИЗИРУЕМЫЕ СОБЫТИЯ

1.1. Описание установки

1.2. Формат экспериментальных данных

1.3. Эксперимент по регистрации потока мюонов в 2006 - 2011 гг

1.4. Учет барометрического и температурного эффектов

в матричных данных мюонного годоскопа

1.5. Список ФП по данным нейтронных мониторов

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ФП В ИНТЕГРАЛЬНОМ ПОТОКЕ МЮОНОВ

2.1. Выявление периодов падения в потоке мюонов

2.2. Методика определения основных характеристик ФП

2.3. Характеристики ФП поданным МГ УРАГАН, МТ Нагоя и МНМ

2.4. Сопоставление характеристик ФП с параметрами состояния

околоземного пространства

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФП

3.1. Выбор интервалов зенитных углов для оценки показателя энергетического

спектра первичных частиц

3.2. ЗАВИСИМОСТЬ АМПЛИТУДЫ ФП ОТ ЭНЕРГИИ ПЕРВИЧНЫХ ЧАСТИЦ

3.3. Амплитудные спектры зарегистрированных ФП

3.4. Временные изменения показателя энергетического спектра

первичных протонов

3.5. Анализ динамики амплитудного спектра

3.6. Сопоставление энергетических характеристик ФП с параметрами

СВ, ММП и магнитосферы Земли

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ФП ПО ПРОСТРАНСТВЕННО-

УГЛОВЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ПОТОКА МЮОНОВ

4.1. Вектор локальной анизотропии

4.2. Построение мюонных изображений вариаций интенсивности

4.3. Сопоставление характеристик анизотропии потока мюонов

и параметров околоземного пространства во время ФП

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПАСПОРТ НА СОБЫТИЕ 18 ФЕВРАЛЯ 2011 Г

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФП,

ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ МГ УРАГАН В 2006 - 2011 ГГ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика исследования форбуш-эффектов в потоке мюонов космических лучей, регистрируемых в годоскопическом режиме»

Введение

Космические лучи (КЛ) представляют собой поток заряженных частиц высоких энергий из космического пространства, которые взаимодействуют с верхними слоями земной атмосферы и генерируют поток вторичных частиц. Вариации космических лучей, регистрируемые на поверхности Земли, несут информацию о различных солнечных, гелиосферных и атмосферных явлениях. Одним из ярких примеров влияния солнечной активности на космические лучи является форбуш-эффект (ФЭ), который представляет собой резкое понижение интенсивности КЛ, вызванное отклонением заряженных частиц неоднородностями межпланетного магнитного поля (ММП). Этот эффект получил название по имени американского физика С. Форбуша, который в период с 25 по 30 апреля 1937 г. одновременно на 2-х станциях - в Челтнеме (Мэрилэнд, США) и Хуанкайо (Перу) впервые обнаружил понижение потока космических лучей при их регистрации в ионизационных камерах во время геомагнитных бурь [1]. Часто форбуш-эффект называют форбуш-понижением (ФП). Такое понижение интенсивности КЛ может быть обусловлено отклонением частиц первичного космического излучения различными крупномасштабными неоднородностями: магнитными полями облаков солнечной плазмы, которые образуются при корональных выбросах масс (КВМ) во время активных процессов на Солнце (рис. В.1); ударными волнами, которые формируются при движении вращающихся вместе с Солнцем высокоскоростных потоков солнечного ветра (СВ) из корональных дыр; другими явлениями в гелиосфере. Более общее определение ФЭ было дано в работе [2], в которой авторы определили форбуш-эффект, как изменение плотности и анизотропии первичных космических лучей, обусловленное крупномасштабными распространяющимися возмущениями СВ.

Форбуш-эффекты наблюдаются различными установками, регистрирующими КЛ: нейтронными мониторами (НМ); мюонными телескопами; мюонными годоскопами; спутниковой аппаратурой; другими детекторами (в том числе мюонными), которые входят в состав установок по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ).

Рисунок В. 1. Схема модуляции космических лучей, связанной с КВМ (слева) [3, 4].

Пример ФП по данным нейтронного монитора ИЗМИРАН [5] (справа).

Исследования форбуш-эффектов на поверхности Земли ведутся в основном с помощью наземных нейтронных мониторов. Этот подход является практически стандартным и чувствителен к вариациям КЛ относительно низких энергий, которым соответствуют большие амплитуды наблюдаемого эффекта. Нейтронные мониторы объединены в единую сеть, которая позволяет проводить глобальную съемку вариаций космических лучей по всему земному шару с помощью установок, расположенных в различных географических точках.

В последние годы непрерывный мониторинг космических лучей наземными детекторами, который проводится уже более полувека, изменился качественно, и его возможности существенно расширились (рис. В.2) [6].

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Рисунок В. 2. [6]: Рост числа станций КЛ, публикующих данные в Интернете в реальном времени. Вид представления: 0 и 1 - цифровое и графическое, 1-отладка, 2 - только цифровое, 3- только графическое.

В работе [6] отмечено, что интернет позволяет, наряду с данными локальных детекторов, оперативно собирать и обрабатывать данные удаленных станций КЛ. Это дает возможность определять характеристики КЛ не ретроспективно, а в режиме реального времени. Кроме того, эти характеристики можно анализировать совместно с другими регулярно обновляемыми рядами солнечных, межпланетных и геофизических данных.

Для изучения энергетических характеристик ФП также используется сеть наземных нейтронных мониторов, которые размещены на различных географических широтах, то есть имеют различные жесткости геомагнитного обрезания. Воздействие магнитного поля на заряженные частицы космических лучей зависит от величины магнитной жесткости частицы, которая определяется выражением:

о Рс

Я = —, (В1.1)

¿,е

где р - импульс частицы, с - скорость света, 2е - заряд частицы. Единицы измерения жёсткости - вольты (гигавольты).

Магнитное поле Земли допускает приход на данную геомагнитную широту в определенном направлении только тех частиц, жесткость которых превышает определенную величину (ЯПОр - пороговая жесткость). Значения пороговой жесткости для каждой геомагнитной широты дает теория геомагнитных эффектов. Известно, что над каждой точкой на Земле пространство можно разделить на три области: главный конус, конус Штермера и область пенумбры. Для частиц с заданной жесткостью все направления, лежащие внутри главного конуса, разрешены, все направления, расположенные вне конуса Штермера, - запрещены, а в области пенумбры разрешенные и запрещенные направления чередуются, образуя в достаточной мере запутанную картину. Как правило, пороговая жесткость лежит внутри пенумбры [7].

На рис. В.З показано распределение НМ по поверхности Земли и приведены геомагнитные жесткости обрезания для вертикального направления прихода частиц.

orn/Stit

Hafele.kar Moscow Kiev Ji^H Kiel

Dourbes Gif/Yvette-a Jungfrau^och'^g

Cosmic Ray Neutron Monitors, 2003

Turku Apatity

Magnetic Equator

Selected lines of constant vertical cutoff rigidity (Labelled in GV)

se Bay

Washington ..Durham

K. R. Pyle 7/97

eol 1/03

Рисунок В.З. Расположение НМ на поверхности Земли (линиями показаны

пороговые жесткости) [8].

Изучение форбуш-понижений на различных геомагнитных широтах позволяет исследовать зависимость величины ФП от жесткости геомагнитного обрезания. Эту зависимость обычно аппроксимируют выражением Ry. При описании различных ФП или их совокупности значения у имеют большой разброс от 0.4 до 1.4. В среднем значение у, по-видимому, близко к 1 [9]. Полученные оценки величины у используются для изучения различных гелиосферных параметров. Так в работе [10] по данным наземных и спутниковых измерений интенсивности космических лучей исследованы вариации жесткостного спектра протонов в энергетическом диапазоне от 15 МэВ до десятков ГэВ. Определены параметры модельного жесткостного спектра KJ1 за каждый час наблюдений, и по их значениям проведена оценка характеристик электромагнитных полей солнечной короны и гелиосферы, ответственных за мощное спорадическое явление в ноябре 2004 г.

Исследования временных изменений показателя амплитудного спектра КЛ проводились с использованием данных трех нейтронных мониторов (Calgary, Halekala, Thüle) и мюонного телескопа Нагоя во время форбуш-эффекта 9 сентября 2005 года рис. В.4 [11]. Результаты анализа, проведенного авторами этой статьи, показывают, что показатель спектра жесткости KJ1 во время ФП уменьшается, то есть в минимуме ФП спектр становится более жестким.

Date, Year 2005, September

Рисунок B.4. [11] - Динамика степенной зависимости спектра жесткости для нейтронных мониторов Calgary, Halekala, Thüle и мюонного телескопа Нагоя во

время ФЭ 9 сентября 2005 года.

Более всестороннее рассмотрение форбуш-эффектов и их связи с солнечной и геомагнитной активностью проведено в статье [12]. Для этого создана база транзиентных явлений в космических лучах и межпланетной среде, которая непрерывно пополняется данными о новых событиях. На основе этих данных исследуются зависимости величины форбуш-эффектов (амплитуда, %) от различных внутренних и внешних характеристик, а также выделены различные группы событий. В работе рассмотрены рекуррентные (вызванные потоками высокоскоростного солнечного ветра из корональных дыр) и спорадические (связанные с корональными выбросами масс) события. Исследованы группы событий с внезапным и постепенным началом (рис. В.5).

УтВт (характеристика возмущения солнечного ветра)

Рисунок В. 5. [12]: Зависимость величины форбуш-эффекта от параметра УтВт (характеристики возмущения солнечного ветра).

В статье [12] показано, что полученные зависимости величины форбуш-эффектов от параметров межпланетных возмущений, индексов геомагнитной активности и т.д. существенно различаются для выделенных групп (с внезапным началом магнитной бури - ББС, и без него). Наиболее вероятно, что эти различия обусловлены различными источниками возмущений солнечного ветра.

Несколько работ посвящено прогнозированию геомагнитных бурь с использованием космических лучей. В работе [13] рассматривается использование вариаций КЛ, зарегистрированных комплексом установок Арагацкой обсерватории, для предсказания магнитных бурь. Сравнительный анализ момента начала нерегулярных вариаций КЛ, регистрируемых Нор-Амбердским НМ, и времени внезапного начала бури показал, что нерегулярные вариации КЛ в большинстве случаев происходят за несколько часов до магнитных бурь, что указывает на возможность прогнозирования опасных проявлений солнечной активности.

Работе [6] предложен метод "кольца станций", использующий высокоширотные мониторы в достаточно узком кольце широт. Авторы этой работы отмечают, что различия вариаций КЛ, регистрируемых нейтронными мониторами, определяются значениями их долготы, и это позволяет просто и наглядно представлять долготную зависимость вариаций, а также выделять предповышения и предпонижения темпа счета, предшествующие многим форбуш-эффектам. Такие явления обычно появляются перед приходом к Земле межпланетной ударной волны (иногда за 20 часов и ранее). Дальнейшие перспективы такого подхода связываются с усовершенствованием модели вариаций КЛ и методов анализа данных, а также с привлечением данных мюонных телескопов.

Исследования ФП в потоке мюонов имеют следующие особенности: во-первых, мюоны чувствительны к более высоким, чем нейтроны, энергиям первичных космических лучей (ПКЛ), что открывает возможность изучения гелиосферных возмущений, ответственных за модуляцию высокоэнергичных ПКЛ; во-вторых, что более важно, мюоны сохраняют направление движения первичных частиц, что позволяет получать пространственно-угловые картины модуляций космических лучей в околоземном пространстве и изучать их динамику в широком диапазоне зенитных и азимутальных углов с помощью одной установки. В то же

время, исследования ФП в потоке мюонов имеют и некоторую специфику: меньшие амплитуды падения интенсивности КЛ из-за более высоких первичных энергий, необходимость учета влияния температуры атмосферы на поток мюонов.

Одним из первых постоянно действующих мюонных телескопов является счетчиковый многоканальный телескоп на горе Норикура [14], который дает возможность одновременной регистрации интенсивности мюонов сразу по многим направлениям. В дальнейшем была создана сеть мюонных телескопов.

В работе [15] рассматривается возможность предсказания геомагнитных бурь с помощью сети мюонных детекторов. Проведено систематическое исследование в космических лучах прекурсоров геомагнитных бурь. Для анализа было выбрано 14 мощных магнитных бурь с Кр > 8 и 25 больших магнитных бурь с Кр > 7. После исключения из анализа 17 событий, для которых сеть мюонных детекторов имеет плохое покрытие направлений межпланетного магнитного поля, было определено, что для 15 из оставшихся 22 событий (68% из отобранных или 38% от общего числа) в космических лучах идентифицируются прекурсоры с типичными временами от 6 до 9 часов до внезапного начала магнитной бури. Основной вывод работы состоит в том, что сеть мюонных детекторов может быть использована для предсказания космической погоды. Однако существующая сеть имеет большие пробелы в покрытии направлений над атлантическим и европейским регионами. Из-за этого недостатка не представилось возможным анализировать предикторы для 17 бурь (42%). Поэтому был сделан вывод, что необходимо добавление новых детекторов для улучшения предсказаний космической погоды.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что было предпринято много попыток как исследования энергетических спектров ФП, так и поиска предикторов вызываемых ими геомагнитных возмущений. Однако использование для этих целей сети нейтронных мониторов и мюонных телескопов не позволяет в полной мере решать эти задачи, так как из-за вращения Земли детекторы, размещенные в разных географических зонах, регистрируют межпланетные возмущения и вызванные ими эффекты в космических лучах в разное время, и их данные относятся к различным фазам развития возмущений.

Новые возможности для исследований пространственно-угловых вариаций потока мюонов открылись после создания установок нового типа - мюонных годоскопов (МГ), обладающих широкой апертурой и высоким угловым

разрешением (1 - 2°) и способных в непрерывном режиме регистрировать поток КЛ в виде двумерных "снимков-матриц" одновременно со всех направлений верхней полусферы. Принципиальным отличием широкоапертурных мюонных годоскопов от многонаправленных мюонных телескопов является переход от дискретной регистрации углового распределения мюонного потока в отдельных угловых ячейках, определяемых конструкцией детектора, к практически непрерывной, что дает возможность детектировать и анализировать изображения верхней полусферы над годоскопом и динамику их изменений в «мюонном свете» с помощью одного детектора.

Первый мюонный годоскоп ТЕМП [16] был создан в МИФИ в 1995 году. На нем были опробованы различные методы дистанционного изучения физических процессов, происходящих в атмосфере Земли и околоземном пространстве. Анализ полученных данных показал существование заметных корреляций между поведением мюонной компоненты и различными процессами в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли [17]. Результаты исследований на МГ ТЕМП были обобщены в работе [18]. Однако ТЕМП имел всего лишь две координатные плоскости, что не позволяло корректно восстанавливать треки мюонов, сопровождаемых другими частицами (в основном 5-электронами). Это приводило к потере значительного числа регистрируемых событий (до 30 %), а иногда и к ошибочной реконструкции треков.

Для дальнейшего развития методов мюонной диагностики был создан мюонный годоскоп УРАГАН [19, 20], имеющий восемь координатных плоскостей и значительно большую площадь (около 46 кв. м) по сравнению с годоскопом ТЕМП (9 кв. м). В настоящее время это единственная в мире координатно-трековая установка для исследования мюонной компоненты космических лучей на поверхности Земли в широком диапазоне зенитных углов.

Создание мюонного годоскопа УРАГАН позволило на новом уровне подойти к исследованию вариаций мюонов космических лучей во время гелиосферных возмущений, в том числе форбуш-понижений [21]. Высокая точность и достоверность угловой реконструкции и статистическая обеспеченность данных дают возможность перейти к разработке методов решения обратной задачи: слежение за динамическими процессами в гелиосфере по зарегистрированным возмущениям потока мюонов космических лучей во время форбуш-понижений.

Актуальность

Решение этой задачи определяется необходимостью развития методов раннего обнаружения гелиосферных возмущений, вызванных солнечной активностью, которые приводят к различным геоэффективным событиям. Поэтому разработка новых подходов к исследованиям ФЭ в потоке мюонов с использованием новой аппаратуры - мюонных годоскопов, является весьма актуальной задачей физики космических лучей и солнечно-земной физики.

Цель работы

Разработка и развитие методов исследования форбуш-эффектов в потоке мюонов космических лучей по данным мюонного годоскопа УРАГАН.

Научная новизна

Разработанные методы обработки данных мюонных годоскопов позволили выявить качественно новые закономерности в развитии форбуш-понижений в потоке мюонов космических лучей:

впервые с помощью одной установки и в рамках единого подхода определены интегральные, энергетические, пространственно-угловые и временные характеристики форбуш-понижений по данным мюонного годоскопа;

впервые получены мюонографии форбуш-понижений в потоке мюонов (патент на изобретение № 2406919);

впервые введена в методику анализа ФП горизонтальная проекция вектора относительной анизотропии потока мюонов и показано, что ее изменения могут служить предиктором геоэффективных событий;

обнаружены корреляции между проекциями вектора относительной анизотропии потока мюонов на направления север-юг и восток-запад.

Достоверность

Экспериментальные результаты получены на трех независимо работающих супермодулях мюонного годоскопа УРАГАН, которые демонстрируют очень хорошую идентичность всех наблюдаемых явлений.

Амплитуды форбуш-понижений, измеренные на мюонном годоскопе и нейтронном мониторе, находятся в хорошем согласии с коэффициентом корреляции 0.72.

Корректность разработанных методов анализа форбуш-понижений в потоке мюонов подтверждается тем, что всем выявленным ФП с амплитудой выше 0.5% соответствуют гелиосферные возмущения различного типа, зарегистрированные независимыми установками.

Анализ горизонтальной проекции вектора относительной анизотропии потока мюонов (гл) во время ФП позволил выявить периоды различных нестационарных процессов в гелиосфере с эффективностью около 95%.

Практическая значимость

Разработанные методы комплексного анализа данных по исследованию вариаций потока мюонов космических лучей во время форбуш-понижений, зарегистрированных мюонным годоскопом, могут быть использованы для анализа форбуш-понижений, регистрируемых другими детекторами.

Полученные энергетические, угловые и временные характеристики форбуш-понижений в потоке мюонов космических лучей существенно расширяют информативность наземных наблюдений и могут быть использованы для проверки моделей прохождения космических лучей с энергиями выше 10 ГэВ через гелиосферу и околоземное пространство, а также в прикладных задачах, связанных с дистанционным мониторингом гелиосферных возмущений.

Способ и устройство для получения мюонографий могут быть использованы при проектировании новых мюонных годоскопов и анализе их экспериментальных данных.

Личный вклад

Автор участвовал в разработке и создании мюонного годоскопа УРАГАН, проведении и обеспечении длительного эксперимента в период с 2005 года по настоящее время. Автор внес определяющий вклад в разработку методов исследования форбуш-понижений по данным мюонных годоскопов. Автором разработаны алгоритмы для комплекса программ обработки и анализа вариаций потока мюонов во время форбуш-понижений, а также унифицированные формы (паспорта) на исследуемые события. Автором получены интегральные, энергетические, пространственно-угловые и временные характеристики форбуш-понижений в потоке мюонов космических лучей в области энергий выше 10 ГэВ, проведен их анализ. Автором проанализированы корреляции между характеристиками ФП и параметрами гелиосферных возмущений в исследуемые

периоды и оценен прогностический потенциал данных по анизотропии потока мюонов. Автором подготовлены статьи и представлены доклады по результатам исследований ФП по данным мюонного годоскопа УРАГАН.

Автор защищает

1. Разработанные методы исследования различных характеристик форбуш-понижений по измерениям потока мюонов в годоскопическом режиме.

2. Интегральные, энергетические, пространственно-угловые и временные характеристики форбуш-понижений, зарегистрированных в потоке мюонов космических лучей на МГ УРАГАН в период с 2006 по 2011 гг.

3. Результаты анализа полученных характеристик: амплитуд ФП, показателей степени энергетической зависимости амплитуды падения интенсивности космических лучей в области энергий 10-30 ГэВ, их временной зависимости на разных фазах развития ФП, горизонтальных проекций вектора относительной анизотропии потока мюонов во время ФП и корреляционных зависимостей между его проекциями на направления север-юг и восток-запад.

4. Результаты сопоставления характеристик вариаций потока мюонов, регистрируемых в годоскопическом режиме, с различными параметрами состояния околоземного пространства до и во время ФП.

Апробация

Результаты работы были доложены на 22 международных и российских конференциях: Международной конференции по космическим лучам (ICRC 2005,

2007, 2009, 2011), Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS 2006,

2008, 2010, 2012), Всероссийской конференции по космическим лучам (BKKJ1 2006, 2008, 2010, 2012), Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики (2007, 2008, 2009, 2010), Научной сессии НИЯУ МИФИ (2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012), опубликованы в их трудах, а также в девяти статьях в журналах из перечня ВАК: "Приборы и техника эксперимента", "Известия РАН. Серия физическая", "Краткие сообщения по физике" и "Journal of Physics: Conference Series".

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Объем диссертации: 133 страниц, 100 рисунка, 12 таблиц, 55 наименований цитируемой литературы и 2 приложения.

В первой главе диссертации приводится краткое описание мюонного годоскопа УРАГАН и формата получаемых данных - угловых матриц; анализируются экспериментальные данные, полученные на годоскопе в период с 2006 по 2011 гг.; описаны особенности учета барометрического и температурного эффектов в матричных данных; приводится список ФП за исследуемый период, составленный по данным НМ.

Во второй главе описаны методы и результаты анализа ФП в интегральном потоке мюонов, в том числе: критерии выявления ФП в потоке мюонов, список анализируемых в работе ФП, метод определения основных характеристик ФП в интегральном потоке космических лучей (мюонов и нейтронов). Приводятся результаты анализа основных характеристик 33 ФП, полученных по данным МГ УРАГАН, МТ Нагоя и Московского нейтронного монитора (МНМ), а также результаты их сопоставления с параметрами солнечного ветра (СВ), межпланетного магнитного поля (ММП) и магнитосферы Земли.

Третья глава посвящена методам и результатам анализа энергетических характеристик форбуш-понижений по результатам регистрации изменений потока мюонов в различных зенитно-угловых интервалах, для которых были рассчитаны среднелогарифмические и медианные энергии частиц ПКЛ, дающих вклад в уменьшение потока мюонов. Обсуждаются амплитудные спектры зарегистрированных ФП и временные изменения показателя энергетического спектра первичных протонов на разных фазах развития ФП и их связь с характеристиками гелиосферы и магнитосферы Земли.

В четвертой главе приведены методы и результаты анализа ФП по пространственно-угловым характеристикам потока мюонов, регистрируемых в годоскопическом режиме период с 2007 по 2011 гг. Описаны параметры анизотропии потока мюонов и их статистические характеристики, способ получения мюонографий и уникальные мюонные снимки. Рассматриваются корреляции между проекциями вектора относительной анизотропии потока мюонов на юг и на восток (ъ и гЕ). Представлены результаты сопоставления пространственно-угловых характеристик потока мюонов и параметров солнечного

ветра, межпланетного магнитного поля и магнитосферы Земли, а также прогностического применения разработанных методов.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в работе. В Приложении 1 приводится паспорт события 18 февраля 2011 г., на примере которого показано применение разработанных подходов, а в Приложении 2 - количественные характеристики 33 ФП, зарегистрированных МГ УРАГАН в 2006-2011 гг.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Н.С.Барбашина, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, О.Сааведра, Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Широкоапертурный мюонный детектор для диагностики атмосферы и магнитосферы Земли. Известия РАН. Серия физическая, т. 71, №7, 2007, с. 1072-1074.

2) D.A.Timashkov, N.S.Barbashina, V.V.Borog, J.-N.Capdevielle, R.P.Kokoulin, A.A.Petrukhin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. Muon diagnostics of the Earth's atmosphere, near-terrestrial space and heliosphere: first results and perspectives. Proc. 30th ICRC, Merida, Mexico, 2007, v. 1, p. 685 - 688.

3) D.A.Timashkov, N.S.Barbashina, V.V.Borog, A.N.Dmitrieva, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.A.Petrukhin, D.A.Room, O.Saavedra, V.V.Shutenko, G.Trinchero, I.I.Yashin. Investigation of Forbush effects in muon flux measured in integral and hodoscopic modes. Proc. 30th ICRC, Merida, Mexico, 2007, v. 1, p. 315-318.

4) Н.С.Барбашина, В.В.Борог, А.Н.Дмитриева, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Мюонная диагностика атмосферы и магнитосферы Земли. Известия РАН. Серия физическая, т. 71, №7, 2007, с. 1069-1071.

5) Н.С.Барбашина, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, О.Сааведра, Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Широкоапертурный мюонный годоскоп большой площади УРАГАН. Приборы и техника эксперимента, 2008, № 2, с. 26-32.

6) Н.С.Барбашина, А.Н.Дмитриева, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, В.В.Шутенко, Е.И.Яковлева, И.И.Яшин. Особенности исследования форбуш-эффектов в потоке мюонов. Известия РАН. Серия физическая, т. 73, № 3, 2009, с. 360-363.

7) N.S.Barbashina, A.N.Dmitrieva, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.S.Mikhailenko, A.A.Petrukhin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, D.A.Timashkov, G.Trinchero, E.I.Yakovleva, I.I.Yashin. Analysis of Forbush decreases detected by muon detectors DECOR and URAGAN. Proc. 31st ICRC, Lodz, Poland, 2009. Paper ID 0887.

8) N.S.Barbashina, A.N.Dmitrieva, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.A.Petrukhin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, D.A.Timashkov, G.Trinchero, E.I.Yakovleva, I.I.Yashin. The features of the study of Forbush effects in the flux of muons. Proc. 21st ECRS, Koshice, Slovakia, 2008, p. 335-337.

9) H.C. Барбашина, A.H. Дмитриева, К.Г. Компанией, A.C. Михайленко, A.A. Петрухин, Д.А. Тимашков, С.С. Хохлов, В.В. Шутенко, Е.И. Яковлева, И.И. Яшин. Исследование динамики глобальных возмущений магнитосферы Земли с помощью мюонных детекторов. Краткие сообщения по физике. ФИАН. 2010. №6. С. 3-5.

10) Н.С.Барбашина, В.В.Борог, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Способ и устройство для получения мюонографий. Патент на изобретение РФ № 2406919 от 20.12.2010.

11) N.S.Barbashina, I.I.Astapov, A.N.Dmitrieva, L.I.Dushkin, K.G.Kompaniets, A.Yu.Kuzovkova, A.S.Mikhaylenko, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko,

D.A.Timashkov, E.I.Yakovleva, I.I.Yashin. Study of temporal changes of the Forbush decrease amplitude spectrum exponent by means of muon hodoscope URAGAN. 22nd ECRS, Abstracts, 2010, p. 121-122.

12) H.C.Барбашина, И.И.Астапов, В.В.Борог, А.Н.Дмитриева, Л.И.Душкин, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.Ю.Кузовкова, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, С.С.Хохлов, В.В.Шутенко, Е.И.Яковлева, И.И.Яшин. Исследование энергетических, угловых и временных характеристик форбуш-эффектов, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН. Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 6. С. 863-866.

13) N.S.Barbashina, I.I.Astapov, V.V. Borog, A.N.Dmitrieva, R.P.Kokoulin, K.G. Kompaniets, A.Yu. Kuzovkova, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko,

E.I. Yakovleva, I.I. Yashin. Analysis of Forbush decrease of 18 February 2011 in muon flux. SH2.6. ID 0293. Proc. 32nd ICRC, Beijing, China, 2011, vol. 10, p. 279-282.

14) V.V. Shutenko, N.S. Barbashina, A.G. Bogdanov, K.G. Kompaniets, A.Yu. Kuzovkova, A.S. Kuraeva, A.S. Mikhailenko, A.I. Teregulov. Study of

disturbances in the IMF and magnetosphere of the Earth by muon hodoscope data. SH4.1. ID 0058. Proc. 32nd ICRC, Beijing, China, 2011, vol. 11, p. 276279.

15) N.S. Barbashina, I.I. Astapov, V.V. Borog, A.N. Dmitrieva, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, Yu.N. Mishutina, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, O.A. Sit'ko, E.I. Yakovleva and I.I. Yashin. Study of characteristics of Forbush decreases detected in 2006 - 2011 by means of muon hodoscope URAGAN. 2013. J. Phys.: Conf. Ser. 409 012189 (http://iopscience.iop.org/1742-6596/409/1/012189).

16) H.C. Барбашина, И.И. Астапов, В.В. Борог, А.Н. Дмитриева, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, Ю.Н. Мишутина, А.А. Петрухин, О.А. Ситько, В.В. Шутенко, Е.И. Яковлева, И.И. Яшин. Форбуш-эффекты, зарегистрированные мюонным годоскопом УРАГАН в 2006-2011 гг. Известия РАН. Серия физическая. 2013. Т. 77. № 5. С. 596-598.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Барбашина, Наталья Сергеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны методы исследования характеристик форбуш-понижений по измерениям потока мюонов в годоскопическом режиме, которые имеют универсальный характер, сводят к минимуму субъективный фактор при определении основных параметров форбуш-понижений и дают дополнительную информацию для их изучения:

- метод определения характеристик ФП по интегральному темпу счета и для различных диапазонов зенитных углов;

- метод анализа энергетических характеристик ФП по зенитно-угловому изменению потока мюонов;

- метод анализа пространственно-угловых характеристик потока мюонов во время ФП.

- апробирование способа получения мюонографий форбуш-понижений.

2. Впервые с помощью одной установки и в рамках единого подхода к определению интегральных, энергетических, пространственно-угловых и временных характеристик форбуш-понижений по данным мюонного годоскопа УРАГАН за 2006 - 2011 гг. получены:

- основные параметры форбуш-понижений по интегральному темпу счета и для пяти зенитно-угловых интервалов: 0 - 17°, 17 - 26°, 26 - 34°, 34 - 44° и более 44°, которые соответствуют среднелогарифмическим энергиям первичных частиц, дающих вклад в изменение темпа счета мюонного годоскопа во время ФП, в диапазоне 10-30 ГэВ;

- показатели степени энергетической зависимости амплитуды падения интенсивности космических лучей в указанном диапазоне энергий;

- временные зависимости показателей энергетических спектров форбуш-понижений на разных фазах их развития;

- уникальные мюонные снимки (мюонографии) форбуш-понижений;

- значения горизонтальной проекции вектора относительной анизотропии потока мюонов (rh), характеризующей величину бокового смещения углового распределения потока мюонов;

- корреляции между проекциями вектора относительной анизотропии потока мюонов на направления север-юг и восток-запад.

3. Исследование полученных характеристик форбуш-понижений, зарегистрированных на МГ УРАГАН в период с 2006 по 2011 гг., показало, что:

- зависимости амплитуды падения интенсивности потока мюонов от энергии первичных частиц в области 10-30 ГэВ согласуются со степенным характером энергетического спектра модуляции первичных космических лучей со средним показателем а = -0.97±0.41 (среднеквадратичный разброс);

- не наблюдается существенных изменений в поведении показателя энергетического спектра форбуш-понижений на разных фазах их развития;

- мюонографии ФП дают хорошее качественное описание изменений пространственно-углового распределения потока мюонов во время этих событий в режиме реального времени;

- горизонтальная проекция вектора относительной анизотропии потока мюонов (гЛ) во время ФП позволяет выявлять периоды увеличения анизотропии потока мюонов, вызванные развитием различных нестационарных процессов в гелиосфере с эффективностью около 95%.

4. Сопоставление полученных характеристик вариаций потока мюонов, регистрируемых в годоскопическом режиме, с различными параметрами состояния околоземного пространства до и во время ФП показало, что:

- наибольшие корреляции наблюдаются между амплитудой падения ФП и параметрами В (Я = 0.57) и \/тВт (Я = 0.55) и между гл и Dst (/? = -0.52) и АЕ (К = 0.50);

- для прогностического применения разработанных методов целесообразно использовать скорость изменения гл за выбранный интервал времени;

- изменения величины горизонтальной проекции вектора относительной анизотропии потока мюонов для 13 изученных ФП, в среднем, опережают изменения в характеристиках солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и магнитосферы Земли на 10-12 ч. и могут быть использованы для прогнозирования времени прихода гелиосферного возмущения в околоземное пространство.

Пользуясь представившейся возможностью, хочу выразить искреннюю и глубокую признательность своему научному руководителю и учителю -профессору Петрухину Анатолию Афанасьевичу - за постоянное внимание, помощь и поддержку в работе на протяжении всей моей деятельности в Научно-образовательном центре НЕВОД, где выполнен весь объем работ, представленных в диссертации.

Особую благодарность хочу выразить главному научному сотруднику Кокоулину Ростиславу Павловичу, ведущему научному сотруднику Яшину Игорю Ивановичу и профессору Ворогу Владимиру Викторовичу за плодотворное сотрудничество, ценные советы, творческие дискуссии, критические замечания и постоянный интерес к работе.

Хочу выразить благодарность доценту Дмитриевой Анне Николаевне, ведущему инженеру Шутенко Виктору Викторовичу и ассистенту Яковлевой Елене Ивановне за крайне ценные и полезные дискуссии, советы и помощь при разработке методов анализа экспериментальных данных.

Отдельную благодарность хочу выразить В.В. Шутенко, К.Г. Компанийцу и Д.В. Чернову за огромный вклад в обеспечение непрерывного функционирования мюонного годоскопа УРАГАН, проведение эксперимента и получение экспериментальных данных.

Также хочу поблагодарить молодых коллег И.И.Астапова, А.Ю.Кузовкову, Ю.Н.Мишутину и О.А.Ситько за большую помощь при обработке экспериментальных данных.

Особо хочу отметить вклад так рано ушедшего из жизни Д.А.Тимашкова, с которым мне посчастливилось тесно работать на начальной стадии разработки подходов к анализу данных мюонного годоскопа УРАГАН.

От всего сердца хочу поблагодарить всех сотрудников НОЦ НЕВОД за теплую и творческую атмосферу в большом и дружном коллективе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Барбашина, Наталья Сергеевна, 2013 год

Список литературы

1. S. Е. Forbush // On the Effects in the Cosmic-Ray Intensity Observed During Magnetic Storms, Phys. Rev., 1937, V.51, p.1108.

2. А.В.Белов и др. Чем обусловлены и с чем связаны форбуш-эффекты? // Известия РАН. Сер. физ., 2001, т.65, №3, с.373.

3. D.A.Timashkov, N.S.Barbashina, V.V.Borog, J.-N.Capdevielle, R.P.Kokoulin, A.A.Petrukhin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. Muon diagnostics of the Earth's atmosphere, near-terrestrial space and heliosphere: first results and perspectives. Proc. 30th ICRC, Merida, Mexico, 2007, v. 1, p. 685 - 688.

4. Н.С.Барбашина. Изучение форбуш-эффектов с помощью мюонных годоскопов. Труды 8-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. Том 2. М.: МИФИ, 2008, с. 16-26.

5. IZMIRAN: http://crO.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm.

6. А.В.Белов и др. Выделение анизотропии космических лучей в реальном времени, Труды 28 Всероссийской конференции по космическим лучам, 2008.

7. J. F. Ziegler, IBM Journal of Research and Development. V. 40, doi: 10.1147/rd.421.0117, 1998.

8. University of Chicago-USA-1997: http://www.dfi.uchile.cl/ec web/htm/cosmic rays network.html

9. L.I.Dorman. Cosmic rays in the Earth's atmosphere and underground. Kluwer Academic Publishers. Dordrecht / Boston / London, 2004, 833 p.

10. B.M. Дворников и др. Вариации параметров межпланетной среды и изменения жесткостей геомагнитного обрезания космических лучей в ноябре 2004 г. Труды VIII Конференции молодых ученых. Секция «Солнечное излучение...», БШФФ-2005. С. 170-171.

11. A. Wawrzynczak, M.V. Alania / Advances in Space Research 45, 2010, 622-631.

12. А. А. Абунин, M. А. Абунина, А. В. Белов и др. Форбуш-эффекты с внезапным и постепенным началом. Геомагнетизм и аэрономия, том 52, № 3, 2012, С. 313-320.

13. В.Бабаян и др. Предсказание радиационных и геомагнитных бурь с использование установок высокогорных станций на г.Арагац. Известия РАН, сер. физ., 2011, т.65, №3. С.335-338.

14. 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.

15. K.Munakata et al. Precursor of geomagnetic storms observed by the muon detector network. Journal of Geophysical Research, vol. 105, №A12, 2000, p.27,457-27,468.

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

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

18. В.В.Борог. "Исследование вариаций космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли с помощью наземного широкоапертурного мюонного годоскопа". Диссертация на соискание степени д.ф.м. МИФИ. 2006.

19. Н.С.Барбашина, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, О.Сааведра, Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Широкоапертурный мюонный детектор для диагностики атмосферы и магнитосферы Земли. Известия РАН. Серия физическая, т. 71, №7, 2007, с. 1072-1074.

20. Н.С.Барбашина, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, О.Сааведра, Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Широкоапертурный мюонный годоскоп большой площади УРАГАН. Приборы и техника эксперимента, 2008, № 2, с. 26-32.

21. В.В.Шутенко, Н.С.Барбашина, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, И.И.Яшин. Наблюдение гелиосферных возмущений в мюонной компоненте космических лучей. Известия РАН. Серия физическая, т. 73, № 3 (2009) с. 364-367.

22. Н.С.Барбашина, В.В.Борог, А.Н.Дмитриева, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Мюонная диагностика атмосферы и магнитосферы Земли. Известия РАН. Серия физическая, т. 71, №7, 2007, с. 1069-1071.

23. N.S.Barbashina, V.V.Borog, A.N.Dmitrieva, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.A.Petrukhin, D.A.Room, O.Saavedra, V.V.Shutenko, D.A.Timashkov, G.Trinchero, I.I.Yashin. Study of Forbush effects by means of muon hodoscopes. Presented at 20th ECRS, Lisbon, Portugal, September 2006. Preprint astro-ph/0701288.

24. D.A.Timashkov, N.S.Barbashina, V.V.Borog, A.N.Dmitrieva, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.A.Petrukhin, D.A.Room, O.Saavedra, V.V.Shutenko, G.Trinchero, I.I.Yashin. Investigation of Forbush effects in muon flux measured in integral and hodoscopic modes. Proc. 30th ICRC, Merida, Mexico, 2007, v. 1, p. 315-318.

25. Л.И.Дорман, "Метеорологические эффекты космических лучей". М.: Наука, 1972.

26. A.N.Dmitrieva, R.P.Kokoulin, A.A.Petrukhin, D.A.Timashkov. Corrections for temperature effect for ground-based muon hodoscopes. Astroparticle Physics, v. 34, no. 6 (January 2011) 401-411.doi:10.1016/j.astropartphys.2010.10.013.

27. Центральная Аэрологическая Обсерватория (Россия, Долгопрудный), http://www.cao-rhms.ru/index.html.

28. WDC for Cosmic RaysSolar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University: ftp://ftp.stelab.naqova-u.ac.ip/pub/WDCCR/YEARLY/PSPLQT/P2005/.

29. Н.С.Барбашина. Особенности исследования форбуш-эффектов в потоке мюонов. Труды 9-й БМШ ЭТФ. Том 2. Под ред. А.А.Петрухина, М.Х.Хоконова. М.: МИФИ, 2009; с. 55 - 64.

30. Network of Cosmic ray Stations: http://crO.izmiran.rssi.ru/common/links.htm.

31. 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.

32. 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.

33. Н.С.Барбашина, А.Н.Дмитриева, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, В.В.Шутенко, Е.И.Яковлева, И.И.Яшин. Особенности исследования форбуш-эффектов в потоке мюонов. Известия РАН. Серия физическая, т. 73, № 3, 2009, с. 360-363.

34. База данных OMNI2: http://ftpbrowser.qsfc.nasa.gov/ace merqe.html.

35. Н.С. Барбашина. Анализ форбуш-эффектов, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН. Труды Всероссийской конференции «10-я Баксанская молодежная школа экспериментальной и теоретической физики». БМШ ЭТФ - 2009. Том 2. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. С. 59-67.

36. Е.И.Яковлева, А.Г.Богданов, А.Н.Дмитриева, Р.П.Кокоулин, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков. Функции связи для мюонных годоскопов. // Известия РАН. Серия физическая, т. 73, № 3, 2009, с. 375-378.

37. Дорман Л.И. Вариации космических лучей и исследования космоса - М.: Изд. АН СССР. 1963 - 1028 с.

38. N.S. Barbashina, I.I. Astapov, V.V. Borog, A.N. Dmitrieva, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, Yu.N. Mishutina, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, O.A. Sit'ko, E.I. Yakovleva and I.I. Yashin. Study of characteristics of Forbush decreases detected in 2006 - 2011 by means of muon hodoscope URAGAN. 2013. J. Phys.: Conf. Ser. 409 012189 (4 pages) (http://iopscience.iop.org/1742-6596/409/1/012189).

39. Н.С.Барбашина, И.И.Астапов, В.В.Борог, А.Н.Дмитриева, Л.И.Душкин, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.Ю.Кузовкова, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, С.С.Хохлов, В.В.Шутенко, Е.И.Яковлева, И.И.Яшин. Исследование энергетических, угловых и временных характеристик форбуш-эффектов, зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН. Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 6. С. 863-866.

40. N.S.Barbashina, A.N.Dmitrieva, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.S.Mikhailenko, A.A.Petrukhin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, D.A.Timashkov, G.Trinchero, E.I.Yakovleva, I.I.Yashin. Analysis of Forbush decreases detected by muon detectors DECOR and URAGAN. Proc. 31st ICRC, Lodz, Poland, 2009. Paper ID 0887. Available at http://icrc2009.uni.lodz.pl/proc/html.

41. N.S. Barbashina, I.I. Astapov, V.V. Borog, A.N. Dmitrieva, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, Yu.N. Mishutina, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, O.A. Sit'ko, E.I. Yakovleva and I.I. Yashin. Study of characteristics of Forbush decreases detected in 2006 - 2011 by means of muon hodoscope URAGAN. Proc. 23 ECRS, Moscow, 2012, Paper SH 574.

42. N.S. Barbashina, I.I. Astapov, V.V. Borog, A.N. Dmitrieva, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, A.Yu. Kuzovkova, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko,

E.I. Yakovleva, I.I. Yashin. Analysis of Forbush decrease of 18 February 2011 in

muon flux. SH2.6. ID 0293. Proc. 32nd ICRC, Beijing, China, 2011, vol. 10, pp. 279-282.

43. Н.С.Барбашина, И.И.Астапов, А.Н.Дмитриева, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков. Исследование временных изменений показателя спектра амплитуд форбуш-понижений по данным мюонного годоскопа УРАГАН. Труды Научной сессии НИЯУ МИФИ-2010. Т. 4. Изд. НИЯУ МИФИ. 2010. С. 153-156.

44. N.S.Barbashina, I.I.Astapov, A.N.Dmitrieva, L.I.Dushkin, K.G.Kompaniets, A.Yu.Kuzovkova, A.S.Mikhaylenko, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, D.A.Timashkov, E.I.Yakovleva, I.I.Yashin. Study of temporal changes of the Forbush decrease amplitude spectrum exponent by means of muon hodoscope URAGAN. 22nd ECRS, Abstracts, 2010, p. 121-122.

45. D.A.Timashkov, N.S.Barbashina, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.A.Petrukhin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, G.Trinchero, E.I.Yakovleva, I.I.Yashin. Observation of heliospheric disturbances in muon component of cosmic rays at ground level. Proc. 21st ECRS, Koshice, Slovakia, 2008, p. 338-341.

46. V.V. Shutenko, N.S. Barbashina, A.G. Bogdanov, K.G. Kompaniets, A.Yu. Kuzovkova, A.S. Kuraeva, A.S. Mikhailenko, A.I. Teregulov. Study of disturbances in the IMF and magnetosphere of the Earth by muon hodoscope data. SH4.1. ID 0058. Proc. 32nd ICRC, Beijing, China, 2011, vol. 11, pp. 276279.

47. D.A.Timashkov, N.S.Barbashina, D.V.Chernov, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, A.S.Mikhaylenko, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, E.I.Yakovleva, I.I.Yashin. Analysis of heliospheric disturbances during solar minimum using data of muon hodoscope URAGAN. Proc. 31st ICRC, Lodz, Poland, 2009. Paper ID 0891. Available at http://icrc2009.uni.lodz.pl/proc/html/

48. А.И.Кобзарь. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006.

49. Н.С.Барбашина, В.В.Борог, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Способ и устройство для получения мюонографий. Патент на изобретение РФ № 2406919 от 20.12.2010.

50. А.А. Petrukhin, N.S. Barbashina, V.V. Borog, A.N. Dmitrieva, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, S.Yu. Matveev, A.S. Mikhailenko, V.V. Shutenko,

N.V. Tolkacheva, I.I. Yashin. Muon diagnostics of the Earth's atmosphere. SH4.2. ID 0310. Proc. 32nd ICRC, Beijing, China, 2011, vol. 11, pp. 353-356.

51. N.S.Barbashina, A.N.Dmitrieva, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.A.Petrukhin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, D.A.Timashkov, G.Trinchero, E.I.Yakovleva, I.I.Yashin. The features of the study of Forbush effects in the flux of muons. Proc. 21st ECRS, Koshice, Slovakia, 2008, p. 335-337.

52. D.A.Timashkov, Yu.V.Balabin, N.S.Barbashina, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, G.Mannocchi, A.A.Petrukhin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, G.Trinchero, E.V.Vashenyuk, I.I.Yashin. Ground level enhancement of December 13, 2006 observed by means of muon hodoscope. Astropart. Phys., 30, 2008, p. 117-123.

53. H.C. Барбашина, A.H. Дмитриева, К.Г. Компанией, A.C. Михайленко, A.A. Петрухин, Д.А. Тимашков, С.С. Хохлов, В.В. Шутенко, Е.И. Яковлева, И.И. Яшин. Исследование динамики глобальных возмущений магнитосферы Земли с помощью мюонных детекторов. Краткие сообщения по физике. ФИАН. 2010. №6. С. 3-5.

54. H.V.Cane. Coronal mass ejections and Forbush decrease. Space Science Reviews, 93, 2000, p.41-62.

55. H.C. Барбашина, И.И. Астапов, В.В. Борог, А.Н. Дмитриева, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компанией, Ю.Н. Мишутина, А.А. Петрухин, О.А. Ситько, В.В. Шутенко, Е..И. Яковлева, И.И. Яшин. Форбуш-эффекты, зарегистрированные мюонным годоскопом УРАГАН в 2006-2011 гг. Известия РАН. Серия физическая. 2013. Т. 77. № 5. С. 596-598.

Приложение 1. Паспорт на событие 18 февраля 2011 г.

Паспорт на событие ФП 18 февраля 2011 года

Вариации космических лучей

УРАГАН

Объединенный по трем СМ интегральный темп счета

Начало падения

18.02.2011 02:30

Окончание падения

18.02.2011 05:20

О 015 0 014 0014 0.013 0013 0012 0 012

00:00 00:00 00:00 00:00 0000 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00

Р:\Паспорта_ФП\РО_18РеЬ_2011\Ба1а_УРАГАН\Р018РеЬ1 lsA_TC.dat начало данных: 13.02.2011 00:00 конец данных: 23.02.2011 00:00

и

М 13

18.02.2011 02:30 №1 = 1392.21 18.02.2011 05:20 N12= 1377.32 20.02.2011 05:30 N13 = 1395.36

№>_11 = 1394.09 +/- 0.176961 144 М>_21 = 1396.72 +/- 0.21803 144 т_22 = 1396.09 +/- 0.138124 288 М>_31 = 1395.98+/- 0.199175 144 М>_32 = 1394.61 +/-0.147127 288 М)_33 = 1394.87 +/- 0.117773 432

Кс_11 = 1376.03 +/- 0.183168 144 N0 21 = 1376.88+/-0.187681 144

Ис_22 = 1376.85 +/- 0.152984 288 №_31 = 1376.84 +/- 0.187299 144 Ыс_32 = 1376.77 +/- 0.153005 288 №_33 = 1376.8 +/- 0.154449 289

N8 = 5

ВЫ = -2.97949е-05 ВЬ2 = 3.10627е-05 ВЬЗ = 1.38821е-05 пэ = 3

Вг1 = 8.47534е-05 Вг2 = 6.52067е-05 ВгЗ = 6.60611е-05 Ь = 0.409037 %/сугки

Tfd = 2.833333 час Тг = 2.125000 сутки АН\2 = 1.06964 %

А_11_11 =0.0129547+/- 0.000181551 в А_11_21 = 0.012349 +/- 0.00018396 в А_11_22 = 0.0123703 +/- 0.00016661 в

А_11_31 = 0.0123755 +/- 0.000183757 в

А_11_32 = 0.0124233 +/- 0.000166615 в

А_11_33 = 0.0124056+/-0.000167301 э

А_21_11 = 0.0148126+/- 0.000202111 з

А_21_21 = 0.0142081 +/- 0.000204294 5

А_21_22 = 0.0142293 +/- 0.000188881 в

А_21_31 = 0.0142345 +/- 0.000204111 в

А_21_32 = 0.0142822 +/- 0.000188883 8

А_21_33 = 0.0142646 +/- 0.000189487 в А_22_11 = 0.014368 +/- 0.000163471 8

А_22_21 =0.0137632+/-0.0001661 И в

А_22_22 = 0.0137845 +/- 0.000146725 э

А_22_31 = 0.0137896 +/- 0.000165889 в

А_22_32 = 0.0138374 +/- 0.000146733 в

А_22_33 = 0.0138197 +/- 0.000147508 8

А_31_11 =0.0142888+/- 0.000192342 в

А_31_21 = 0.0136839 +/- 0.000194624 8

А_31_22 = 0.0137052 +/- 0.000178361 в

А_31_31 = 0.0137104 +/- 0.000194433 в

А_31_32 = 0.0137581 +/- 0.000178364 в

А_31_33 = 0.0137405 +/- 0.000179003 8

А_32_11 =0.0133189+/- 0.000167587 8

А_32_21 = 0.0127134 +/- 0.000170174 в

А_32_22 = 0.0127348 +/- 0.000151266 в

А_32_31 = 0.0127399 +/- 0.000169956 в

А_32_32 = 0.0127877 +/- 0.000151273 в

А_32_33 = 0.0127701 +/- 0.000152027 в

А_33_11 = 0.0135078 +/- 0.000155503 8

А_33_21 = 0.0129024 +/- 0.000158271 8

А_33_22 = 0.0129238 +/- 0.000137748 8

А_33_31 = 0.0129289 +/- 0.000158038 8

А_33_32 = 0.0129767 +/- 0.000137758 э А 33 33 = 0.012959+/- 0.000138584 в

<АГс1> = 1.34006% dAfd =0.01167%

sigAfd = 0.07002 °М1: 18.02.2011 02:30 №1 = 1392.21

. ИЗМИР АН

Начало падения Окончание падения

18.02.2011 01:40 18.02.2011 07:10

1-1-,-----1-------,---,---1-.-----1-.-I I I-------1-------1—1-'-- I ------1-------—г

13.02.2011 14 02.2011 15.02.2011 16.02.2011 17.02.2011 18.02.2011 19.02.2011 20 02.2011 21.02.2011 22 02.2011 23.02.2011 24.02.2011 00 00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00 00:00

0 047 0 046 0 045 0.044 0.043 0 042 0.041 0 04 0 039

■-1

-1---Г--1---Г"

ззе

.......... . 1 111 ............... 111 ....................11 .........1.......1.......1.......................11" 1.......1..........

л к, а, я, и, я, с, к, 8, й, Й, й, г, К, й, в, й, в, с, к, й, й, й, 8, к, й, к, и, в, к, й, в, Й, в,

----^^КЯЯЯЯКЙЙЙЙЙЙКЙККНЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙЙ

и

а

13

18.02.2011 01:40 18.02.2011 07:10 23.02.2011 11:40

№1 = 10098 №2 = 9690 №3 = 10192

Ь = 0.56674 %/сутки Tfd = 5.500000 час <АШ> = 4.32883 %

Тг = 5.416667 сутки = 0.12056%

АН 12 = 4.0404 %

Анализ спутниковых данных в период с 14 по 17 февраля 2011 г.

Вспышки на Солнце:

14 февраля 17:20 14 февраля 17:26 14 февраля 17:32 М2.2 1158

15 февраля 01:44 15 февраля 01:56 15 февраля 02:06 Х2.2 1158

16 февраля 01:32 16 февраля 01:39 16 февраля 01:46 М1.0

16 февраля 07:35 16 февраля 07:44 16 февраля 07:55 М1.1 1161

16 февраля 14:19 16 февраля 14:25 16 февраля 14:29 М1.6 1158

GOES Xray Flux (5 minute data) Bea(n: 2011 Feb 14 0000 UTC

< x q

oo I

q

m

-t I

¡л у)

о о

17

Updated 2011 Feb 16 23:55:12 UTC NOAA/SWPC Boulder, CO USA

КВМ:

Возможные КВМ-«кандидаты»

(красный цвет - вероятная причина, оранжевый - дополнительные причины)

Время КВМ акт. обл. корд-ты скорость угловая ширина, 0 класс вспышки время нач. вспышки время макс, вспышки Прим Ожидаемое время прибытия

14.02 08:12 300-480 17.02 23:0020.02 03:00

14.02 11:00 220-420 18.02 15:0022.02 09:00

14.02 14:00 380 С7.0 14.02 13:47 14.02 14:27 19.02 04:00

14.02 17:09 (17:24) 200-250 360 halo М2.2 14.02 17:20 14.02 17:26 21.02 16:0023.02 10:00

14.02 18:12 (18:24) 115-450 18.02 15:0029.02 21:00

14.02 19:36 170-440 С6.6 14.02 19:23 14.02 19:30 18.02 18:0025.02 01:00

15.02 02:12 (02:36) 300-810 360 halo IV Х2.2 15.02 01:44 15.02 01:56 17.02 06:0020.02 21:00

15.02 18:24 415-590 С1.7 15.02 18:07 15.02 18:44 18.02 17:0019.02 23:00

15.02 23:16 210-1300 17.02 07:0024.02 06:00

16.02 00:00 270-480 19.02 15:0022.02 11:00

16.02 02:36 (03:12) 290-480 90 С2.2 16.02 01:53 16.02 02:00 19.02 18:0022.02 03:00

16.02 23:11 (23:26) 140-700 80 С2.8 16.02 23:02 17.02 00:25 19.02 11:0029.02 09:00

Вероятнее всего, вариации в темпе счета УРАГАН 18.02.2011 обусловлены:

- КВМ 15.02 02:12 (02:36) со скоростью от 300 до 810 км/с (вызван вспышкой Х2.2 в 01:44).

Кроме этого, дополнительное воздействие могли оказать КВМ, которые имели достаточно большую скорость распространения:

- КВМ 14.02 08:12 со скоростью от 300 до 480 км/с,

- КВМ 15.02 23:16 со скоростью от 210 до 1300 км/с.

По данным АСЕ видно, что возмущение 17 февраля имело скорость -600 км/с. При такой скорости ожидаемое время прибытия КВМ от 15 февраля (-02:00) можно оценить (69.5 часов) примерно в 17 февраля (-23:00), что близко к наблюдаемому. При этом, медианная скорость КВМ составляет - 470 км/с, при такой скорости ожидаемое время прилета через 88.6 часов, то есть примерно 18 февраля (-18:00), что также близко к наблюдаемому.

1.5x10*1

^ 1.0x10'

Р &

Л I-

о о о. о

Гелиосферные возмущения

время нач. (В) время ок. (В) время макс. (В) Вшах время мин и макс, (у) у_тш у_тах, км/с Вгтах ДЛИТ. Вг<0 Прим.

17.02 20.02 18.02 28.9 25.3 18.02

21:00 01:00 5:00 18.02 12:00 612.6 13:0024.02 00:00

Геомагнитные индексы

Estimated Planetary K Index (3 hour data) Begin: 2011 Feb 17 0000 UTC 9

Я

S-

Feb 17

Updated 2011 Feb 20 02:55:02 UTC

Feb 18 Feb 19

UniY«r«»l Time

Feb 20

NOAA/SWPC Boulder, CO USA

Геомагнитные возмущения 18 февраля были довольно значительными: Кр = 5.

ФП (ti, t2) SSC Кр (t2) Kpmax t(Kp_max) Dst(t2) Dstmax t(Dstmax) Прим.

tl: 17.02.2011 t2: 18.02.2011 18.02 05h 5 18.02 06h -31 19.02 10h

Причиной форбуш-понижения 18 февраля 2011 года, вероятнее всего, являлось вспышка Х-класса 15 февраля и КВМ от нее: КВМ 15.02 02:12 (02:36) со скоростью от 300 до 810 км/с (вызван вспышкой Х2.2 в 01:44).

Анализ данных МГ УРАГАН

Еср, ГэВ Е1п, ГэВ Е0.5 С коррекцией на Т ЬеЬе1

АРО, % Егг, %

16 1.34 0.07 и^ПМе^ТЗО

16.05 14.68 13.55 1.51 0.07 1Т0 17

16.93 15.50 14.33 1.58 0.06 11^11Т17 26

18.96 17.51 16.19 1.48 0.07 иг£11Т26 34

21.22 19.74 18.36 1.29 0.08 11^11Т34 44

26.88 25.32 24.13 0.83 0.07 ВД1Т44 70

Энергетические характеристики

1) Зависимость амплитуды ФП от среднелогарифмической энергии первичных КЛ.

Е|п,ГэВ

2) Временные изменения показателя энергетического спектра первичных частиц

Весь интервал: (а(т)> =-1.30 ±0.38. Фаза падения: (а(т),) =-1.55 ±0.33. Фаза минимума: (сс(т)2) =-1.04 ±0.23. Фаза восстановления: (а(т)з) =-1.4 ±0.38.

Сопоставление энергетических характеристик

а(т)

4-]

321 -0-1 --2-3-

иРАСАЫ РР 18 РеЬ 2011

ЩЩЩ

-417.02.2011 22:00 18.02.2011 10:00 18.02.2011 22:00 19.02.2011 10:00

пг

а(т)

Ре! Vsw 700

600

500

400

300

17.02.2011 18 00

18 02.2011 18 00

19.02 2011 18:00

Мюонные снимки (мюонографии)

До начала форбуш-понижения (17/02/2011 15:00- 18/02/2011 01:00):

I км (ЖАМ* «К

2)

Фаза падения (18/02/2011 02:00 - 18/02/2011 07:00):

6- Ч) 5»Ч •+>

I

-6с

М(1Иу.«*Х)

»-41.774» J*0

I

»-•пен ¡¡«в

I

Корреляции между проекциями векторов гЕ и во время ФП

До начала форбуш-понижения (17/02/2011 15:00- 18/02/2011 01:00):

-2,0 -1,5-1.0-0,5-

Ъ 0.0-

^ 0,51,01,5-

2,0

До начала падения

—I—'—г-

-0,5 0,0

ГЕ

гн (Ю-3)

—1—

1.0

Ю

Фаза минимума (18/02/2011 08:00- 18/02/2011 18:00):

-2,0-, -1,5 -1,0 о -0,5 0,0 0,5 1.0 1.5

2.0

Фаза минимума

-1,0 -0.5 0.0 0,5 ГЕ <10"3)

ю

Фаза падения (18/02/2011 02:00- 18/02/2011 07:00):

-2.0-1 -1,5-1,0-0,50,00,51,01,5-

2.0

Фаза падения

Ю

-0.5 0.0 0,5

(Ю )

Фаза восстановления (18/02/2011 19:00 20/02/2011 05:00, через 1 часа):

-2,0-1 -1.5-1,0-0,5 ' 0.0 0.5 1.0 1,5

2.0

Фаза восстановления

—1—■—I—'—г

-1.0 -о.5 г о,

'(Чо-3)

ю

—1—

1.5

Горизонтальная проекция вектора относительной анизотропии потока мюонов

1) Описание поведения:

Возмущение в г/, начинается 18/02/2011 в 02:00, заканчивается в 20/02/2011 в 23:00. Среднее значение в этот период 3,21 ± 1,76, минимальное - 0,4, максимальное 7,02.

Три пика в г и:

№ 1 - 18/02/2011 05:00, общая длительность 13 часов; № 2 - 19/02/2011 04:00, общая длительность 13 часов; № 3 - 20/02/2011 05:00, общая длительность 12 часов; Агн - 2,42 в 18/02/2011 05:00.

2) Сопоставление времени начала возмущений в ги СБ, ММП и МПЗ:

V, км/с

начало знач. Время макс. максимум

18.02.2011 0:00 342 18.02.2011 18:00 691

В, нТл

начало знач. Время макс. максимум

18.02.2011 0:00 3.6 18.02.2011 5:00 30.6

Вг, нТл

начало знач. Время мин. максимум

18.02.2011 0:00 0.6 18.02.2011 5:00 -3.2

начало знач. Время мин. максимум

18.02.2011 0:00 1 18.02.2001 4:00 54

начало знач. Время мин. максимум

18.02.2011 8:00 1 18.02.2011 15:00 -27

Вага БЭ БЗС Л^-у > час > час Чл-|вГ|'час Чл-о*>час

18 февраля 2011 г. ЗБС 2.0 2.0 2.0 2.0

Приложение 2. Основные характеристики ФП, зарегистрированных МГ УРАГАН в 2006 - 2011 гг.

Рй МГ УРАГАН

Ь, %/сутки Тро, час АР0, % аАР0, % Тг. сут. а СТа 2 X -шах 'Л ЛГЦ

15 РеЬ 2011 0.1 1.33 0.52 0.07 2.55 -0.99 0.37 0.04 6.29 2.57

18 РеЬ 2011 0.41 2.83 1.34 0.07 2 -1.02 0.14 3.06 7.02 2.42

22 иип 2011 0.22 11.33 1.13 0.06 0.48 -1.58 0.18 1.18 10.85 3.27

03 ии! 2011 0.65 2.33 0.62 0.04 1.43 -1.97 0.28 2.73 6.65 3.27

09 ,1и1 2011 -0.29 6.5 0.47 0.15 не вое -0.79 0.65 0.10 9.27 4.37

11 М 2011 0.85 2.83 0.62 0.08 0.38 -1.14 0.28 1.24 9.29 2.47

05 Аид 2011 0.24 7.17 0.77 0.13 2.55 -1.45 0.40 0.28 8.45 3.53

09 Аид 2011 0.08 11 0.67 0.08 2.38 -1.21 0.32 0.40 8.39 4.37

10 Эер 2011 0.33 14 1.29 0.06 не вое -1.11 0.14 1.01 11.08 2.97

18 Бер 2011 2.24 3.67 0.79 0.03 0.31 -1.50 0.16 1.24 15.85 3.20

26 Бер 2011 0.031 4.17 0.8 0.12 6.3 -1.13 0.42 0.31 9.73 2.63

24 Ой 2011 0.29 9 1.63 0.09 4.6 -0.82 0.14 0.49 12.09 7.29

05Арг2010 0.1 4.67 0.65 0.14 6.3 -1.17 0.55 0 10.14 3.31

28 Мау 2010 0.06 7.5 0.54 0.12 3.52 -1.02 0.55 0.28 7.05 3.00

15 ч1ип 2010 0.04 10.33 0.7 0.06 3.43 -0.19 0.23 0.06 8.95 2.48

21 иип 2010 0.61 7.67 0.86 0.07 1.26 -0.15 0.15 0.17 7.20 2.66

28 Эер 2010 0.08 10.67 0.53 0.07 6.21 -0.50 0.33 0.26 4.70 2.61

05 ОЙ 2010 0.37 5.83 0.6 0.09 1.57 -1.26 0.38 0.28 4.97 3.19

19 иап 2009 0.19 12.67 0.54 0.13 2.73 -1.29 0.39 0.21 4.50 2.96

04 РеЬ 2009 0.42 2 0.52 0.07 0.66 -1.43 0.22 0.20 5.27 2.58

02 2009 0.41 6.17 0.57 0.07 1.39 -0.54 0.25 0.27 3.47 2.57

10 №»/ 2009 0.01 9.17 0.55 0.04 не вое -0.62 0.21 0.32 4.48 2.58

01 Мау 2008 0.07 4.5 0.59 0.09 не вое -1.04 0.35 0.26 5.90 3.05

25 иип 2008 0.08 10.83 0.69 0.05 8.54 -1.49 0.25 0.16 7.70 2.40

01 ОЙ 2008 0.07 8 0.43 0.12 4.52 -0.35 0.60 0.12 6.46 3.46

05 йес 2008 -0.03 1.83 0.48 0.06 не вое -0.70 0.30 0.15 5.43 2.53

FD MГ УРАГАН

b. %/сутки Tfd- час Afd. % öafd- % Tr. сут. а оа X2 rmax '/7 Arh

18 May 2007 0.48 6.33 0.82 0.09 1.4 -0.95 0.25 0.48 6.96 3.43

18 Aug 2007 0.22 7.5 0.81 0.05 3.47 -0.97 0.15 0.66 5.57 2.38

13 Apr 2006 0.7 4.67 0.91 0.09 не вое -0.52 0.19 0.07

11 May 2006 0.23 9 1.2 0.08 не вое -0.67 0.14 0.60

20 Aug 2006 0.31 15 0.98 0.13 1.71 -1.22 0.30 0.05

24 Sep 2006 0.07 7.83 0.62 0.11 не вое -0.72 0.35 0.02

14 Dec 2006 0.49 5.5 2.29 0.23 5.6 -0.92 0.23 0.11