Сеть нейтронных мониторов: фундаментальные исследования и практические приложения

Нейтронные мониторы – стандартные приборы, расположенные в различных точках земного шара. Отдельный нейтронный монитор регистрирует первичные космические лучи, которые имеют энергию и магнитную жесткость выше порога, и только в ограниченном ряде направлений. Так как эти параметры в основном зависят от расположения нейтронного монитора на Земле, то сети нейтронных мониторов предоставляют более широкую возможность для извлечения из данных физической информации, такой как энергетические спектры и направления распространения первичных частиц. Также они предоставляют нам возможность использовать нейтронные мониторы для мониторинга космической погоды. Для этого необходима база данных в реальном времени, такая как NMDB.

1. Почему нам нужна сеть нейтронных мониторов?
• Сеть нейтронных мониторов: исследования
• Сеть нейтронных мониторов и предупреждение космической погоды
2. История развития

Почему нам нужна сеть нейтронных мониторов?

Нейтронные мониторы – стандартные приборы, расположенные в различных точках земного шара. Очень высокая интенсивность счета по сравнению с детекторами, расположенными в космосе, дает неоспоримое преимущество для нейтронных мониторов. Это позволяет станциям наблюдать много небольших и недлительных изменений в интенсивности космических лучей (около 0,5% по величине), которые невозможно зарегистрировать детекторами в космосе. С другой стороны, в отличие от космических детекторов, нейтронные мониторы не могут быть насыщенны интенсивными приливами энергичных солнечных частиц. Еще одно преимущество нейтронных мониторов это их долговременная надежность и автоматическое получение данных.

Геомагнитное поле приводит к двум эффектам, которые характерны для каждого местоположения на Земле (см. обсуждение Космические лучи и Земля):

• низкий порог по жесткости (или по энергии), ниже которого, частицы приходящие из Вселенной не могут достигнуть атмосферы над нейтронным монитором,
• узкий конус обзора, в соответствии с которым, космические лучи для того чтобы достигнуть нейтронного монитора должны проникнуть в магнитосферу. (более подробно здесь).

Из-за этих особенностей, сеть станций нейтронных мониторов, расположенных в различных географических положениях необходима, для того чтобы охарактеризовать как направление потока заряженных частиц, приходящих в магнитосферу, так и функцию их жесткости или энергии. Таким образом, совокупность всемирной сети нейтронных мониторов в земной атмосфере и магнитосфере, может рассматриваться как уникальный инструмент с разрешением по направлению и энергии. Поэтому нейтронные мониторы исторически были задуманы с типовым устройством. Использование всех станций в качестве единого детектора, проводящего измерения в различных направлениях, также позволяет существенно увеличить точность измерений (<0,1 % для почасовых данных) по сравнению с единичным инструментом. Карта, помещенная выше, показывает расположение нейтронных мониторов по всему миру.

Сеть нейтронных мониторов: исследования

Далее мы иллюстрируем некоторые полученные данные, для получение которых необходимы нейтронные мониторы в разных положениях на Земле.

Долгосрочный мониторинг вариаций космических лучей

hspace="20" vspace="20"

Долгосрочные исследования записей нейтронных мониторов показало, что на каждой станции скорость счета изменяется на протяжении цикла солнечной активности. Это явление солнечной модуляции алактических солнечных лучей. Для того чтобы исследовать происхождение этого явления, мы не можем положиться на скорости счета одного монитора – нам нужно выявить интенсивность космических лучей как функцию энергии частиц или их жесткости. Так как каждый нейтронный монитор чувствителен к первичным космическим лучам выше некоторого порога низкой жесткости (или низкой энергии), который зависит от расположения на Земле, в особенности от географической широты, мы можем комбинировать измерения станций на различных широтах, от полярных регионов до экваториальных. Это было проделано для выявления длительной истории галактических космических лучей, показанной на этом Графике, где указана интенсивность при жесткости 10 GV (кинетическая энергия 9 GeV) по сравнению с изменением количества солнечных пятен на протяжении нескольких десятков лет.

Направления солнечных космических лучей

Сеть высоких широт существенная для измерения анизотропии, связанной с краткосрочными событиями космических лучей, такими как события солнечных энергичных частиц и Форбуш эффекты.. Если станции расположены на сравнительно одинаковых широтах, их пороги по интенсивностям будут близкими, и любая разница в их профиле скорости счета должна быть отнесена к различным направлением прихода первичных космических лучей. Это иллюстрируется наблюдениями событий солнечных космических лучей 20 января 2005 года двумя нейтронными мониторами, которые имели не сильно различающиеся пороги по жесткости. Начальный пик намного сильнее на станции Terre Adelie, чем на Kerguelen Island, потому что во время этого специфического события первые космические частицы проникли в земную магнитосферу с Юга, благодаря необычной ориентации межпланетного космического поля. Если вы хотите знать больше о направлениях обзора нейтронными мониторами, пройдите по этой ссылке.

Сеть нейтронных мониторов и предупреждение космической погоды

Таким образом, сети нейтронных мониторов важны для извлечения максимального количества научной информации из измерений. Но сети также важны для использования нейтронных мониторов в слежении за космической погодой, будь-то солнечные энергичные частицы или выбросы корональных масс по направлению к Земле.

Мониторинг солнечных энергичных частиц

Обширные потоки энергичных частиц от Солнца (SEP=solar energetic particles) главная проблема для космического оборудования и других технологий, для радиосвязи в полярных регионах, а также для космонавтов (подробнее здесь). В связи с ростом значения космических технологий стало необходимо развивать методы для предсказания подобных событий. Солнечные космические лучи протонов и возможно нейтронов, за исключением высокоэнергетических электронов, наиболее быстрые частицы, которые достигают Землю в период данного события. Они не многочисленны, и как следствие сами по себе не составляют главной опасности. Но их прибытие сигнализирует о том, что через какое-то время следует ожидать множество протонов и ионов низких энергий. И так как солнечные космические лучи всегда генерируются в больших событиях, где число протонов и ионов низких энергий наивысшее, сети нейтронных мониторов могут быть использованы для формирования системы предупреждения в реальном времени, SEP тревоги. Существует два основных требования для такого предупреждения: надежно предсказывать события, и избегать ложных тревог.

Важность данных нейтронных мониторов в реальном времени для этой цели – одно из оправдания для проекта NMDB. В рамках этого проекта мы разрабатываем такую систему предупреждения, используя данные по крайней мере трех станций с нейтронными мониторами на высоких широтах – так как они наиболее чувствительны из-за низкого геомагнитного порога – и комбинируя их с данными слабого рентгеновского излучения, полученными со спутников, для того чтобы проверить на ложность. Когда на каком-либо нейтронном мониторе скорость счета превосходит скользящее среднее среди благополучных одноминутных измерений, станция переходит в режим «тревоги». Окончательная тревога запускается в том случае, если по меньшей мере три станции в режиме тревоги, и когда один рентгеновский канал указывает на то, что вспышка началась.

Космические лучи как раннее предупреждение об гео-эффективных выбросах корональных масс

Но не только лишь быстрые частицы играют роль в космической погоде. Выбросы корональных масс (Coronal mass ejections - CMEs). СМЕ распространяясь через межпланетное пространство, могут генерировать геомагнитный шторм во время воздействия на земную магнитосферу. Возмущения магнитного поля земли индуцируют электрические токи, которые могут мешать техническому оборудованию на земле, в особенности в полярных регионах Земли, а также электронике на космических аппаратах. Измерения нейтронных мониторов могут предоставить ранее предупреждение о приближении к Земле CME, потому что эти возмущения влияют на распространение космических лучей в Гелиосфере.

Когда быстрые выбросы корональных масс следуют через межпланетное пространство (Interplanetary CME – ICME), ведя ударную волну перед собой, они влияют на распространение галактических космических лучей и направления из прибытия на Землю (подробнее здесь). Поскольку ударная волна может отражать заряженные частицы, космические лучи истощены после удара. Так как космические лучи распространяются намного быстрее, чем ICME, их мониторинг позволяет информировать возмущение до прихода ICME на Землю. Предшествующие сигналы об ICME действительно были идентифицированы в данных нейтронных мониторов до начала сильных магнитных бурь и сильных Форбуш эффектов . Детальные исследования этих эффектов показали, что предшествующие сигналами могут быть уменьшение или увеличение скорости счета космических лучей.

Предшествующие уменьшения, очевидно, происходят, когда станция нейтронных мониторов связана магнитным образом с регионом с истощенным рентгеновским излучением за ударной волной. Но по той же причине – отражение от волны – можно ожидать увеличенный поток космических лучей спереди волны. Если Земля связана с этим регионом, нейтронные мониторы зарегистрируют увеличение интенсивности космических лучей до того, как удар ICME дойдет до Земли. Эффект ударной волны наиболее заметен на расстоянии, соответствующе одной круговой орбите частицы космических лучей в магнитном поле спереди волны (радиус Лармора). Для протонов жесткости 10 GV при спокойном фоне среднего межпланетного магнитного поля, интенсивности до прихода волны (около 5 нТ) радиус Лармора около 0,04 А.Е. (1 А.Е. – среднее расстояние между Солнцем и Землей). Ударной волне со скоростью 500 км/с требуется 4 часа для преодоления этого расстояния до достижения Земли. Таким образом, эти аномалии наиболее часто наблюдаются в последние часы перед приходом ударной волны. Сеть нейтронных мониторов способна идентифицировать эти сигналы и таким образом предупредить о надвигающемся геомагнитном шторме.

Этот рисунок представляет один пример: это вариации интенсивностей космических лучей как функция асимптотическое направление прихода (вертикальная ось) и время (часть дня, горизонтальная ось). Красные кружки определяют уменьшение интенсивности и желтые – увеличение. Размер кружков пропорционален амплитуде вариации космических лучей. Вертикальная линия определяет время, в которое ударная волна достигла Земли. Начиная с этого времени интенсивность космических лучей понижена на всех нейтронных мониторах, как это показано повсеместными красными кружками. Но рисунок ясно показывает, что уменьшения интенсивности космических лучей появляются до этого в узкой зоне долготой 135°-180°, что соответствует направлению межпланетного магнитного поля. Эта особенность особенно хорошо просматривается с 7 сентября ~ 23:00 UT (за 24 часа до прихода ударной волны на Землю). Это уменьшение интенсивности космических лучей, выровненных по магнитному полю, говорит о том, что линия межпланетного магнитного поля через Землю была связана с регионом, который предотвращает приход космических лучей – регион за ударной волной приближающихся к Земле ICME. В этом случае наблюдение космических лучей в реальном времени с помощью всемирной сети нейтронных мониторов может служить для предупреждения об приходящих ICME за несколько часов до их прихода.

Использование этого метода для оперативной службы – проект на будущее. Рисунок выше был получен с помощью 45 нейтронных мониторов. С таким числом станций может наблюдаться любая долгота прибытия. Во время вращения Земли, каждая станция сканирует полный круг для каждой долготы в течение дня, и, чем больше станций в различных местоположениях используется, тем более полной получается картина. Если у нас есть только одна станция, только одна долгота будет просканирована. Европейские и околоевропейские станции в одиночку не могут быть подходящими: такой же пример, как и выше – на одном из двух рисунков изображены только Европейские данные (слева) и Европейские+Российские станции (справа). Аспекты предшествующего сигнала всё еще заметны, но только в отдельных случаях, чего недостаточно для надежной системы предупреждения.

История развития

История сети нейтронных мониторов начинается с Дж. А. Симпсона, который в 1948 году изобрел свой инструмент для регистрации атмосферных нейтронов, генерируемых космическими лучами. На многих современных станциях всемирной сети ведется непрерывное измерение нейтронной компоненты, начатое в Июле 1957 года, с официальным началом Международного Геофизического Года (International Geophysical Year – IGY) .

Ранний период: Международный Геофизический Год и нейтронные мониторы

В 1957-1958 годах исследования проводились по плану IGY, и только после, в 1959 г., возникла программа IGC (International Geophysical Collaboration), как продолжение IGY. 15 сентября 1957 года Всемирный Центр Данных (WDC-B2) был создан в ИЗМИРАН, Москва (NIZMIR). В этом месте все наблюдения со всего мира были собраны для обменна данными. В то же время, данные, полученные Советсткими станциями и станциями Европейско-Азиатских регионов, направлялись в центры данных в США (WDC-A) и в Японию (WDC-C). Обмен данным способствовал установлению взаимного понимания и установлению контактов между ученными всех стран.

Обновление - нейтронные мониторы NM64

В 1960-х годах, международная научная активность в исследовании космических лучей продолжала увеличиваться, в особенности в рамках Международного Года Солнца. В 1964 новый тип нейтронных мониторов (NM64) был создан Хаттоном и Кармигелем (Hatton and Carmichael), с увеличенными счетчиками для получения улучшенной статистической точности. Старые станции были переоборудованы и новые супер мониторы устанавливались на новые станции. Эволюция числа станций, оборудованных в рамках IGY и нейтронными мониторами NM64 и эволюция скорости счета отображена на Рисунке.

К базам в реальном времени

В первый раз данные нейтронных мониторов (из станции Москвы) были размещены в Интернете для консультирования в реальном времени в 1997 году, это привело фактически к новой эре сбора, обработки и представления данных в реальном времени.

В настоящее время всемирная сеть состоит из коло 50 действующих нейтронных мониторов с различными характеристиками энергии и реакциями на космические лучи. Все нейтронные мониторы работают непрерывно с сбором данных 1- или 5-минутных интервалов. Большинство станций (около 30) представляют свои данные в Интернете в реальном времени. С января 2008 г., разрабатывается База данных Нейтронных Мониторов с высоким разрешением (NMDB) , как часть проекта e-Infrastructures, при поддержке Европейской Комиссии в рамках программы Seventh Framework Programme. Эта инициатива направлена на развитие базы данных реального времени для измерений нейтронных мониторов высокого разрешения, включая данные наибольшего числа нейтронных мониторов. Главная цель – развитие цифрового репозитория с данными космических лучей, которые будут доступны через Интернет для большого числа организаций, с помощью прямого доступа к базам данным через стандартизированные веб-интерфейсы.

В дальнейшем будет обдумываться возможность включения данных, связанных с космическими лучами (например, сети мюонных телескопов).