( )

..

( )

.04.16-“,

”

2012

НАЦИОНАЛЬНАЯ НАУЧНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ им. А.И.Алиханяна

(Ереванский Физический Институт)

Оганесян Армен Коляевич

ИЗУЧЕНИЕ МОДУЛЯЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ ВТОРИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ ОПОВЕЩЕНИЯ О НАДВИГАЮЩИХСЯ РАДИАЦИОННЫХ БУРЯХ

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-

математических наук по специальности 01.04.16 “Физика ядра,

элементарных частиц и космических лучей”

ЕРЕВАН – 2012

..

`

.-. . .. ()

`

.-. . .. ()

.-. . .. («» )

`

2012 . 15- . 1400- .. - « » 024 :

` 0036, , 2

.. :

2012 . 14-:

,

.-. . ` ..

Тема диссертации утверждена ученым советом Национальной научной лаборатории

им. А.И. Алиханяна

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук А.А. Чилингарян (ННЛ)

Официальные опоненты:

доктор физ.-мат. наук А.Н. Акопов (ННЛ)

кандидат физ.-мат. наук Г. А. Тонеян («ВЕБ» ООО)

Ведущая организация: Ереванский Государственный Университет

Защита диссертации состоится 15 мая 2012 г. в 1400 часов на заседании специализированого совета ВАК 024 ”Физика ядра и элементарных частиц” Национальной научной лаборатории.

Адрес: Ереван, 0036, ул. Братьев Алиханян 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ННЛ

Автореферат разослан 14 апреля 2012 г.

Ученый секретарь специализированного совета 024, д.ф.м.н. Э.Д. Газазян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

“Космическая погода” - как термин появился в 90-х годах XX века, как описывающий наиболее важные аспекты науки о солнечно-земных связях. Раздел научных знаний, называемый “Солнечно-земные связи”, посвящен изучению совокупности всех возможных взаимодействий гелио- и геофизических явлений. Эта область исследования лежит на стыке физики Солнца, солнечной системы и геофизики и занимается изучением влияния солнечной изменчивости и солнечной активности через межпланетную среду на Землю, в частности на магнитосферу, ионосферу, атмосферу Земли. В практическом смысле к тематике космической погоды относятся, например, вопросы прогноза солнечной и геомагнитной активности, исследования воздействия солнечных факторов на технические системы (радиопомехи, радиационная обстановка и пр.), воздействия на биологические системы и людей.

Радиационная обстановка в космосе создаёт немало проблем не только космонавтам, но и конструкторам космических аппаратов. Ещё на заре космических полётов создатели спутников столкнулись с проблемой живучести солнечных батарей. Оказалось, что под действием интенсивных потоков частиц радиационных поясов они довольно быстро деградировали: их электрический ток, необходимый для питания бортовых систем, уменьшался. Пришлось их защищать от радиации – предохранять слой кремния стеклом, поглощающим большую долю радиации. Так начиналась эра “борьбы” с космической радиацией.

Радиационная буря это резкое увеличение потока заряженных частиц и -квантов в околоземном пространстве. Во время солнечных вспышек в пространство могут быть выброшены заряженные частицы (в основном протоны) энергии от нескольких МэВ до десятков ГэВ. Эти частицы дойдя до Земли, могут нанести серьезный вред как орбитальным станциям, так и наземным технологиям, так как если для примера через транзистор пройдет заряженная частица, она может индуцировать дополнительные токи, в следствии чего может поменяться программа ответственная за ориентацию спутника. В случае когда заряженные частицы от Солнца доходят до Земли и имеют достаточную энергию для преодоления магнитного поля Земли, они создают в атмосфере каскады множественных вторичных частиц, которые доходят до поверхности (такое событие называется Наземное Превышение – Ground Level Enhancement - GLE) и могут индуцировать дополнительные токи в протяженных высоковольтных электрических кабелях, что может вывести из строя трансформаторы на электрических подстанциях. Наиболее известной стала авария, вызванная магнитной бурей 13 марта 1989 г., в ходе которой 6 миллионов человек и большая часть промышленности канадской провинции Квебек на 9 часов остались без электричества.

Приведенные примеры показывают насколько важно иметь хорошую систему оповещения о надвигающихся радиационных бурях. В настоящее время точные математические модели, описывающие процессы солнечно-земной физики, отсутствуют. Поэтому в основу прогнозов положены феноменологические, вероятностные модели, то есть модели, описывающие последовательность физических явлений, каждый шаг которой может выполняться с некоторой вероятностью. Существующие системы оповещения делятся на спутниковые и наземные. Центр Прогнозирования Космической Погоды (SWPC – Space Weather Prediction Center) предоставляют услуги прогнозирования используя данные о потоках электронов, протонов и -квантов от спутников GOES, ACE, и.т.д.. Однако время прогнозирования можно улучшить если использовать данные наземных детекторов частиц, так как солнечные частицы самых высоких энергий, которые не регистрируются спутниками ввиду малой интенсивности, создают каскады частиц в атмосфере которые могут быть зарегистрированы наземными установками.

Цель работы- провести анализ модуляционных эффектов, влияющих на интенсивности регистрируемых потоков элементарных частиц и создать систему оповещения о надвигающейся радиационной буре на основе данных Арагацкого Центра Космической Погоды (ASEC), в том числе:

• Исследование модуляционных эффектов (солнечного и атмосферного происхождения) вторичных космических лучей для создания системы оповещения о радиационных бурях.
• Применение медианных алгоритмов фильтрации временных рядов детекторов ASEC.
• Исследование повышения потока частиц во время грозовых явлений детекторами ASEC.
• Исследование характеристик созданного алгоритма оповещения о надвигающейся радиационной буре (эффективность и вероятность ложной тревоги).

Практическая значимость полученных результатов.

В рамках работы создана система оповещения о возможных радиационных бурях. Оповещения посылаются в виде сообщений электронной почтой заинтересованным организациям и физическим лицам. Созданы шаблоны оповещений с объяснениями разработанных стандартов и типов тревожных сигналов. Система оповещения будет интегрирована в европейский проект COST ES0803.

Были внедрены алгоритмы фильтрации временных рядов интенсивности космических частиц, измеряемых наземными детекторами. Созданная программа в настоящее время используется для коррекции данных Арагацского и Нор-Амбердского нейтронных мониторов направляемых в базу данных Евроазиатского Консорциума Нейтронных Мониторов (NMDB – Neutron Monitor Database) для всеобщего доступа.

Предложена методика регистрации Широких Атмосферных Ливней (ШАЛ) с помощью нейтронных мониторов и коэффициента мультипликации нейтронов (отношение числа вторичных нейтронов попавших в счетчик нейтронного монитора к числу первичных).

Статистический анализ превышений в данных наземных детекторов ASEC может быть использован для детального изучения процессов изменения спектров и лавинного увеличения числа вторичных частиц в атмосферных электрических полях.

Научная новизна.

• Создана система оповещения о надвигающихся радиационных бурях, основанная на спутниковых данных о рентгеновских вспышках и статистически значимых превышениях потоков космического излучения, регистрируемого наземными детекторами частиц.
• Создана программа для автоматической фильтрации временных рядов в реальном времени, обеспечивающая однородность функционирования измерительных каналов детекторов частиц во время многолетних исследованиях.
• Впервые проведен статистический анализ увеличений потоков вторичных частиц во время грозой активности.
• Проведено измерение среднего коэффициента мультипликации нейтронного монитора при регистрации событий разного типа.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

• Программа оповещения о надвигающихся радиационных бурях: расчеты эффективности и вероятности ложных тревог созданной системы.
• Алгоритмы фильтрации временных рядов.
• Результаты статистического анализа превышений скорости счета детекторов ASEC во время грозовой активности.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: международном симпозиуме “Первые результаты международного гелиофизического года 2007” (Созополь, Болгария, 2008), международном симпозиуме “FORGES-2008” (Нор Амберд, Армения, 2010), на региональной встрече по космической погоде (IHY-ISWI Reginal Meeting, Шибеник, Хорватия, 2009), на международной конференции “TEPA-2010” (Нор Амберд, Армения, 2010), на международной конференции “Aragats-2011” (Нор Амберд, Армения, 2011).

Публикации. Основной материал диссертации опубликован 5 работах- 3 статьях и 2 тезисах докладов (см. список в конце автореферата).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Диссертационная работа изложена на 110 стр. и содержит 14 таблиц, 82 рисунка и 56 наименований библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава состоит из 3-х разделов. В первом разделе дается определение и описание понятий “Космическая погода” и “Радиационная буря”. Цель исследования космической погоды - прогнозирование возможных воздействий на технологии путем наблюдения, мониторинга, анализа и моделирования. Наиболее значимое влияние на космическую погоду в около-земной среде оказывает Солнце. Солнце влияет на околоземную среду выбрасывая электромагнитное излучение, плазму, высокоэнергичные частицы и ионы. Эти частицы дойдя до орбитальных спутников в околоземном пространстве могут создать дополнительные токи в электронике спутников, что может привести как к изменению программного обеспечения, так и к выходу из строя элементов электроники. В настоящее время точные математические модели, описывающие процессы солнечно-земных связей, отсутствуют. Поэтому в основу прогнозов положены феноменологические, вероятностные модели.

Второй раздел описывает существующие методы изучения космической погоды – спутниковые и наземные. Спутники и космические корабли космических агентств США, Европы, Японии и России оснащаются детекторами частиц для регистрации космических лучей. Эти спутники круглосуточно измеряют потоки рентгеновского излучения, гамма-квантов, протонов, электронов, а так же магнитное поле и посылают эти данные на Землю. Однако с возрастанием энергии космических лучей их интенсивность резко падает и вероятность их регистрации уменьшается (ввиду малых размеров детекторов космического базирования), и для измерения высокоэнергичной компоненты космического излучения используются наземные детекторы. Последние регистрируют вторичные потоки частиц, рожденные в результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы. Вторичные потоки частиц модулируются как от активности солнца, так и от атмосферных явлений. В работе изучены возможные модуляционные эффекты для создания системы оповещения радиационных бурях с наименьшей вероятностью ошибки.

Третий раздел описывает существующие методы прогнозирования Космической Погоды. Центр Прогнозирования Космической Погоды (SWPC – Space Weather Prediction Center) NOAA в реальном времени предоставляет данные от десятков спутников и космических станций (GOES, ACE, и.т.д) в интернет, а также предоставляет услуги оповещения в случае изменения различных компонент космической погоды во время солнечных вспышек, в том числе и радиационных бурь, см Таблицу 1.

Таблица 1 Шкала Радиационных Бурь по NOAA

Категория		Поток ионов энергии выше 10 МэВ	Средняя частота
Шкала	Описание
S5	Экстремальный	105	Меньше чем 1 за цикл
S4	Суровый	104	3 за цикл
S3	Сильный	103	10 за цикл
S2	Умеренный	102	25 за цикл
S1	Легкий	10	50 за цикл