1 Математическое моделирование взаимодействия лептонов космических лучей с электрическим полем атмосферы М. Крутова¹, Ю. Лапицкий³, Е. Плетников², В. Янке². - презентация

1 1 Математическое моделирование взаимодействия лептонов космических лучей с электрическим полем атмосферы М. Крутова¹, Ю. Лапицкий³, Е. Плетников², В. Янке² (1) Московский Авиационный Институт (Технический Университет), Жуковский МО, , Россия (2) Институт Земного Магнетизма, Ионосферы и Распространения Радиоволн РАН, Троицк МО, , Россия (3) Московский НИИ приборов им. Тихомирова, Жуковский МО, , Россия

2 2 Связь между изменениями приземного электрического поля во время прохождения грозовых облаков и изменениями вторичных компонент космического излучения исследовались многими авторами. Так в работах ([1] Khaerdinov at al., 2003; [2] Alexeenko at al, 1987), было установлена отрицательная корреляция между электрическим полем и вариациями мюонной компоненты, которая усиливается с понижением пороговой энергии мюонов. Такой же результат был получен в работе (Khaerdinov, 2005). Однако c этими выводами находятся в качественном и количественном противоречии результаты некоторых других авторов ([3, 4, 5] Dorman, 1990; Mironychev, 2003; Muraki, 2004). Задача

3 3 Детекторы экспериментального зала 23nmF – монитор эпитепловых нейтронов (23 гелиевых счетчика, полиэтилен) 15nmT – детектор тепловых нейтронов (15 гелиевых счетчика) o63x063 – гамма детектор

4 4 23nmF – монитор эпитепловых нейтронов (23 гелиевых счетчика, полиэтилен) Детекторы экспериментального зала

5 5 o63x063 (NaJ) – гамма детектор Детекторы экспериментального зала

6 6 Детекторы Мобильной Лаборатории Космических Лучей 6nmF – монитор эпитепловых нейтронов (6 борных счетчика СНМ-15, полиэтилен) 815nmT – счетчиковый мюонный телескоп (8+8 счетчика СГМ-14) 6nm64 – стандартный нейтронный монитор (6 борных счетчика СНМ-15)

7 7 Данные за июнь-октябрь 2007

8 8 Электрические поля в атмосфере В присутствии облаков поле п о д о б л а к о м о с л а б л я е т с я или даже принимает о б р а т н о е н а п р а в л е н и е (Френкель, 2007). В н у т р и облака поле сохраняет, в основном, н о р м а л ь н о е направление (сверху вниз), причем средняя его напряженность, независимо от характера облаков, увеличивается примерно на два порядка и достигает kV/m. Наконец, н а д о б л а к о м электрическое поле имеет, как правило, направление, обратное нормальному полю, причем напряженность его бывает обычно меньше, чем внутри облака.

9 9 Обзор экспериментальных данных во время грозовой активности выполнен (Lidvansky, 2003). Примерно 1% повышение скорости счета в мягкой или жесткой компонентах вторичного космического излучения в течение минут интерпретировалось как: или температурная вариация при прохождения холодного температурного фронта, или вклада продуктов распада радона, концентрация которого повышена в грозовых облаках. Однако, в настоящее время, большинство авторов связывают такие изменения скорости счета с электрическими полями во время грозовой активности. Регулярные параллельные наблюдения космических лучей и электрических полей были организованы на Баксане. Интерпретация экспериментальных данных

10 10 Интерпретация экспериментальных данных Амплитуда мягкой (слева) и жесткой (справа) компоненты в зависимости от электрического поля вблизи поверхности Земли по данным (11 и 14 событий соответственно) Баксанской обсерватории 2001 года (Lidvansky, 2003).

11 11 Электрические поля в атмосфере Ускорением на последнем этапе распространении КЛ в атмосфере при обычных условиях можно пренебречь. Действительно, потенциал между земной поверхностью и ионосферой несколько сот kV. Для 1 GEV частиц эффект ускорения меньше, чем 10ˉ³.

12 12 Электрические поля в атмосфере Событие прохождения грозового облака на ст. Баксан Показаны (сверху - вниз) изменения: электрического поля, мягкой компоненты, жесткой компоненты и Мюоны с энергией > 1 GeV (Lidvansky, 2003)

13 13 Вблизи земной поверхности при отсутствии облаков существует довольно сильное, направленное сверху вниз, электрическое поле напряженностью 140 V/m, варьируя в пределах нескольких десятков процентов. Разность потенциалов между Землей и ионосферой достигает kV. Однако, при наличии облачности, эти изменения могут достичь очень больших значений – до нескольких десятков kV/m и приводить не только к изменению величины поля, но и к направлению на противоположное. Электрические поля в атмосфере

14 14 Электрические поля в атмосфере, Muraki, деление: var - 2%, E - 10 kV

15 15 Эксперимент и модельные расчеты Muraki at al., 2004 GEANT 4 моделирование, µ+/µ- = 15, оле направлено сверху вниз (нормальное).поле направлено сверху вниз (нормальное).

16 16 Эксперимент и модельные расчеты Muraki at al., 2004

17 17 Эксперимент и модельные расчеты Muraki at al., 2004

18 18 Электрические поля в атмосфере В присутствии облаков поле п о д о б л а к о м о с л а б л я е т с я или даже принимает о б р а т н о е н а п р а в л е н и е (Френкель, 2007). В н у т р и облака поле сохраняет, в основном, н о р м а л ь н о е направление (сверху вниз), причем средняя его напряженность, независимо от характера облаков, увеличивается примерно на два порядка и достигает kV/m. Наконец, н а д о б л а к о м электрическое поле имеет, как правило, направление, обратное нормальному полю, причем напряженность его бывает обычно меньше, чем внутри облака.

19 19 Метод расчета Расчёты выполнены на основе универсального пакета программ расчета электромагнитного взаимодействия частиц с веществом Geant Расчёты выполнены в цилиндрической 3-х мерной геометрии. Радиус цилиндра 5 km, его высота 3 km над поверхностью. Состав земной атмосферы стандартный со средним давлением в цилиндре 800 mb.

20 20 Зависимость числа частиц в каскаде от энергии первичного электрона для различных значений напряженности электрического поля: ε=0.140 kV/m и ε=-1.5 kV/m. Левый рисунок – поле направлено Правый рисунок – поле направлено анормально (от поверхности Земли) нормально (к поверхности Земли) Электронно-фотонный каскад в электрическом поле

21 21 Зависимость числа частиц в каскаде от величины напряженности электрического поля, инициированным первичным электроном E=100 MeV. Положительное направление поля (нормальное) – к поверхности Земли, анормальное – от поверхности Земли Электронно-фотонный каскад в электрическом поле

22 22 Спектр электронов, позитронов и гамма квантов в каскаде, инициированном первичным электроном E=100 MeV и E=10 MeV. Напряженность электрического поля ε=150 kV/m. Электронно-фотонный каскад в электрическом поле

23 23 Спектр электронов, позитронов и гамма квантов в каскаде, инициированном первичным электроном E=100 MeV и E=10 MeV. Напряженность электрического поля ε=150 kV/m. Электронно-фотонный каскад в электрическом поле

24 24 Выводы По данным детекторов станции Москва было исследовано поведение общей компоненты и гамма излучения при и повышенной грозовой облачности, когда наблюдались выбросы в данных наблюдений. Появление выбросов коррелировало сплохой погодой, особенно с появлением грозовых облаков. Сравнение для электронной компоненты приведенных результатов с данными работ (Lidvansky at al., 2003 ; Muraki at al., 2004) лучше согласуются с

25 25 Moore C. B., K. B. Eack, G. D. Aulich, and W. Rison. Energetic radiation associated with lightning stepped-leaders. Geophysical Research Letters, 28:2141–2144, June Eack K. B., W. H. Beasley, W. David Rust, T. C. Marshall, and M. Stolzenburg. Initial results from simultaneous observation of X rays and electric fields in a thunderstorm, Enoto T., H. Tsuchiya, S. Yamada, T. Yuasa, M. Kawaharada, T. Kitaguchi, M., Kokubun, H. Kato, M. Okano, S. Nakamura, K. Makishima, Detection of gamma- rays from winter thunderclouds along the coast of Japan Sea, Proc. of 30 ICRC, Mexico, Torii T., M. Takeishi, and T. Hosono. Observation of gamma-ray dose increase associated with winter thunderstorm and lightning activity. Ядерная физика в Интернете, htm Y. Muraki et al., Acceleration below Thunderclouds at Mount Norikura, Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, July 31- August 7, PP , Muraki Y., Axford W., Matsubara Y., Masuda K., Miyamoto Y., Menjyou H., Sakakibara S., Sako T., Takami T., Yamada T., Effects of atmospheric electric fields on cosmic rays, Physical Review D69, , Френкель Я.И., Теория явлений атмосферного электричества, М., Ком Книга, 2007 Литература

26 26 А.С. Лидванский, В.Б. Петков, Н.С. Хаердинов, " Вариации интенсивности мюонов космических лучей, вызванные грозовыми электрическими полями", (Proc.28 RCRC, DKL2505), Изв. РАН, сер. физ., т. 68, 11, стр (2004). Muraki Y., Axford W., Matsubara Y., Masuda K., Miyamoto Y., Menjyou H., Sakakibara S., Sako T., Takami T., Yamada T., Effects of atmospheric electric fields on cosmic rays, Phys. Rev. D69, , Khaerdinov N.S., Lidvansky A.S., Variations of Intensity of Cosmic Ray Muons due to Thunderstorm Electric Fields, Proc. 29th ICRC, Pune 00, , Lidvansky A S, The effect of the electric field of the atmosphere on cosmic rays, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 29 (2003) 925–937 PII: S (03) , N.S. Khaerdinov, A.S. Lidvansky, and V.B. Petkov, Proc. 28th ICRC, Tsukuba (2003) pp Alexeenko, V.V., Chernyaev, A.B., Chudakov, A.E., Khaerdinov, N.S., Ozrokov, S.Kh., and Sborshikov, V.G. Proc. 20th ICRC, Moscow (1987), 4, 272. L.I. Dorman, A.A. Lagutin, G.V. Chernyaev, Proc. 21st ICRC, Adelaide (1990) 7, 92. Литература

27 27 P.V. Mironychev, Geomagnetizm i Aeronomia, 43, no. 5, 702 (2003). Y. Muraki, W.I. Axford, Y, Matsubara, et al., Phys. Rev. D, 69, (2004). M. Stolzenburg, W. D. Rust, and T. C. Marshall, J. Geophys. Res., 103, 14,097 (1998). T.C. Marshall, W. Rison, W. D. Rust, M. Stolzenburg, J. C. Willett, and W. P. Winn, J. Geophys. Res., 100, 20,815 (1995). T.C. Marshall, M. P. McCarthy, and W. D. Rust, J. Geophys. Res., 100, 7097 (1995). Agostinelli S. et al., Geant4: a simulation toolkit, NIM A 506 (2003) ; Литература

28