Способ обнаружения гелиосферных возмущений
Владельцы патента RU 2446495:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (RU)
Изобретение относится к области использования космических лучей для наземного мониторинга гелиосферных процессов и может применяться службами для предсказания космической погоды. Регистрируют проникающую компоненту космических лучей на поверхности Земли одним координатно-трековым детектором одновременно со всех направлений небесной полусферы, формируют матрицу интенсивности потока - двумерный массив, ячейки которого содержат количество треков, зарегистрированных в определенном интервале углов за единицу времени. Сначала формируют опорную матрицу интенсивности потока, относительно которой по данным следующих периодов регистрации формируют матрицы вариаций интенсивности потока, показывающие относительные изменения в потоке частиц с различных направлений. Каждая такая матрица вариаций интенсивности потока с помощью асимптотических направлений протонов, отображается в геоцентрическую систему координат. Находят асимптотические направления и посредством преобразования из геоцентрической системы координат в любую геоцентрическую солнечную систему, например в систему GSE (geocentric solar ecliptic system), с помощью матриц вариаций формируют изображение состояния гелиосферы. Технический результат - возможность отслеживания динамики гелиосферных возмущений малым числом детекторов. 9 з.п. ф-лы., 4 ил.
Изобретение относится к области использования космических лучей для наземного мониторинга гелиосферных процессов и может применяться службами предсказания космической погоды.
Космическую погоду можно определить как совокупность процессов в околоземном и межпланетном пространстве, вызванных активностью Солнца в гелиосфере и оказывающих влияние на состояние космических аппаратов, наземной инфраструктуры и на здоровье людей. К наиболее сильным процессам на Солнце можно отнести солнечные вспышки, корональные выбросы масс солнечного вещества и корональные дыры, которые являются источниками таких возмущений в гелиосфере, как магнитные облака, ударные волны, возмущения основных параметров солнечного ветра (плотности, скорости, температуры) и межпланетного магнитного поля. В настоящее время исследования в области космической погоды проводятся на основе анализа различного экспериментального материала, который получают с помощью многочисленных космических и наземных детекторов и установок.
Известен способ спутникового мониторинга гелиосферы, заключающийся в использовании комплекса приборов, установленных на космический аппарат, предназначенных для измерения различных показателей солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и состава солнечной короны (Real time solar wind. АСЕ RTSW News and Announc., March 31, 2003). Недостатком таких систем является, то, что потоки частиц измеряются непосредственно в точке местонахождения спутника, что не дает полного представления о пространственной структуре и мощности возмущения.
Известен способ мониторинга возмущений в гелиосфере с помощью наблюдений межпланетных мерцаний космических радиоисточников, на основе которых строятся карты индекса мерцаний, позволяющий видеть состояние межпланетной плазмы (Власов В.И. и др. Прогнозирование геофизических возмущений по наблюдениям межпланетных мерцаний космических радиоисточников. - ФИАН, Препринт 2, 2009). Недостатком такого способа является дискретность распределения радиоисточников в межпланетной среде, что не позволяет получать непрерывные значения индекса мерцаний и, следовательно, полных достоверных карт.
Ближайшим аналогом-прототипом заявляемого изобретения является способ прогноза спорадических геоэффективных процессов солнечного ветра (Патент RU 1769602, 27.03.1995), основанный на регистрации в течение 1-4 час амплитуды вариаций интенсивности вторичных космических лучей, откуда определяют вариации плотности потока первичных космических лучей, на основе чего строятся прогностические индексы геоэффективных возмущений солнечного ветра. В данном способе детекторы для регистрации вторичных космических лучей располагаются равномерно на поверхности Земли таким образом, что на каждом участке поверхности, равном одному стерадиану, размещают спектрографические комплексы, состоящие из 2-5 детекторов. Недостатками такого способа является необходимость использования большого числа детекторов для получения достоверных данных о возмущениях гелиосферы и недостаточная оперативность обнаружения возмущений и отслеживания их динамики, обусловленная большой длительностью периодов накопления информации об интенсивности потока космических лучей.
Технический результат изобретения заключается в значительном уменьшении числа комплексов, требуемых для мониторинга гелиосферы, в повышении - за счет коротких периодов регистрации космических лучей - оперативности обнаружения и выяснения динамики гелиосферных возмущений.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обнаружения гелиосферных возмущений, в отличие от ближайшего аналога, регистрируют проникающую компоненту космических лучей одним детектором, и со всех направлений небесной полусферы на основе полученных матриц вариаций интенсивности потока формируют и визуализуруют набор последовательных изображений состояния гелиосферы, на которых выявляют гелиосферные возмущения.
С помощью детектора, в частном случае координатно-трекового и расположенного на поверхности Земли, осуществляется регистрация проникающей компоненты космических лучей (совокупности первичных и вторичных лучей, достигающих поверхности Земли). По результатам регистрации формируется матрица интенсивности потока, представляющая собой двумерный массив, ячейки которого содержат количество треков, зарегистрированных в определенном интервале углов за единицу времени (W. Н. Press et al. Numerical Recipes. The Art of Scientific Computing. Third Edition. Cambridge University Press. 2007. P. 785). Первый период регистрации завершается формированием опорной матрицы интенсивности потока, относительно которой по данным следующих периодов регистрации формируются матрицы вариаций интенсивности потока, показывающие относительные изменения в потоке частиц с различных направлений. Способ не исключает и иных методик формирования одной или нескольких опорных матриц. При этом желательным, но не единственно возможным, является вариант, когда опорная матрица интенсивности формируется за интервал времени, длительность которого много больше, чем длительность интервала времени, в течение которого формируется текущая матрица, что повышает достоверность получаемых данных.
Каждая такая матрица вариаций интенсивности потока с помощью асимптотических направлений протонов отображается в геоцентрическую систему координат (примером такой системы является система GEO - geographic coordinate system). Задача нахождения асимптотических направлений решается с помощью построения обратной траектории движения регистрируемых частиц космических лучей от детектора до зоны генерации и протона от зоны генерации до границы магнитосферы Земли с использованием моделей атмосферы и магнитного поля Земли (например, М. Picone et al, NRLMSISE-00, Naval Res. Lab., 2001; N.Tsyganenko: Modeling the Earth's Magnetosphere Using Spacecraft Magnetometer Data; GEOPACK-2005, Dep.of Earth's Phys., Inst. of Phys., Univ. of St.-Petersburg, 2010). Основываясь на полученных асимптотических направлениях и посредством преобразования данных из геоцентрической системы координат в любую геоцентрическую солнечную систему, например в систему GSE (geocentric solar ecliptic system), на основе матриц вариаций формируют изображения состояния гелиосферы. Способ не исключает применения и других известных методик перехода от матричной информации к сформированному изображению.
Изображения визуализируются любым известным способом, обеспечивающим удобство их аналитической обработки, в частном случае путем вывода изображения на материальный носитель. Набор последовательных изображений позволяет оперативно выявлять гелиосферные возмущения и прослеживать их динамику во времени.
На фиг.1 представлены характерные асимптотические направления для протонов при спокойной гелиосферной обстановке. Из рисунка видно, что даже один координатно-трековый детектор (на фиг.1 обозначен звездочкой) обладает конусом приема, позволяющим исследовать угловые возмущения потока первичных протонов в значительной области небесной сферы.
На фиг.2 представлена GSE система (geocentric solar ecliptic system).
На фиг.3 приведены примеры изображений состояния гелиосферы, спроецированных в систему GSE. Шкала на фиг.3 обозначает величину отклонений интенсивности потока проникающей компоненты космических лучей в единицах статистических среднеквадратичных отклонений. Для отображения использованы направления регистрируемых частиц в интервале зенитных углов 0°-75°. Круг с косым крестом отмечает направление солнечной магнитной силовой линии, а направление на Солнце обозначено в центре. Малым крестом указано асимптотическое направление от вертикальных частиц.
На фиг.3а и фиг.3б даны GSE-отображения при продвижении магнитного облака за двое суток и за сутки до того момента, как оно достигло Земли (20 ноября 2007 года). Заметно подавление потока протонов вблизи магнитной силовой линии. На фиг.3в - фиг.3е приведены GSE-отображения с линейными и кольцевыми искажениями формы углового распределения потока протонов при прохождении ударной волны с сильной турбулентностью Bz-компоненты межпланетного магнитного поля (фиг.3в) и следующим за ним высокоскоростном потоком солнечного ветра (фиг.3г). На фиг.3д и 3е показаны два последовательных часовых интервала после прохождения магнитного облака 9 марта 2008 года. Здесь хорошо различаются области с пониженным и повышенным потоком протонов. Можно отметить, что процесс формирования области с повышенным потоком начался с уходом магнитного облака.
На фиг.4 дана принципиальная схема используемого координатно-трекового детектора.
Способ может быть реализован, в частности, следующим образом. Регистрация проникающей компоненты космических лучей осуществляется с помощью координатно-трекового детектора (фиг.4), состоящего из нескольких (минимум двух) двухкоординатных плоскостей (1), расположенных параллельно друг другу. Каждая плоскость сложена из двух слоев (2). Каждый слой состоит из элементов (3), детектирующих проникающую компоненту космических лучей, например стримерного типа на трехкомпонентной газовой смеси или сцинтилляционного типа. Детектирующие элементы в слоях одной плоскости уложены перпендикулярно относительно друг друга, что обеспечивает регистрацию X и Y компоненты. Такой детектор должен обладать площадью более 40 м2 и угловым разрешением менее 2 град, что позволяет проводить мониторинг с высокой статистической обеспеченностью (~6000 событий/с) со всех направлений небесной полусферы. Информация о координатах точек прохождения частиц через координатные плоскости детектора поступает в систему обработки экспериментальной информации, в которой по известной методике вычисляют углы прилета частиц, и заполняют (например, в течение 1 сут) матрицу интенсивности. После окончания заданного интервала времени набора (например, 1 мин) в системе обработки экспериментальной информации формируют матрицу относительных вариаций проникающей компоненты космических лучей по различным направлениям. Далее с помощью блока формирования изображения (блок может быть объединен с системой обработки экспериментальной информации в одно устройство) она отображается в геоцентрическую систему координат, откуда проецируется в геоцентрическую солнечную систему координат, после чего формируется изображение состояния гелиосферы. После этого сформированное изображение передается на устройство визуализации и может быть выведено на материальный носитель (в частности, на бумажный носитель с помощью принтера). Имея набор таких последовательных изображений (фиг.3), можно отслеживать динамику гелиосферных возмущений во времени.
Таким образом, предложенный способ позволяет с помощью одного аппаратурного комплекса быстро и достоверно обнаруживать возмущения гелиосферы и осуществлять их мониторинг.
1. Способ обнаружения гелиосферных возмущений, при котором регистрируют интенсивность потока космических лучей с периодичным формированием матриц вариаций интенсивности потока с различных направлений, отличающийся тем, что регистрируют интенсивность потока проникающей компоненты космических лучей с помощью одного детектора и со всех направлений небесной полусферы, на основе матриц вариаций интенсивности потока формируют и визуализируют изображения состояния гелиосферы, на полученных изображениях выявляют гелиосферные возмущения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность потока космических лучей регистрируют на поверхности Земли.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность потока проникающей компоненты космических лучей регистрируют координатно-трековым детектором.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что матрицы вариаций интенсивности потока формируют относительно одной опорной матрицы интенсивности потока, формируемой в начале процесса регистрации космических лучей.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что изображение состояния гелиосферы формируют путем отображения матрицы вариаций интенсивности потока в геоцентрическую систему координат, а затем в геоцентрическую солнечную систему координат.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что визуализация изображения состояния гелиосферы осуществляется путем вывода изображения на материальный носитель.
7. Способ по п.4, отличающийся тем, что опорную матрицу интенсивности потока формируют за интервал времени, много больший интервала времени формирования матрицы вариаций интенсивности потока.
8. Способ по п.5, отличающийся тем, что отображение матрицы вариаций интенсивности потока в геоцентрическую систему координат осуществляют с использованием асимптотических направлений протонов.
9. Способ по п.5 или 8, отличающийся тем, что в качестве геоцентрической солнечной системы координат используют систему GEO (geographic coordinate system).
10. Способ по п.5 или 8, отличающийся тем, что в качестве геоцентрической солнечной системы координат используют систему GSE (geocentric solar ecliptic system).
