Мониторинг околоземного космического пространства по наблюдениям космических лучей Луковникова, Анна Александровна

Введение к работе

Актуальность

Процессы взаимодействия космических лучей (КЛ) с солнечным ветром и электромагнитными полями в межпланетном пространстве приводят к различным изменениям интенсивности, энергетического спектра, ядерного состава и пространственного распределения КЛ при изменении условий в космосе. Кроме этого, КЛ чувствительны к изменениям атмосферы и магнитосферы Земли. Заряженные частицы первичных КЛ, прежде чем попасть на земную поверхность, распространяются через магнитосферу Земли, проходят через большой слой воздуха и генерируют вторичные КЛ (элементарные частицы различных типов). Таким образом, наблюдаемая на поверхности Земли интенсивность КЛ подвержена влиянию процессов на Солнце и в межпланетном пространстве, в магнитосфере и атмосфере Земли.

В период проведения Международного геофизического года (1957 г.) была создана мировая сеть нейтронных мониторов, существующая и в настоящее время. Станции космических лучей мировой сети, расположенные по всему земному шару, вместе могут рассматриваться в качестве уникального единого детектора, проводящего измерения в различных направлениях, с разрешением по направлению прихода частиц и энергии. Программно-аппаратные комплексы станций КЛ проходили множество этапов модернизации согласно требованиям научного сообщества обеспечить оперативный анализ и диагностику солнечно-земных связей на современном уровне для решения как фундаментальных, так и прикладных задач. Современное развитие сетевых технологий, быстродействия компьютеров и радиоэлектронной аппаратуры дает возможность получать, обрабатывать и публиковать данные станций космических лучей об интенсивности КЛ для оперативного прогноза и определения параметров межпланетной среды в спокойные периоды и во время спорадических процессов на Солнце, сопровождающихся выбросами в межпланетное пространство высокоскоростной плазмы солнечного ветра (СВ), электромагнитным излучением в широком диапазоне частот и генерацией высокоэнергичных частиц в широком диапазоне энергий.

В настоящий момент мировая сеть станций насчитывает около 50 станций КЛ, из них примерно 40 станций КЛ представляют данные в режиме реального времени. Наземная сеть станций КЛ поставляет информацию по мере накопления и обработки данных в международные центры и базы данных, для отдельных станций запаздывание составляет несколько месяцев. Такая задержка связана с неавтоматизированной обработкой и несовершенством регистрирующей аппаратуры, что делает невозможным представление данных в режиме реального времени. В связи с этим модернизация программно-аппаратных комплексов станций КЛ является актуальной задачей, от успешного решения которой зависит дальнейшее развитие диагностики и прогнозирования электромагнитных условий в межпланетной среде.

Комплексный и оперативный анализ данных о вариациях КЛ требует автоматизации первичной обработки информации, своевременного поступления информации в базы данных c обновлением в режиме реального времени, а также предоставления широких возможностей доступа к необходимым сведениям.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы является проведение модернизации программно-аппаратных комплексов станций КЛ ИСЗФ СО РАН и получение оперативной информации о вариациях КЛ и параметрах межпланетной среды методом спектрографической глобальной съемки.

Основные задачи исследования

1. Модернизация станций КЛ ИСЗФ СО РАН для получения информации в режиме реального времени.

2. Обновление мировой базы данных нейтронных мониторов (NMDB) в реальном времени данными станций КЛ ИСЗФ СО РАН.

3. Создание локальной базы данных станций КЛ ИСЗФ СО РАН и обеспечение доступа к данным о вариациях КЛ в реальном времени.

4. Анализ отдельных спорадических событий в гелиосфере и их проявлений в космических лучах методом спектрографической глобальной съемки (СГС).

5. Получение методом СГС оперативной информации для диагностики околоземного космического пространства на основе использования в реальном времени данных со станций мировой сети.

Научная новизна работы

5. 1. Впервые с помощью метода спектрографической глобальной съемки (СГС) получена информация о спектрах, изменениях планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания и вариациях углового и энергетического распределения первичных КЛ за пределами магнитосферы Земли за каждый час наблюдений во время отдельных спорадических явлений в гелиосфере в периоды: июль 1982 г., август-октябрь 1989 г., ноябрь 2004 г., январь, май-август 2005 г. и декабрь 2006 г.

   2. Получены новые доказательства связи магнитных неоднородностей СВ типа ловушек со значительными возрастаниями второй гармоники анизотропии КЛ.

   3. Впервые данные о вариациях космических лучей станций КЛ ИСЗФ СО РАН обрабатываются и публикуются в Интернете, а также пополняют международную базу данных c высоким разрешением (NMDB) в режиме реального времени.

   Достоверность результатов диссертационной работы основана на сопоставлении информации, получаемой по данным о вариациях интенсивности КЛ, об ориентации ММП, об изменениях жесткости геомагнитного обрезания, о вариациях анизотропии и жесткостного спектра КЛ, с соответствующей информацией из независимых источников - спутниковых измерений ориентации и модуля ММП и временных профилей интенсивности низкоэнергичных частиц, а также с данными по геомагнитной возмущенности.

   Научная и практическая значимость работы

   5. 3. 1. Создана локальная база данных (БД) станций КЛ ИСЗФ СО РАН с доступом в режиме реального времени и возможностью расширения БД за счет сбора информации от других станций КЛ. В результате участия иркутского комплекса станций КЛ в пополнении базы NMDB получен доступ к данным всей мировой сети нейтронных мониторов в реальном времени.

         2. Создан программно-аппаратный комплекс для обработки данных, передачи информации от удаленных станций КЛ ИСЗФ СО РАН и синхронизации БД с возможностью применения на других станциях КЛ мировой сети.

         3. Результаты, полученные при расчетах методом СГС по данным станций КЛ мировой сети (порядка 20 станций КЛ), которые в настоящее время представляют информацию в режиме реального времени, могут быть использованы для оперативной диагностики электромагнитных условий в межпланетном пространстве и магнитосфере Земли и прогнозирования космической погоды.

         На защиту выносятся следующие положения:

         5. 3. 3. 1. Модернизация программно-аппаратного комплекса станций КЛ ИСЗФ СО РАН и организация передачи данных в режиме реального времени для решения задач солнечно-земных связей и космической погоды.

                  2. Создание базы данных КЛ ИСЗФ СО РАН для сбора, синхронизации, обработки и контроля качества данных по нейтронной компоненте КЛ в режиме реального времени.

                  3. Диагностика изменений электромагнитных условий в межпланетном пространстве и магнитосфере по наземным наблюдениям в реальном времени на станциях КЛ. Получение методом СГС информации о спектрах КЛ, изменении планетарной системы жесткостей геомагнитного обрезания, а также об ориентации ММП по данным в реальном времени.

                  4. Выявление двунаправленной анизотропии большой амплитуды в угловом распределении частиц, которая может быть связана с нахождением Земли внутри петлеобразной структуры ММП в данный момент.

                  Личный вклад автора

                  Автором самостоятельно проведена модернизация программно-аппаратного комплекса для работы в реальном времени, создана и настроена база данных станций КЛ ИСЗФ СО РАН; автор внес определяющий вклад как в первичный анализ полученных данных, так и в реализацию непрерывности работы систем всех станций КЛ ИСЗФ СО РАН, а также в выбор аппаратных решений и методов для передачи данных в реальном времени. Автором проделана большая работа по обработке и анализу экспериментального материала мировой сети станций КЛ. В совместных исследованиях автору принадлежит равное участие на всех этапах: от постановки задачи, проведения численных расчетов, анализа данных, обсуждения и интерпретации полученных результатов до получения выводов и написания статей.

                  Апробация работы

                  Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, Иркутск, 1998, 1999, 2004, 2005, 2006, 2007, 2009 гг.; Всероссийская конференция по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2001 г.; Всероссийская конференция по космическим лучам, Москва, 2004, 2006 гг., Санкт-Петербург, 2008 г.; Европейский симпозиум «EGS», Nice, 2002 г.; Всероссийская конференция «Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности», Троицк, 2005 г.; VII Russian-Chinese Workshop on Spase Weather, Иркутск, 2006 г.; Международный симпозиум SEE, Athens, Greece, 2007 г.; Всероссийская конференция «Современные проблемы космической физики», Якутск. 2007 г.; Международная конференция по космическим лучам ICRC, Merida, Mexico, 2007 г.; Конференция молодых ученых ИКИ, Москва, 2011 г.; Конференция «Базы данных, инструменты и информационные основы полярных геофизических исследований», Троицк, 2011 г.

                  Структура и объем диссертации

                  Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и списка использованных источников. Общий объем составляет 139 страниц, 41 рисунок, 2 таблицы, 1 приложение. Библиографический список включает 102 наименования.

                  Похожие диссертации на Мониторинг околоземного космического пространства по наблюдениям космических лучей

                  Диагностика магнитосферы по наблюдениям солнечных космических лучей и энергичных частицГвоздевский Борис Борисович

                  Северо-южная анизотропия галактических космических лучей по данным стратосферных наблюденийПокревский, Петр Евгеньевич

                  

                  Моделирование и анализ характеристик солнечных космических лучей по данным наземных наблюденийПчелкин Владимир Викторович

                  

                  Сходящиеся пучки лучей при наблюдении конической рефракции и оптической гармоникиСенин Павел Владимирович

                  Программное обеспечение приборов мониторинга космических лучейМизин Сергей Витальевич

                  

                  Биофизический мониторинг поведения вектора состояния организма человека в фазовом пространстве при физических нагрузкахМайстренко, Елена Викторовна

                  

                  Синтез и анализ алгоритмов фильтрации случайных процессов и полей в условиях случайной марковской структуры пространства состояний и наблюдений Лантюхов Михаил Николаевич

                  

                  Решение задач геодинамики и навигации в околоземном пространстве по данным оптических наблюдений небесных объектовТарадий Владимир Кириллович

                  

                  Наблюдения малых тел в околоземном космическом пространствеБарабанов Сергей Иванович

                  Эпидемиологическая и иммунологическая характеристика аллергических заболеваний в различных экологических зонах Молдовы и критерии мониторинга за состоянием здоровья населенияАндриеш, Лучия Профировна