Поправки на атмосферные эффекты данных MuSTAnG

  1. Поправки на атмосферные эффекты данных MuSTAnG
  2. 1. Введение
  3. 2. Метод
  4. 3. Анализ
  5. 4. Результаты и обсуждение
  6. 5. Выводы
  7. Подтверждения
  8. Рекомендации
  9. Все столы
  10. Все цифры

J. Space Weather Space Clim., 5 , A6 (2015)

научная статья

Поправки на атмосферные эффекты данных MuSTAnG

Мария Зазян 1,2 *, Марина Ганева 1,3, Марина Беркова 4, Виктор Янке 4 и Райнер Хипплер 1

1 Институт физики, Университет Грайфсвальда им. Эрнста Морица-Арндта, Felix-Hausdorff-Str. 6, 17487 Грайфсвальд, Германия
2 Ереванский Физический Институт, ул. Братьев Алиханян 2, 0036 Ереван, Армения
3 Настоящий адрес: Forschungszentrum Jülich GmbH, Юлихский центр нейтронных наук (JCNS), Аутсорсинг на MLZ, Lichtenbergstrasse 1, 85747 Garching, Германия
4 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. А.С. Пушкова (ИЗМИРАН), Калушское просп. 4, 142190 Троицк, Москва, Россия

* Корреспондент автор: [email protected]

Получено: 15 мая 2014 г.
Принят: 24 января 2015

Аннотация

Коррекция атмосферных эффектов потока мюонов, измеренная наземными телескопами, имеет особое значение для дальнейшего изучения вариаций космических лучей. Метод Дюпелье используется для коррекции атмосферных воздействий на интенсивность мюонов, наблюдаемых телескопом MuSTAnG. Линейный множественный корреляционный и регрессионный анализ применяются к данным, зарегистрированным в течение 2009 года. Аэрологические данные получены из ежедневных полетов радиозондов на аэростате Deutscher Wetterdienst. Коэффициенты регрессии и суммарные коэффициенты корреляции рассчитываются для всех направленных каналов. Сезонные колебания исключены из данных телескопа MuSTAnG. Результаты сравниваются с теоретическим устранением колебаний температуры.

Ключевые слова: космическая погода / мюонный телескоп / атмосферный эффект

© М. Зазян и др., Опубликовано EDP Sciences 2015

Это статья открытого доступа, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (   http://creativecommons
Это статья открытого доступа, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution ( http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 ), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что оригинальная работа должным образом процитирована.

1. Введение

Мюонный космический метеорологический телескоп для анизотропии (MuSTAnG) ( Янсен и соавт. 2001 ; Hippler et al. 2008 ) в настоящее время работает в Университете Грайфсвальда в Германии для изучения вариаций потока мюонов космических лучей. Изменение скорости счета в таких приборах используется для изучения различных солнечных и гелиосферных явлений. Однако широкое использование мюонных детекторов для исследования вариаций космических лучей сдерживается наличием атмосферных эффектов, свойственных мюонной компоненте КЛ.

Исследование атмосферных эффектов имеет особое значение для дальнейшего изучения вариаций космических лучей, поскольку только после коррекции таких эффектов измеренные данные могут предоставить информацию об изменениях, вызванных причинами за пределами атмосферы Земли.

Двумя основными причинами изменений потока космических лучей, происходящих из атмосферы Земли, являются барометрический эффект и температурный эффект ( Дорман 1974 ). Барометрический эффект определяется только одним параметром, а именно давлением на уровне обнаружения. Процедуры коррекции давления хорошо разработаны для поверхностных детекторов во всем мире ( Дорман 2004 ). Однако мюонные наблюдения требуют дополнительных поправок на положительный и отрицательный температурный эффект. Коррекция влияния атмосферной температуры, соответственно, более сложная. Температурный эффект обычно определяется общим профилем атмосферы от уровня происхождения до уровня обнаружения, и, следовательно, его труднее интерпретировать. Чтобы исключить влияние температуры, необходимы данные аэрологического зондирования вблизи места расположения детектора. Чаще всего такие данные отсутствуют, и их невозможно восстановить ретроспективно, или зондирование проводится не регулярно. К счастью, в Грайфсвальде (Deutscher Wetterdienst) есть метеостанция, которая регулярно проводит наблюдения с воздуха, выпуская воздушные шарики два раза в день в 12:00 и в 24:00 (CEST). Эти аэрологические данные, полученные при ежедневных полетах на баллонах с радиозондом, могут быть использованы для корректировки потока мюонов, измеренного телескопом MuSTAnG.

2. Метод

Обычно процедура коррекции температуры применяется после устранения влияния давления. Существуют различные методы (эмпирические и теоретические) для корректировки данных о космических лучах для влияния температуры атмосферы: метод эффективного уровня генерации ( Дюперье 1949 ), интегральный метод ( Ольберт 1953 ; Маэда и Вада 1954 ; Дорман 1964 ), метод эффективной температуры ( Барретт и соавт. 1952 ), метод среднемассовой температуры ( Дворников и др. 1976 ). Все эти методы зависят от наблюдения температуры на разных высотах. Но мы также можем получить данные профиля температуры из глобальных метеорологических моделей, например, GFS (Global Forecast System, http://www.nco.ncep.noaa.gov/pmb/products/gfs/ ) модель, разработанная Национальными центрами экологического прогнозирования - NCEP (США). Данные модели GFS использовались в анализе температурных эффектов для телескопа MuSTAnG в предыдущей работе ( Ганева и соавт. 2013 ). Использование этих данных позволяет рассчитать температурный эффект в режиме реального времени ( Беркова и соавт. 2012 ).

В этой работе мы рассмотрим исправления по методу Дюперье. Следует отметить, что метод, использованный в нашей работе, позволяет исключить влияние давления и температуры одновременно, сочетая влияние давления, положительной температуры и высоты на интенсивность мюона. Наши результаты будут сравниваться с результатами Ганева и соавт. (2013) на основе метеорологических моделей.

Метод Дюпелье или метод эффективного уровня генерации основан на предположении, что мюоны генерируются вокруг изобарического уровня 100 мб. Высота этого уровня давления в атмосфере меняется, особенно в зависимости от сезона. Время прохождения через атмосферу мюонов будет больше, когда этот уровень давления будет расположен на большей высоте, и больше мюонов распадется до достижения детектора. Увеличение высоты этого уровня возникает в результате расширения атмосферы, когда она теплее, и поэтому этот эффект известен как эффект отрицательной температуры. Когда температура вблизи уровня производства пионов выше, плотность воздуха ниже, и вероятность взаимодействия пиона до его распада в мюон уменьшается, что приводит к более высоким скоростям счета. Это известно как положительный температурный эффект ( Дулдиг 2000 ). При энергиях, зарегистрированных детекторами уровня земли (десятки ГэВ), отрицательный температурный эффект доминирует, а при подземной регистрации (> 100 ГэВ) положительный температурный эффект преобладает.

Метод эффективного уровня генерации является самой простой методологией коррекции температуры и все еще полезен для правильной коррекции температурного эффекта в годовой перспективе.

Duperier представил уравнение линейной регрессии для интенсивности, зарегистрированной на земле во время тихого солнца Duperier представил уравнение линейной регрессии для интенсивности, зарегистрированной на земле во время тихого солнца   (1) (1)

Тогда уравнение для относительных вариаций Тогда уравнение для относительных вариаций   (2) (2)

Здесь α - коэффициент парциального давления (% / гПа), β - коэффициент высоты (% / км), а γ - положительный температурный коэффициент (% / C). P - давление на грунт, а H и T - высота и температура эталонного слоя (уровень максимального образования мюонов). ∆ P - отклонение давления, ∆ H и ∆ T - отклонения высоты и температуры эталонного слоя, а ∆ I - отклонение скорости счета мюонов от их среднегодовых значений соответственно.

Обычно влияние температуры интенсивности космических лучей характеризуется одним или двумя слагаемыми в формуле. (2) ( Брага и соавт. 2013 ; Оказаки и соавт. 2008 ; Сагисака 1986 ): Обычно влияние температуры интенсивности космических лучей характеризуется одним или двумя слагаемыми в формуле (3)

Полная формула используется для одновременного устранения влияния давления, положительной температуры и высоты на интенсивность мюона ( Бейкер и соавт. 1993 ).

Определив набор поправочных коэффициентов, интенсивность, скорректированная на атмосферные воздействия, становится (как функция времени): Определив набор поправочных коэффициентов, интенсивность, скорректированная на атмосферные воздействия, становится (как функция времени):   (4) (4)

Здесь P 0, H 0 и T 0 - среднегодовые значения давления на грунт, высоты и температуры эталонного слоя соответственно.

3. Анализ

Мы применили линейный множественный корреляционный и регрессионный анализ к данным, зарегистрированным телескопом MuSTAnG в течение 2009 года. 2009 год был выбран из-за минимума солнечной активности. Аэрологические данные были получены при ежедневных полетах на радиозондах (Deutscher Wetterdienst, метеостанция Greifswald). В качестве контрольного слоя использовался уровень давления 100 гПа.

Рисунок 1 показывает изменения температуры воздуха на уровне 100 гПа (a), высоте уровня 100 гПа (b), давлении на грунт (c) и относительной интенсивности мюонов, обнаруженных вертикальным каналом телескопа MuSTAnG (d). Можно видеть четкую антикорреляцию между изменениями скорости мюонов и высотой уровня 100 гПа (отрицательный температурный эффект), который обычно преобладает на наземных детекторах.

Рисунок 1.

Вариации температуры на уровне 100 гПа (а); высота уровня 100 гПа (б); давление на грунт (с); относительная интенсивность мюонов (d) в течение 2009 года.

Мы вычислили корреляционную матрицу, которая представляет корреляцию между всеми парами переменных. Матрица корреляции для вертикального направления представлена ​​в Таблица 1 , Эта таблица наглядно демонстрирует, что существует сильная антикорреляция между изменениями скоростей мюонов и высотой уровня 100 гПа и нет значительной корреляции с температурой уровня 100 гПа. Как видно из Таблица 1 мюонные скорости также показывают сильную антикорреляцию с давлением.

Таблица 1.

Коэффициенты корреляции между всеми парами переменных для вертикального направления телескопа MuSTAnG.

4. Результаты и обсуждение

Коэффициенты регрессии и суммарный коэффициент корреляции R, рассчитанные для всех направленных каналов, представлены в Таблица 2 , Можно видеть, что изменение коэффициентов давления между каналами незначительно, в то время как изменение температуры / высоты кажется значительным. Так как энергия мюона существенно не изменяется по каналам ( Hippler & Zazyan 2012 ), изменения β и γ не связаны с энергией мюона. Определение коэффициентов сильно зависит от точности данных. Давление на уровне земли измеряется достаточно точно, в то время как высота и температура уровня 100 гПа могут нести большие погрешности измерения. По-видимому, ошибки в измеренных параметрах приводят к наблюдаемым изменениям β и γ .

Таблица 2.

Коэффициенты регрессии ( α , β и γ ) и суммарный коэффициент корреляции ( R ) рассчитаны для всех направленных каналов телескопа MuSTAnG.

После применения атмосферных поправок с использованием рассчитанных коэффициентов, сезонные колебания могут быть устранены. Результаты для вертикального направления показаны в фигура 2 , График интенсивности мюонов I в часах в течение 2009 года. Сравнивая данные с поправкой на давление с данными с поправкой на давление и температуру, можно увидеть, что только последняя позволяет нам исключить сезонные колебания.

Рис. 2.

Интенсивность мюонов регистрируется вертикальным каналом телескопа MuSTAnG.

В Рисунок 3 мы сравниваем наши результаты за 2009 год (в вертикальном направлении) с результатами Ганева и соавт. (2013) где используется метод эффективной температуры.

Рис. 3.

Интенсивность мюонов, детектируемая вертикальным каналом телескопа MuSTAnG, корректируется с использованием метода Дюпье с данными зондирования и метода эффективной температуры с помощью модели GFS для расчета температуры.

Согласно этому методу корреляция между температурой и интенсивностью мюонов может быть описана эффективной температурой T eff, в которой вклады всех уровней атмосферы учитываются с соответствующими весами. Соотношение между колебаниями температуры атмосферы и изменениями интенсивности мюонов составляет ∆ Ι / I 0 = α T ∆ T eff / T eff. Подробности можно найти в Барретт и соавт. (1952) , В Ганева и соавт. (2013 ) использовались вертикальные температурные атмосферные профили, полученные из температурной модели NCEP Глобальной системы прогнозирования (GFS).

Для сравнения результатов, полученных обоими методами, экспериментальная температура, измеренная на метеостанции в Грайфсвальде, была интерполирована кубической функцией сплайна для получения почасовых данных.

Рисунок 3 показывает, что оба метода приводят к почти одинаковым остаточным флуктуациям скорректированных скоростей мюонов. Размер корзины всегда один час. Время атмосферных измерений всегда является началом бункера мюонов.

5. Выводы

В данной работе метод Дюперье использовался для коррекции атмосферных воздействий на интенсивность мюонов, наблюдаемых телескопом MuSTAnG. Поправочные коэффициенты были определены для базового периода 2009 года. Коррекция мюонных интенсивностей проводилась для всех направленных каналов телескопа MuSTAnG. Скорректированные скорости мюонов сравнивались с результатами по устранению колебаний температуры, полученными методом эффективной температуры. Показано, что метод Дюперье с тремя атмосферными переменными приводит к практически таким же атмосферным поправкам интенсивности телескопа MuSTAnG, что и более сложный метод эффективной температуры, применяемый в Ганева и соавт. (2013) ,

Подтверждения

Строительство MuSTAnG было поддержано Европейским космическим агентством (ESA) и Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

М.Зазян благодарит Германскую службу академических обменов (DAAD) за предоставленную возможность для исследовательского пребывания в университете Грайфсвальда.

Редактор благодарит Т. Катанаха и анонимного рецензента за помощь в оценке этой статьи.

Рекомендации

  • Бейкер, CP, DL Hall, JE Humble и ML Duldig. Анализ атмосферной коррекции мюонных телескопов Моусона. Proc. 23-й Международной конференции по космическим лучам, Калгари, 3, с. 753, 1993. [Google ученый]
  • Барретт П. и др. Интерпретация измерений космических лучей под землей. Ред. Мод. Phys. 24, 133, 1952. [CrossRef] [Google ученый]
  • Беркова М., Белов А., Эрошенко Е., Янке В. Температурный эффект мюонной составляющей и практические вопросы о том, как учитывать в реальном времени. Astrophys. Космическая наука Сделка , 8, 41–44, 2012, http://www.astrophys-space-sci-trans.net/8/41/2012/astra-8-41-2012.pdf , [CrossRef] [Google ученый]
  • Брага, ЧР, А. Дал Лаго, Т. Кувабара, Н. Дж. Шух и К. Мунаката. Коррекция температурного эффекта для данных мюонов космических лучей, наблюдавшихся в Бразильской южной космической обсерватории в Сан-Мартинью-да-Серра. J. Phys .: Conf. Многосерийный телефильм 409, 012138, 2013. [CrossRef] [Google ученый]
  • Дорман Л.И. О влиянии температуры жесткого компонента космических лучей. Докл. Акад. Sci. Наук СССР, 95, 49, 1964. [Google ученый]
  • Дорман Л.И. Космические лучи. Вариации и космические исследования, Северная Голландия, Амстердам, 1974. [Google ученый]
  • Дорман Л.И. Космические лучи в атмосфере Земли и под землей, Kluwer Academic Publishers, США, 2004. [CrossRef] [Google ученый]
  • Дулдиг М.Л. Мюонные наблюдения. Космическая наука Rev., 93, 207–226, 2000. [CrossRef] [Google ученый]
  • Дюперьер, А. Интенсивность мезонов на поверхности Земли и температура на уровне производства. Proc. Phys. Soc. 62А, 684–696, 1949. [CrossRef] [Google ученый]
  • Дворников В.М., Ю.Я. Крестьянников и А.В. Сергеев. Определение среднемассовой температуры по данным интенсивности космических лучей. Geomag. Аэрон. 16 (5), 923–925, 1976. [Google ученый]
  • Ганева М., С. Пеглоу, Р. Хипплер, М. Беркова и В. Янке. Сезонные изменения потока мюонов, видимые мюонным телескопом MuSTAnG. J. Phys .: Conf. Многосерийный телефильм , 409, 012242, 2013, DOI: 10,1088 / 1742-6596 / 409/1/012242 , [CrossRef] [Google ученый]
  • Hippler R., A. Mengel, F. Jansen, G. Bartling, W. Göhler et al. Первые наблюдения космической погоды в MuSTAnG - мюонном космическом метеорологическом телескопе для анизотропии в Грайфсвальде. Proc. 30-й Международной конференции по космическим лучам, Мексика, 1, с. 347–350, 2008. [Google ученый]
  • Гипплер Р. и М. Зазян. Моделирование реакции телескопа MuSTAnG на космические лучи. Proc. Летняя школа Cosmic Ray, Международный конференц-центр Nor-Amberd, с. 30, 2012. [Google ученый]
  • Янсен Ф., К. Мунаката, М.Л. Далдиг и Р. Хипплер. Мюонные детекторы - наземный прогноз геомагнитных бурь в Европе в режиме реального времени. Семинар ЕКА по космической погоде: взгляд на европейскую программу космической погоды, 2001 год, ЕКА WPP-144. [Google ученый]
  • Маэда, К. и М. Вада. Влияние температуры атмосферы на интенсивность космических лучей на уровне моря. J. Sci. Местожительство Текущий месяц , Токио, 48, 71–79, 1954. [Google ученый]
  • Ольберт С. Атмосферное влияние на интенсивность космических лучей вблизи уровня моря. Phys. Rev., 92, 454, 1953. [CrossRef] [Google ученый]
  • Okazaki Y., A. Fushishita, T. Narumi, C. Kato, S. Yasue, et al. Эффекты дрейфа и градиент плотности космических лучей в период вращения Солнца: первое наблюдение с помощью Глобальной сети детекторов мюонов (GMDN). Astrophys. J., 681, 693–707, 2008. [CrossRef] [Google ученый]
  • Сагисака С. Атмосферное влияние на интенсивность мюонов космических лучей на глубоких подземных глубинах. Nuovo Cimento C, 9, 809, 1986. [Google ученый]

Цитировать эту статью как : Зазян М., М. Ганева, М. Беркова, В. Янке и Р. Хипплер. Поправки на атмосферные эффекты данных MuSTAnG. J. Космическая Погода Космическая Клим. 5 , A6, 2015, DOI: 10.1051 / swsc / 2015007.

Все столы

Таблица 1.

Коэффициенты корреляции между всеми парами переменных для вертикального направления телескопа MuSTAnG.

Таблица 2.

Коэффициенты регрессии ( α , β и γ ) и суммарный коэффициент корреляции ( R ) рассчитаны для всех направленных каналов телескопа MuSTAnG.

Все цифры

Рисунок 1.

Вариации температуры на уровне 100 гПа (а); высота уровня 100 гПа (б); давление на грунт (с); относительная интенсивность мюонов (d) в течение 2009 года.

В тексте В тексте   Рис Рис. 2.

Интенсивность мюонов регистрируется вертикальным каналом телескопа MuSTAnG.

В тексте В тексте   Рис Рис. 3.

Интенсивность мюонов, детектируемая вертикальным каналом телескопа MuSTAnG, корректируется с использованием метода Дюпье с данными зондирования и метода эффективной температуры с помощью модели GFS для расчета температуры.

В тексте