Вариации гамма-излучения во время грозы по наблюдениям в Якутске

Внедрение: 2020 г.

Мы ранее публиковали материал [1] о применении модулей E14‑440 и E‑154 в исследованиях грозовых электромагнитных полей на базе Якутского спектрографа космических лучей ИКФИА СО РАН.

В данной статье [2] представлены результаты исследования увеличения гамма-фона в приземном слое атмосферы во время гроз в Якутске. Исследования, в которых применялся модуль E20‑10, также проводились на основе спектрографа космических лучей ИКФИА СО РАН.

Для регистрации гамма-фона используются сцинтилляционные детекторы на основе кристаллов NaI (Tl). Диапазон измеряемых энергий 20 – 1900 кэВ. Детекторы закрываются с боков и снизу свинцом и помещаются в термобоксы со стеклянным окном. Детектор расположен на крыше здания спектрографа космических лучей в Якутске.

Рисунок 1. Якутский спектрограф космических лучей ИКФИА СО РАН.

Также осуществлялась синхронная регистрация напряженности электрического поля атмосферы с помощью датчика с диапазоном измерения ±50 кВ/м. Использовались данные непрерывной регистрации аналогового сигнала с датчика во время гроз, следовавших подряд, в 2018 году. Аналоговый сигнал с гамма-детектора подавался на первый канал АЦП E20‑10 и непрерывно записывался на жесткий диск компьютера в течение одного часа (во время грозы) сериями по 10 минут. Сигнал с активной широкополосной дипольной антенны П‑10 (полоса пропускания 0,9 кГц – 900 МГц) подавался на второй канал и также записывался в один файл вместе с сигналом от гамма-детектора. Синхронная запись сигналов от гамма-детектора и от антенны позволяет точно синхронизировать гамма-фотоны с электромагнитными сигналами от ближайшей молнии. В исследованных грозах по результатам анализа полученных данных были обнаружены статистически значимые вариации скорости счета и формы спектра гамма-излучения в момент грозовых разрядов.

Рисунок 2. Грозовое событие 10 августа 2018 г. Моментальные интервалы в истории электрического поля атмосферы (а). Низкочастотная форма волны (НЧ) разряда молнии (b). История детекторов NaI (Tl) с интервалом в одну секунду (c). Красные пунктирные линии показывают время начала и остановки записи данных с высоким временным разрешением.

Рисунок 3. Грозовое явление 17 августа 2018 г. Моментальные интервалы в истории электрического поля атмосферы (а). Низкочастотная форма волны (НЧ) разряда молнии (b). История детекторов NaI (Tl) с интервалом в одну секунду (c). Красные пунктирные линии показывают время начала и остановки записи данных с высоким временным разрешением.

На рисунке 4 показан результат суммирования количества импульсов для каждой из двух гроз (а) и для обеих гроз (b). Хорошо наблюдается заметное снижение скорости счета детектора в момент молнии и через секунду после молнии. На второй секунде после молнии наблюдается резкое увеличение скорости счета. Формы кривых скорости счета в двух отдельных грозах хорошо согласуются.

Рисунок 4. Снижение скорости счета детектора NaI (Tl) в момент молнии и после нее в течение одной секунды. Скорость счета для двух гроз (а). Скорость счета для двух гроз со статистической ошибкой ±1 σ для диапазона энергий 0,02 – 1,2 МэВ (b). Красные пунктирные линии показывают время разряда молнии.

Особый интерес представляет информация о том, как энергетический спектр гамма-излучения изменялся во времени: до, во время и после молнии. На рисунке 5 показаны 6 спектров, каждый из которых соответствует определенной секунде до и после молнии.

Рисунок 5. Сравнение энергетических спектров истории гамма-лучей в разные периоды удара молнии. Спектры в -2 с, -1 с, 0 с, +1 с, +2 с сдвинуты с коэффициентом от 10 до 10⁵ соответственно, чтобы избежать перекрытия.

График на рисунке 6 показывает, как различные компоненты спектра менялись с течением времени.

Рисунок 6. Изменение количества импульсов в отдельных диапазонах энергии во времени относительно разряда молнии. Диапазон энергий: 0 < E > 1,2 МэВ (a); E > 1,2 МэВ (b); 1,0 МэВ < E < 1,2 МэВ (c); 800 кэВ < E < 1000 кэВ (d); 600 кэВ < E < 800 кэВ (e); 400 кэВ < E < 800 кэВ (f); 200 кэВ < E < 400 кэВ (g); 20 кэВ < E < 200 кэВ (h). Красные пунктирные линии показывают время разряда молнии.

Анализ вариаций гамма-излучения во время двух близлежащих гроз показал, что в спектрах гамма-излучения, полученных от 139 отдельных событий (139 молний), было обнаружено уменьшение скорости счета в момент молнии и после нее во всем диапазоне энергий от 20 кэВ до 1,2 МэВ, за исключением диапазона энергий 400 – 600 кэВ, в котором наблюдается статистически значимое увеличение. Увеличение диапазона энергий 400 – 600 кэВ, вероятно, указывает на генерацию аннигиляционного излучения позитронов (511 кэВ) в результате возможных фотоядерных реакций с участием азота, кислорода и гамма-излучения внутри грозовой атмосферы.

Работа поддержана РФФИ, НИР № 18‑45‑140028р_а.

Источник:

1. Исследование грозовых электромагнитных полей: [Электронный ресурс] // ООО «Л Кард». М,. 2020. URL: https://www.lcard.ru/portfolio/storm_fields. (Дата обращения: 18.12.2020).
2. Toporov A., Starodubtsev S., Kozlov V. etc. Variations of gamma-ray during thunderstorm by observations in Yakutsk // E3S Web Conference, Vol. 196, 2020.
   Doi: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202019601012.

Разработчик: Торопов А., Стародубцев С., Козлов В. (ИКФИА им. Ю.Г. Шафера СО РАН, г. Якутск), Балабин Ю. (ПГИ, г. Апатиты)