Игорь Яшин: Интерес к мюонографии атмосферы сильно вырос

23 марта отмечается Всемирный день метеоролога. Хотя собственно метеорологическими исследованиями в НИЯУ МИФИ не занимаются, но проводящиеся в университете исследования потоков мюонов (неустойчивых элементарных частиц, образующихся в атмосфере при взаимодействии с космическими лучами) могут многое рассказать о погодных явлениях. Об этом мы беседуем с профессором научно-образовательного центра НЕВОД института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ Игорем Яшиным.

Интервью взято в рамках рубрики "Голос науки"

Игорь Яшин

– Игорь Иванович, можно ли по состоянию мюонного потока, который изучается в центре НЕВОД, судить о состоянии атмосферы?

– В некотором смысле да! Нас интересует возможность использования данных о потоке мюонов для определения вероятности обнаружения катастрофических атмосферных явлений - мощных гроз, ураганов, циклонов, торнадо и так далее. Почему это возможно? Потому что мюоны, которые рождаются на высотах 15-20 километров, чувствительны к характеристикам слоя атмосферы, через который они проходят до попадания в детектор. Например, температура воздуха. Если температура понижается, то атмосфера проседает, и зона генерации мюонов становится ниже, значит, вероятность мюонов дойти до Земли будет больше. Если нагревается атмосфера, слой генерации поднимается и, соответственно, мюоны проходят большее расстояние.

– Имеет значение именно расстояние от земли, а не, скажем, плотность воздуха, которая уменьшается при нагревании?

– Действие атмосферного давление несколько другое. Существует так называемый барометрический эффект: если повышается давление на уровне наблюдения, значит, столб воздуха становится более плотным, потому что в нем становится больше вещества, и в этом случае на детектор будет приходить меньше мюонов. Вообще процесс рождения мюонов и их прохождения через атмосферу достаточно сложный, но его можно оценить, а также, оценить влияние атмосферных процессов на мюоны. Соответствующие вариации потоков мюонов измеряются с середины прошлого века. После того, как были открыты мюоны, сразу же поняли, что это проникающая компонента космических лучей, и можно исследовать их вариации, связанные с процессами в атмосфере и околоземном пространстве.

– А если идёт мощная гроза, что происходит?

– Представьте, жаркий день, у вас идёт мощная конвекция, турбулентный вынос влажного горячего воздуха в верхние слои атмосферы. Там, на высоте 10 км, минус 40 градусов, происходит резкая конденсация и замерзание мелких капель, которые формируют некий объём замороженной воды в тучах, ее там миллионы тонн. И если вы направили свой детектор в этом направлении, то у вас поток мюонов будет меняться. Не сильно, но, тем не менее, измеримо. Более того, если происходят очень быстрые конвекционные процессы, направленные вверх, то появляются некие волны, наподобие волн на поверхности воды, когда бросаете камень. Их называют внутренними гравитационными волнами (не путать с гравитационными волнами от космических коллапсов), поскольку рассматриваемые элементы вещества колеблются под действием силы тяжести. Эти волны распространяются на больших высотах - в тропосфере и нижней стратосфере, и модулируют поток мюонов. Если регистрировать мюоны в реальном времени со всех направлений, мы можем выделить частотную модуляцию и посмотреть, как она коррелирует с атмосферными процессами.

У нас разработано несколько методов регистрации мюонных потоков, в том числе и в аспекте волновых процессов. Сейчас аспирант НОЦ НЕВОД Станислав Тимаков готовится к защите диссертации по азимутальному сканированию потока мюонов – это когда мы можем выделять секторы, в которых оцениваются свойства этих потоков, и с помощью различных методов анализа частотных характеристик можем определять, с какого направления мощность модуляций мюонов больше.

Вообще мы не можем предсказывать погоду, и эта задача не стоит перед нами. Но наша цель – попытаться разработать методы идентификации и заблаговременного обнаружения катастрофических атмосферных явлений.

– Были ли за последние годы на НЕВОДе проведены исследования, в которых учитывались атмосферные катастрофические явления?

–  Мы постоянно это делаем. В режиме реального времени  анализируем состояние атмосферы на площади примерно 10 000 квадратных километров в московском регионе. Более того, мы строим мюонограммы, то есть картины изменения плотности потока мюонов над этой площадью, и мы видеть, с какого направления формируется зона дефицита в угловом распределении мюонов и анализируем ее связь с мощными атмосферными явлениями.

Для проверки метода мюонографии были проведены работы по сопоставлению полученных результатов с данными доплеровских радаров.

– А откуда вы берёте метеорологическую информацию?

– Существуют мировые базы метеорологических данных о состоянии  атмосферы, в том числе динамические карты доплеровских радаров. У нас на НЕВОДе есть две метеостанции, смонтированные в разных местах. Они позволяют получать надёжную информацию о силе ветра, о влажности, о давлении, о температуре над МИФИ.

– Интересовались ли метеорологи вашими исследованиями или другими подобными исследованиями космических излучений?

– У метеорологов довольно простой подход: дайте нам готовую технологию прогнозов и мы будем ее использовать. Тем не менее, интерес к методам мюонографии атмосферы Земли и околоземного пространства в последнее время сильно вырос. Например, в Японии проводятся работы по мониторингу тайфунов, которые там очень часто случаются и для Японии это целая проблема. Они пытаются с помощью мониторинга мюонных потоков, точно так же, как и мы, обнаруживать и классифицировать мощные атмосферные явления.

Важным преимуществом нашего метода в том, что мы можем оценивать водный запас в грозовых тучах, так как чем больше воды в мощных турбулентных областях грозового характера, тем меньше мюонов проходит через эти области. Другим важным параметром, влияющим на вариации мюонов, являются градиенты плотности воздуха, связанные с барическими фронтальными зонами. Мы можем отличать тёплые и холодные фронты, потому что у них разная динамика, и к этой динамике потоки мюонов тоже чувствительны.

Тем не менее, в наши задачи формирование метеопрогнозов не входит. Для этого существует большое количество наземных и космических станций, информация с которых обрабатывается с помощью мощных суперкомпьютеров. Наша задача не предсказывать, какая будет температура через трое суток, а разработать подход, который бы впоследствии мог бы облегчить заблаговременное обнаружение, допустим, тех же торнадо. У нас, конечно, торнадо редко случается, но для Соединённых Штатов это очень важная проблема, и там тоже пытаются это делать.

НОЦ НЕВОД

– Какой из детекторов в рамках НЕВОДа наиболее информативен с точки зрения состояния атмосферы?

– Прежде всего, это установка УРАГАН, которая расшифровывается как «Установка для РАспознавания Грозовых Аномалий». Это четыре прецизионных трековых детектора с общей площадью около 45 квадратных метров, которые регистрируют каждый мюон, приходящий из любого направления в пределах углов «видимости» - апертуры. На основании зарегистрированных треков мы в режиме реального времени строим матрицы угловых распределений мюонов, прошедших через детектор за определенное время. Последовательность таких матриц-мюонограмм (по аналогии с рентгенограммами) дает возможность изучать динамику областей анизотропии потока мюонов, связанных с процессами их генерации. Эти мюонограммы мы проецируем на слой генерации мюонов (15 км). Получается, что в пределах апертуры детекторов мы постоянно контролируем слой атмосферы высотой примерно 15-20 км над площадью 10 000 квадратных километров.

УРАГАН была специально создана для того, чтоб анализировать вариации потока мюонов, связанные с различными событиями, как в атмосфере, так и в гелиосфере, например, с высокоэнергичными событиями, вызванными вспышечной активностью Солнца. Такие события могут генерировать различные негативные явления при взаимодействии с магнитным полем Земли. Здесь в чем проблема? События, типа Корональных выбросов масс на Солнце, хорошо видны с помощью коронографов, в том числе расположенных на спутниках, находящихся в точке Лагранжа 1, в которой гравитация Солнца уравновешивается гравитацией Земли. Но в пространстве между орбитами Меркурия и Земли это облако высокоскоростной плазмы очень трудно обнаружить. При взаимодействии с магнитным полем Земли могут генерироваться мощные магнитные бури, представляющие опасность, как для населения, так и для промышленных структур, особенно, для экипажей космических миссий и спутниковой группировки. Потоки космических лучей, пересекая ударные волны распространяющихся облаков солнечной плазмы, модулируются и достаточно быстро, по сравнению с движением солнечной плазмы, достигают атмосферы Земли за время порядка 10 мин и несут прогностическую информацию о динамическом возмущении в гелиосфере. Взаимодействуя с атмосферой, они рождают мюоны, которые мы регистрируем и получаем информацию об анизотропии космических лучей в гелиосфере, на основе которой можем оценить вероятность появления магнитной буря. Этот подход реализован в мировой сети нейтронных мониторов, но в последнее время быстро развиваются методы мюонографии.

Вторая установка, которая у нас создана для мюонографии околоземного пространства – это трековый сцинтилляционный мюонный годоскоп (22 кв. м), расположенный относительно УРАГАН на расстоянии 100 м. У него другой принцип регистрации мюонов, что дает некоторые преимущества в плане перекрестного анализа данных. Тем не менее, одна точка расположения детекторов не дает возможность локализовать мощное атмосферное явление. Мы сейчас продвигаем идею создания сети мюонных годоскопов, которые бы располагались, допустим, по линии Дубна-Протвино, то есть с севера на юг, потому что у нас атмосферные события в основном идут с запада на восток. Три детектора, расположенные вдоль этой линии представляют собой своеобразную антенну, и мы будем иметь возможность построения пространственной картины.

– Вы сказали, что высчитываете корреляцию между динамикой мюонного потока и атмосферными событиями. Как я понимаю, тут причинная зависимость идёт от атмосферы к мюонам, а обратной связи нет?

         Вы правы, возмущения атмосферы влияют на интенсивность мюонов. Но наши исследования направлены как раз на решение обратной задачи – по данным мюонных детекторов оценить вероятность развития потенциально опасного процесса в атмосфере Земли или в околоземном пространстве. Допустим, за 2 часа можно увидеть грозу. Эта задача, в принципе, решаема. Но пока у нас одна точка расположения детекторов, мы можем это измерять только опосредованно. Но видеть динамику атмосферных процессов в комплексе – для этого требуются дальнейшее развитие метода мюонографии. Но главное наше достижение – у нас появился метод исследования атмосферы, который кардинально отличается от исследований с помощью радаров и других метеорологических методов.

Беседовал Константин Фрумкин