Новосибирск, Россия
Новосибирск, Россия
При исследовании вариаций интенсивности космических лучей с помощью мюонных телескопов, расположенных в глубине атмосферы, необходим учет изменений параметров атмосферы, в основном давления и температуры. Для оценки распределения плотности температурных коэффициентов интенсивности мюонов в атмосфере по данным наблюдений рассмотрены метод регрессии на главные компоненты (РГК) и методы проекций на латентные структуры ПЛС-1 и ПЛС-2. Были использованы данные непрерывной регистрации мюонов и аэрологические данные, полученные в Новосибирске в 2004–2010 гг. Сопоставление результатов показало, что метод ПЛС-2 позволяет с минимальными ошибками оценить распределение плотности температурных коэффициентов интенсивности мюонов в атмосфере.
космические лучи, мюоны, атмосфера, температура
ВВЕДЕНИЕ
Мюонные телескопы для исследования вариаций космических лучей (КЛ) появились значительно раньше нейтронных мониторов [Дорман, 1975]. Однако впоследствии нейтронные мониторы, вытеснив существующие мюонные телескопы, стали основными приборами мировой сети станций КЛ. Одной из причин были трудно учитываемые атмосферные эффекты мюонных телескопов. Для нейтронного монитора они сводились к легко учитываемому барометрическому эффекту, поскольку температурный эффект практически отсутствовал. В последние годы интерес к мюонным телескопам значительно возрос. Это объясняется рядом отличительных особенностей мюонной компоненты:
- высокая статистическая точность регистрации (по сравнению с нейтронной компонентой);
- возможность создания на станциях КЛ многоканальных комплексов, обеспечивающих регистрацию различных компонент вторичных КЛ;
- слабая зависимость интенсивности от угла к зениту по сравнению с нейтронной компонентой, что позволяет реализовать широкий набор направлений регистрации мюонов вплоть до зенитного угла 90°.
Кратко можно очертить круг основных задач, решение которых базируется также на данных мюонных телескопов:
- оценка параметров энергетического спектра модуляции потока КЛ в межпланетном пространстве;
- определение анизотропии и градиентов КЛ с энергией 1–200 ГэВ с целью разработки методов диагностики межпланетной среды по данным наземных наблюдений КЛ;
- анализ атмосферных процессов по данным глобальной интенсивности общей ионизующей компоненты (электричество атмосферы, КЛ, температурный режим атмосферы и др.).
Мюонные телескопы на газоразрядных счетчиках Гейгера–Мюллера были созданы в период МГГ [Блох, 1961; Иноземцева, 1961]. К сожалению, уже на начальном этапе исследований выяснилось, что статистическая точность приборов недостаточна для решения поставленных задач [Шепли, 1969]. В скором времени они были вытеснены телескопами на пластических сцинтилляторах и больших пропорциональных счетчиках, включающими
- сцинтилляционный телескоп ИЗМИРАН [Либин и др., 1975];
- сцинтилляционный телескоп в Нагойе [Naga-shima, 1978];
- сцинтилляционный телескоп ТЕМП-МИФИ [Borog, 2001];
- сцинтилляционный телескоп бразильско-японского проекта в Sao Martinho [Munakato, 2001];
- Якутский подземный комплекс [Григорьев и др., 2007];
- Новосибирский многоканальный наблюдательный комплекс [Янчуковский, 2010].
Однако проблема учета температурного эффекта мюонов в атмосфере осталась не до конца решенной. Температурный эффект мюонов обусловлен изменениями температуры всех слоев атмосферы. Интегральный метод учета эффекта [Дорман, 1972] предусматривает знание распределения плотности температурного коэффициента для мюонов в атмосфере непосредственно для каждой экспериментальной установки. При теоретических расчетах температурных коэффициентов [Дорман, 1972; Беркова и др., 2009; Дмитриева и др., 2009] используются различные приближения и поэтому результаты сложно применять при введении поправок на вариации температуры атмосферы. Ранее [Тясто, 1961; Dubinsky, 1962] делались попытки оценки температурных коэффициентов для мюонов с использованием методов многофакторной регрессии. К сожалению, применение этих методов в подобных задачах некорректно. Этим объясняется низкая точность полученных результатов. Экспериментально оценить распределение плотности температурных коэффициентов также сложно, поскольку вариации температуры различных слоев атмосферы коррелированы. В связи с этим были использованы методы факторного анализа [Pearson, 1901; Sylvester, 1889]. Для исследования температурного эффекта интенсивности мюонов в атмосфере рассмотрены три метода: регрессия на главные компоненты (РГК) [Jolliffe, 2002; Gorban et al., 2007], методы проекций на латентные структуры (ПЛС-1 и ПЛС-2) [Эсбенсен, 2005; Померанцев, 2014].
1. Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М.: Финансы и статистика, 1989. 607 с.
2. Блох Я.Л. Стандартный кубический телескоп // Космические лучи. М.: Наука, 1961. № 3. С. 80–104.
3. Григорьев В.Г., Кривошапкин П.А., Крымский Г.Ф. и др. Приемные векторы комплекса мюонных телескопов станции Якутск // Всероссийская конференция «Современные проблемы космической физики»: Сб. докл. Якутск: из-во Якутского научного центра СО РАН, 2007. С. 99–102.
4. Дорман Л.И. Метеорологические эффекты космических лучей. М.: Наука, 1972. 211 с.
5. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975. 462 с.
6. Дмитриева А.Н., Кокоулин Р.П., Петрухин А.А., Тимашов Д.А. Температурные коэффициенты для мюонов под различными зенитными углами // Известия РАН. Серия физиче-ская. 2009. Т. 73, № 3. С. 371–374.
7. Иноземцева О.И., Капитонов Ю.А. Азимутальный телескоп для исследования вариаций космических лучей в зависимости от направления прихода первичного излучения // Космические лучи. М.: Наука, 1961. № 3. С. 105–121.
8. Либин И.Я., Бакатов В.Н., Блох Я.Л. и др. Сцинтилляционный телескоп // Космические лучи. М.: Наука, 1975. № 15. С. 137–140.
9. Померанцев А.Л. Хемометрика в Excel: учебное пособие. Томск: из-во ТПУ, 2014. 435 с.
10. Тясто М.И. Эмпирическое определение температурного эффекта жесткой компоненты космических лучей на о. Хейса // Космические лучи. М.: Наука, 1961. № 3. С. 170–173.
11. Шепли А.Х. Руководство по международному обмену данных в солнечно-земной физике // 1-я рабочая группа Международной комиссии по солнечно-земной физике. Будапешт, 1969. 5 с.
12. Эсбенсен К. Анализ многомерных данных. Избранные главы / Пер. с англ. С.В. Кучерявского; под ред. О.Е. Родионовой. Черноголовка: Изд-во ИПХФ РАН, 2005. 160 с.
13. Янчуковский В.Л. Многоканальный наблюдательный комплекс космических лучей // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 16. С. 107–109.
14. Berkova M.D., Belov A.V., Eroshenko E.A., Yanke V.G. Temperature effect of the muon component and practical issues of its account in real time // Proc. 21-st ECRS / Eds. Kiraly P., Kudela K., Steglik M., Wolfendale A.W. 2009. P. 123–126.
15. Borog V., Burinskiy A., Gvozdev A., et al. Large aperture muon hodoscope for studies in solar-terrestrial physics // Proc. 24th ICRC. Rome. 1995. V. 4. P. 1291–1295.
16. Dubinsky J., Chaloupka P. Meteorologicke korekcie pre neutronovy monitor a kucku teleskop na Lomnickom Stite. Sborn. ved. prace vysokey skoly technickey v Kosiciach. 1962, Zy. 1, pp. 87–98 (in Czech).
17. Gorban A.N., Kegl B., Wunsch D., Zinovyev A.Y. Principal Manifolds for Data Visualization and Dimension Reduction. Lecture Notes in Computational Science and Engineering. Berlin – Heidelberg – New York: Springer, 2007. 340 p.
18. Jolliffe I.T. Principal Component Analysis. Series in Statistics. NY: Springer, 2002. 487 p.
19. Munakato K., Bieber J., Yasue S., et al. A prototype muon detector network covering a full range of cosmic ray pitch angles // Proc. 27th ICRC. 2001. V. 9. P. 3494–3497.
20. Nagashima K., Fuji Z., Sakakibara S., et al. Report of Cosmic Ray Research Laboratory. Nagoya, 1978. N 3.
21. Pearson K. On lines and planes of closest fit to systems of points in space // Philosophical Magazine. 1901. N 2. P. 559–572.
22. Sylvester J.J. On the reduction of a bilinear quantic of the nth order to the form of a sum of n products by a double orthogonal substitution // Messenger of Mathematics. 1889. N 19. P. 42–46.
23. Yanchukovsky V.L., Kuz’menko V.S., Antsyz E.N. Results of cosmic ray monitoring with a multichannel complex // Geomagnetism and Aeronomy. 2011. V. 51, N 7. P. 893–896.
