Novosibirsk, Russian Federation
Novosibirsk, Russian Federation
When studying variations of cosmic ray intensity, by the use of muon telescopes located deep in the atmosphere it is necessary to take into account changes in atmospheric parameters, mainly pressure and temperature. The density distribution of temperature coefficients of the atmosphere muon intensity needs to be estimated from observations. To this purpose, the method of principal components regression and meth-ods of projection to latent structures (PLS-1 and PLS-2). We used data of continuous recording of muons, as well as Novosibirsk 2004–2010 aerological data. As shown by comparing results, PLS-2 method allows us to esti-mate the density distribution of muon intensity temperature coefficients with minimal errors.
cosmic rays, muons, atmosphere, temperature
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. Aivazyan S.A., Buhshtaber V.M., Enyukov I.S., Meshalkin L.D. Prikladnaya Statistika. Klassifikatsiya I snizhenie razmernosti [Applied statistics. Classification and dimension lowering]. Moscow, Finansy i statistika Publ., 1989, p. 607 (in Russian).
2. 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. Kiraly P., Kudela K., Steglik M., Wolfendale A.W. (eds.). Proc. 21st ECRS. 2009, pp. 123-126.
3. Bloch Ya.L. Standard cubic telescope. Kosmicheskie luchi [Cosmic Rays]. Moscow, Nauka Publ., 1961, no. 3. pp. 80-104 (in Russian).
4. Borog V., Burinskiy A., Gvozdev A., Dronov V., Petrukhin A. Large aperture muon hodoscope for studies in solar-terrestrial physics. Proc. 24th ICRC. Rome. 1995, vol. 4, pp. 1291-1295.
5. Dmitriyeva A.N., Kokoulin R.P., Petrukhin A.A., Tima-shov D.A. Temperature coefficients for muons at different zenith angles. Izvestiya RAN. Ser. Fizicheskaya [Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics]. 2009, vol. 73, no. 3, pp. 371-374 (in Russian).
6. Dorman L.I. Meteorologicheskie effekty kosmicheskikh luchei [Meteorological effects of cosmic rays]. Moscow, Nauka Publ., 1972, p. 211 (in Russian).
7. Dorman L.I. Experimentalnye i teoreticheskie osnovy astrofiziki [Experimental and Theoretical Grounds of Astrophysics]. Moscow, Nauka Publ., 1975, p. 462 (in Russian).
8. 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).
9. Esbensen K. Analysis of Multidimensional Data. Selected Chapters. Chernogolovka, IPHF RAN Publ., 2005, p. 160 (in Russian).
10. 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, p. 340
11. Grigoryev V.G., Krivoshapkin P.A., Krimsky G.F., Mamrukova V.P., Starodubtsev S.A., Dy-achkovsky M.E. Vserossiyskoy konferencii Sovremennie problemi kosmicheskoy fiziki. Yakutsk: izdatelstvo Yakutskogo nauchnogo centra SO RAN, 2007, pp. 99-102 (in Russian).
12. Inozemtseva O.I., Kapitonov Yu.A. Azimuthal telescope for studying cosmic ray variations depending on the direction of primary radiation arrival. Kosmicheskie luchi [Cosmic rays]. Mos-cow, Nauka Publ., 1961, no. 3, pp. 105-121 (in Russian).
13. Jolliffe I.T. Principal Component Analysis. Se-ries in Statistics. NY: Springer, 2002, p. 487.
14. Libin I.Ya., Bakatov V.N., Bloch Ya.L., Voevodsky A.V., Dadikin V.L., Dorman L.I. Scintillation telescope. Kosmicheskie luchi [Cosmic rays]. Moscow, Nauka Publ., 1975, no. 15, pp. 137-140 (in Russian).
15. 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, vol. 9, pp. 3494-3497.
16. Nagashima K., Fuji Z., Sakakibara S., Fujimoto K., Ueno H. Report of cosmic ray research laboratory N 3. Nagoya. 1978.
17. Pearson K. On lines and planes of closest fit to systems of points in space. Philosophical Magazine, 1901, no. 2, pp. 559-572.
18. Pomerantsev A.L. Chemometrics in Excel: Tuto-rial. Tomsk: TPU Publ., 2014, p. 435 (in Russian).
19. Sheply A.Kh. Guide on International Exchange of Data in Solar-Terrestrial Physics. The 1st Workshop of International Comission on Solar-Terrestrial Physics. Budapesht, 1969, p. 5.
20. 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, no. 19, pp. 42-46.
21. Tyasto M.I. Empirical determination of tempera-ture effect of cosmic ray rigid component on Heiss Island. Kosmicheskie luchi [Cosmic rays]. Moscow, Nauka Publ., 1961, no. 3, pp. 170-173 (in Russian).
22. Yanchukovsky V.L. Multichannel complex for cosmic ray observation. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2010, iss. 16, pp. 107-109 (in Russian).
23. Yanchukovsky V.L., Kuz’menko V.S., Antsyz E.N. Results of cosmic ray monitoring with a multichannel complex. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, no. 7, pp. 893-896.
