Solar-Terrestrial Physics Solar-Terrestrial Physics Солнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics 2712-9640 22430 10.12737/szf-53201908 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Calculating the ionization rate induced by GCR and SCR protons in Earth’s atmosphere Расчет скорости ионизации вещества атмосферы Земли протонами галактических и солнечных космических лучей Маурчев Евгений Александрович Maurchev Evgeniy Aleksandrovich maurchev@pgia.ru Балабин Юрий Васильевич Balabin Yuriy Vasilyevich balabin@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Германенко Алексей Владимирович Germanenko Aleksey Vladimirovich alex.germanenko@gmail.com

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Михалко Евгения Александровна Mikhalko Evgeniya Aleksandrovna mikhalko@pgia.ru Гвоздевский Борис Борисович Gvozdevsky Boris Borisovich gvozdevsky@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт Россия Полярный геофизический институт Russian Federation Полярный геофизический институт КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation 5 3 81 88 https://naukaru.ru/en/nauka/article/22430/view

В работе рассматривается прикладное использование модуля программного комплекса RUSCOSMICS [http://ruscosmics.ru], предназначенного для моделирования прохождения частиц первичных космических лучей (КЛ) через атмосферу Земли и сбора информации о характеристиках их вторичной компоненты. Представлены результаты, полученные для потоков протонов с энергетическими распределениями, соответствующими дифференциальным спектрам галактических КЛ (ГКЛ) и солнечных КЛ (СКЛ) во время событий наземного возрастания (ground level enhancement, GLE) интенсивности КЛ GLE65 и GLE67. В статье рассматриваются принцип реализации геометрии атмосферы Земли в модели, данные для ее параметризации, а также приводится описание генератора первичных частиц. Представлены типовые энергетические спектры электронов, полученные при расчетах с использованием спектра ГКЛ во время минимума солнечной активности и GLE65, позволяющие количественно оценить вклад протонов СКЛ в увеличение потоков вторичных КЛ. Приводятся также высотные зависимости скорости ионизации в случае ГКЛ и обоих GLE для двух значений жесткости геомагнитного обрезания. В заключение подводятся итоги и обсуждаются перспективы будущих исследований.

This paper explores the applied use of the RUSCOSMICS software package [http://ruscosmics.ru] designed to simulate propagation of primary cosmic ray (CR) particles through Earth’s atmosphere and collect information about characteristics of their secondary component. We report the results obtained for proton fluxes with energy distributions corresponding to the differential spectra of galactic CR (GCR) and solar CR (SCR) during ground level enhancement (GLE) events GLE65 and GLE67. We examine features of the geometry of Earth’s atmosphere, parametrization methods, and describe a primary particle generator. The typical energy spectra of electrons obtained both for GCR and for GLE65 provide information that allows us to quantitatively estimate the SCR contribution to the enhancement of secondary CR fluxes. We also present altitude dependences of ionization rate for GCR and both the GLE events for several geomagnetic cutoff rigidity values. The conclusion summarizes and discusses the prospects for future research.

 космические лучи астрофизика метод Монте-Карло GEANT4 физика частиц численное моделирование cosmic rays astrophysics Monte Carlo method GEANT4 particle physics numerical simulation

ГОСТ 25645.122-85. Протоны галактических космических лучей. Энергетические спектры М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1985. С. 2. Agostinelli S., Allison J., Amako K., Apostolakis J., Araujo H., Arce P., et al. Geant4 - a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods A. 2003, vol. 506, iss. 3, pp. 250-303. DOI: 10.1016/S0168-9002(03)01368-8. Маурчев Е.А., Михалко Е.А., Германенко А.В., Балабин Ю.В. Экспериментальные методы для проведения валидации результатов моделирования взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли // Труды Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 9, № 5-4. С. 76-81. DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.76-81. Bazilevskaya G.A., Usoskin I.G., Flückiger E.O., Harrison R.G., Desorgher L., Bütikofer R., Krainev M.B., Makhmutov V.S., Stozhkov Y.I., Svirzhevskaya A.K., Svirzhevsky N.S., Kovaltsov G.A. Cosmic ray induced ion production in the atmosphere. Space Sci. Rev. 2008, vol. 137, iss. 1-4, pp. 149-173. DOI: 10.1007/s11214-008-9339-y. Agostinelli S., Allison J., Amako K., Apostolakis J., et al. Geant4 - a simulation toolkit // Nuclear Instruments and Methods A. 2003. V. 506, iss. 3. P. 250-303. DOI: 10.1016/S0168-9002(03)01368-8. GEANT4 Physics Reference Manual. URL: http://geant4-userdoc.web.cern.ch/geant4-userdoc/UsersGuides/PhysicsReference Manual/fo/PhysicsReferenceManual.pdf (accessed June 10, 2019). Bazilevskaya G.A., Usoskin I.G., Flückiger E.O., Harrison R.G., et al. Cosmic ray induced ion production in the atmosphere // Space Sci. Rev. 2008. V. 137, iss. 1-4. P. 149-173. DOI: 10.1007/s11214-008-9339-y. GOST 25645.122-85. Protony galakticheskikh kosmicheskikh luchei. Energeticheskie spectry [State Standard 25645.122-85. Protons of Galactic Cosmic Rays. Energy Spectra]. Moscow, 1985, p. 2. GEANT4 Physics Reference Manual. URL: http://geant4-userdoc.web.cern.ch/geant4-userdoc/UsersGuides/PhysicsReference Manual/fo/PhysicsReferenceManual.pdf (дата обращения 10 июня 2019). Maurchev E.A., Balabin Yu. V. RUSCOSMIC - the new software toolbox for detailed analysis of cosmic rays interactions with matter. Solar-Terrestrial Physics. 2016, vol. 2, no. 4, pp. 3-10. DOI: 10.12737/24269. Maurchev E.A., Balabin Yu.V. RUSCOSMIC - the new software toolbox for detailed analysis of cosmic rays interactions with matter // Solar-Terrestrial Physics. 2016. V. 2, no. 4. P. 3-10. DOI: 10.12737/24269. Maurchev E.A., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B., Vashenyuk E.V. A new numerical model for investigating cosmic rays in the Earth’s atmosphere. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015, vol. 79, no. 5, pp. 657-659. DOI: 10.3103/S1062873815050305. Maurchev E.A., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B., Vashenyuk E.V. A new numerical model for investigating cosmic rays in the Earth’s atmosphere // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79, N 5. P. 657-659. DOI: 10.3103/S1062873815050305. Maurchev E.A., Mikhalko E.A., Germanenko A.V., Balabin Yu.V. The experimental methods for validating the results of modeling the cosmic rays interaction with the Earth’s atmosphere. Trudy Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN [Proc. of Kola Science Center RAS]. 2018, vol. 9, no. 5-4, pp. 76-81. DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.76-81. (In Russian). Perez-Peraza J., Gallegos-Cruz A., Vashenyuk E.V., Balabin Yu. V. Relativistic proton production at the Sun in the October 28th, 2003 solar event // Adv. Space Res. 2006. V. 38, iss. 3. P. 418-424. DOI: 10.1016/j.asr.2005.01.082. Perez-Peraza J., Gallegos-Cruz A., Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Miroshnichenko L.I. Relativistic proton production at the Sun in the October 28th, 2003 solar event. Adv. Space Res. 2006, vol. 38, iss. 3, pp. 418-424. DOI: 10.1016/j.asr. 2005.01.082. Perez-Peraza J., Vashenyuk E.V., Gallegos-Cruz A., Balabin Yu.V., Miroshnichenko L.I. Relativistic proton at the Sun in the 20 January 2005 solar event // Adv. Space Res. 2008. V. 41, iss. 6. P. 947-954. DOI: 10.1016/j.asr.2007.04.054. Perez-Peraza J., Vashenyuk E.V., Gallegos-Cruz A., Balabin Yu.V., Miroshnichenko L.I. Relativistic proton at the Sun in the 20 January 2005 solar event. Adv. Space Res. 2008, vol. 41, iss. 6, pp. 947-954. DOI: 10.1016/j.asr.2007.04.054. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, iss. A12, 1468. DOI: 10.1029/2002JA009430. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, iss. A12, 1468. DOI: 10.1029/2002JA009430. Stozhkov Yu.I., Svirzhevsky N.S., Bazilevskaya G.A., Kvashnin A.N., et al. Long-term (50 years) measurements of cosmic ray fluxes in the atmosphere // Adv. Space Res. 2009. V. 44, iss. 10. P. 1124-1137. DOI: 10.1016/j.asr.2008.10.038. Stozhkov Yu.I., Svirzhevsky N.S., Bazilevskaya G.A., Kvashnin A.N., Makhmutov V.S., Svirzhevskaya A.K. Long-term (50 years) measurements of cosmic ray fluxes in the atmosphere. Adv. Space Res. 2009, vol. 44, iss. 10, pp. 1124-1137. DOI: 10.1016/j.asr.2008.10.038. Thébault E., Finlay C.C., Beggan C.D., Alken P., et al. International Geomagnetic Reference Field: the 12th generation // Earth, Planets and Space. 2015. V. 67, 79. DOI: 10.1186/s40623-015-0228-9. Thébault E., Finlay C.C., Beggan C.D., Alken P., Aubert J., Barroiset O., et al. International Geomagnetic Reference Field: the 12th generation. Earth, Planets and Space. 2015, vol. 67, 79. DOI: 10.1186/s40623-015-0228-9. Usoskin I.G., Desorgher L., Velinov P., Storini M., et al. Ionization of the earth’s atmosphere by solar and galactic cosmic rays // Acta Geophysica. 2009. V. 57, N 1. P. 88-101. DOI: 10.2478/s11600-008-0019-9. Usoskin I.G., Desorgher L., Velinov P., Storini M., Flückiger E.O., Bütikofer R., Kovaltsov G.A. Ionization of the earth’s atmosphere by solar and galactic cosmic rays. Acta Geophysica. 2009, vol. 57, no. 1, pp. 88-101. DOI: 10.2478/s 11600-008-0019-9. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Miroshnichenko L.I. Relativistic solar protons in the ground level event of 23 February 1956: New study // Adv. Space Res. 2008. V. 41. P. 926-935. DOI: 10.1016/j.asr.2007.04.063. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Miroshnichenko L.I. Relativistic solar protons in the ground level event of 23 February 1956: New study. Adv. Space Res. 2008, vol. 41, pp. 926-935. DOI: 10.1016/j.asr.2007.04.063. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Features of relativistic solar proton spectra derived from ground level enhancement events (GLE) modeling // Astrophysics and Space Sciences Transactions. 2011. V. 7, iss. 4. P. 459-463. DOI: 10.5194/astra-7-459-2011. Vashenyuk E.V., Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B. Features of relativistic solar proton spectra derived from ground level enhancement events (GLE) modeling. Astrophysics and Space Sciences Transactions. 2011, vol. 7, iss. 4, pp. 459-463. DOI: 10.5194/astra-7-459-2011. Velinov P.I.Y., Balabin Yu.V., Maurchev E.A. Calculations of enhanced ionization in strato-troposphere during the greatest ground level enhancement on 23 February 1956 (GLE 05) // Compt. rend. Acad. bulg. Sci. 2017. V. 70, N 4. P. 545-554. Velinov P.I.Y., Balabin Yu.V., Maurchev E.A. Calculations of enhanced ionization in strato-troposphere during the greatest ground level enhancement on 23 February 1956 (GLE 05). Compt. rend. Acad. bulg. Sci. 2017, vol. 70, no. 4, pp. 545-554. URL: http://ruscosmics.ru (дата обращения 10.06.2019). URL: http://ruscosmics.ru (accessed June 10, 2019). URL: http://ruscosmics.ru/CR.htm (дата обращения 10.06.2019). URL: http://ruscosmics.ru/CR.htm (accessed June 10, 2019).