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.
