Solar-Terrestrial Physics Solar-Terrestrial Physics Солнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics 2712-9640 57614 10.12737/szf-92202305 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Precipitation-related increase events of the electromagnetic component of secondary cosmic rays: Spectral analysis Связанные с осадками события возрастания электромагнитной компоненты вторичных космических лучей: спектральные измерения и анализ 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;

 Гвоздевский Борис Борисович Gvozdevsky Boris Borisovich gvozdevsky@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Маурчев Евгений Александрович Maurchev Evgeniy Aleksandrovich maurchev@pgia.ru Михалко Евгения Александровна Mikhalko Evgeniya Aleksandrovna mikhalko@pgia.ru 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 КНЦ РАН Апатиты Россия Polar Geophysical Institute KSC RAS Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт Россия Полярный геофизический институт Russian Federation 29 06 2023 29 06 2023 9 2 41 51 10 03 2023 04 04 2023 https://naukaru.ru/en/nauka/article/57614/view

Представлены результаты измерений дифференциальных спектров электромагнитного излучения в диапазоне 0.1–4 МэВ, возникающего в атмосфере как компонента вторичных космических лучей. Мониторинг спектров выполнялся в 2022–2023 гг. с помощью спектрометра на основе кристалла NaI(Tl). Основной целью измерений являлось определение спектральных характеристики электромагнитного излучения во время событий возрастания, когда поток электромагнитного излучения из атмосферы увеличивается на десятки процентов по отношению к среднему уровню. На основе тщательного анализа спектров многих десятков событий делается вывод: хотя линии естественных радионуклидов присутствуют в спектрах и вносят свою долю, их суммарный вклад в события возрастания составляет ~0.1 от полной энергии, привнесенной при возрастании. Делается однозначный вывод, что эффект возрастания электромагнитного излучения при осадках не обусловлен наличием радионуклидов в осадках.

We report the measurement results of differential spectra of electromagnetic radiation in the range 0.1–4 MeV, which occurs in the atmosphere as a component of secondary cosmic rays. Spectral monitoring was performed using a spectrometer based on the Nai (TL) crystal in 2022–2023. The main purpose of the measurements was to determine spectral characteristics of the electromagnetic radiation during increase events, when the electromagnetic radiation flux from the atmosphere rises by tens of percent with respect to the background level. From a thorough analysis of the spectra of many dozens of events, we have drawn a conclusion that although the lines of natural radionuclides are present on the spectra and contribute their share, their total contribution to the increase events is ~0.1 of the total energy supplied during an increase. We unambiguously conclude that the effect of increasing electromagnetic radiation during precipitation is not due to the presence of radionuclides in precipitation.

 вторичные космические лучи электромагнитное излучение сцинтилляционный детектор дифференциальный спектр радионуклиды возрастание secondary cosmic rays electromagnetic radiation scintillation detector differential spectrum radionuclides increase Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 18-77-10018 The work was financially supported by the Russian Science Foundation (Grant No. 18-77-10018)

Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Энергоиздат, 1985. 267 с. Abramov A.I., Kazanskii Yu.A., Matusevich E.S. Osnovy eksperimental’nykh metodov yadernoi fiziki [Fundamentals of Experimental Methods of Nuclear Physics]. Moscow, Jenergoizdat Publ., 1985, 267 p. (In Russian). Алексеенко В.В., Лидванский А.С., Петков В.Б., Хаердинов Н.С. О разных типах возрастаний космических лучей перед разрядами молний. Изв. РАН. Сер. физ. 2002. Т. 66, № 11. C. 1581-1584. Alexeenko V.V., Khaerdinov N.S., Lidvansky A.S., Petkov V.B. Transient variations of secondary cosmic rays due to atmospheric electric field and evidence for pre-lightning particle acceleration. Phys. Lett. A. 2002a, vol. 301, iss. 3-4, pp. 299-306. DOI: 10.1016/S0375-9601(02)00981-7. Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б., Вашенюк Э.В. Вариации естественного рентгеновского фона в полярной атмосфере. Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 3. С. 376-386. DOI: 10.7868/S0016794014020023. Alekseenko V.V., Lidvansky A.S., Petkov V.B., Haerdinov N.S. About different types of increase in space rays before lightning categories. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya [Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics]. 2002b, vol. 66, no 11, pp. 1581-1584. (In Russian). Балабин Ю.В., Германенко А.В., Михалко Е.А. и др. Наблюдение вариаций потоков вторичных космических лучей во время морской экспедиции в Северном Ледовитом океане. Изв. РАН, сер. физ. 2022. Т. 86, № 3. С. 360-364. DOI: 10.31857/S0367676522030036. Balabin V.V., Germanenko A.V., Gvozdevsky B.B., Vashenyuk E.V. Variations in the natural X-ray background in the polar atmosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 2014, vol. 54, no. 3, pp. 347-356. DOI: 10.1134/S0016793214020029. Гайтлер В. Квантовая теория излучения. М.: Изд-во иностр. лит., 1956. 492 с. Balabin Y.V., Germanenko A.V., Mikhalko E.A., Maurchev E.A., Larchenko A.V. Observing variations in secondary cosmic ray fluxes during a sea expedition in the Arctic Ocean. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2022, vol. 86, no. 3, pp 285-289. DOI: 10.3103/S1062873822030030. Германенко А.В., Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. Расчет функций эффективности регистрации сцинтилляционных детекторов NаI (Tl) и сравнение работы модели с данными реального эксперимента. Труды Кольского научного центра РАН. 2019. Т. 10, № 8-5. С. 82-87. DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.8.82-87. de Mendonca R.R.S., Raulin J.-P., Bertoni F.C.P., Echer E., Makhmutov V.S., Fernandez G. Long-term and transient time variation of cosmic ray fluxes detected in Argentina by CARPET cosmic ray detector. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, iss. 11-12, pp. 1410-1416. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.09.034. Григорьев И.С., Мелихов Е.З. Физические величины: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1231 с. Dorman L.I. Meteorologicheskie effekty kosmicheskikh luchei [Meteorological Effects of Cosmic Rays]. Moscow, Nauka Publ., 1972, 212 p. (In Russian). Гуревич А.В., Зыбин К.П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. Успехи физических наук. 2001. Т. 171, № 11. C. 1177-1199. DOI: 10.3367/UFNr.0171.200111b.1177. Dorman L.I. Eksperimental’nye i teoreticheskie osnovy astrofiziki kosmicheskikh luchei [Experimental and Theoretical Foundations of Astrophysics of Cosmic Rays]. Moscow, Nauka Publ., 1975, 402 p. (In Russian). Дорман Л.И. Метеорологические эффекты космических лучей. М.: Наука, 1972. 212 с. Dwyer J.R., Rassoul H.K., Al-Dayeh M., Caraway L., Wright B., Chrest A., Uman M.A., et al. A ground level gamma-ray burst observed in association with rocket-triggered lightning. Geophys. Res. Lett. 2004, vol. 31, iss. 5, L05119. DOI: 10.1029/2003GL018771. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М.: Наука, 1975. 402 с. Dwyer J.R., Uman M.A., Rassoul H.K., Al-Dayeh M., Caraway L., Jerauld J., Rakov V.A., et al. Energetic radiation produced during rocket-triggered lightning. Science. 2003, vol. 299, no. 5607, pp. 694-697. DOI: 10.1126/science.1078940. Зорина Л.В., Бураева Е.А., Давыдов М.Г., Стасов В.В. Радионуклид 210Pb в атмосферных аэрозолях в приземном слое воздуха и метеопараметры г. Ростова-на-Дону. Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2008. № 5. C. 108-113. Germanenko A.V., Balabin Yu.V., Vashenyuk E.V., Gvozdevsky B.B., Schur L.I. High-energy photons connected to atmospheric precipitations. Astrophys. Space Sci. Trans. 2011, vol. 7, iss. 4, pp. 471-475. DOI: 10.5194/astra-7-471-2011. Иваненко И.П. Электромагнитные каскадные процессы. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1972. 176 с. Germanenko A.V., Maurchev E.A., Balabin Yu.V. Calculation of registration efficiency functions of NaI (Tl) scintillation detectors and comparison of model operation with real experiment data. Trudy Kol’skogo nauchnogo tsentra RAN [Proceedings of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2019, vol. 10, no. 8-5, pp. 82-87. (In Russian). DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.8.82-87. Искра А.А., Бахуров В.Г. Естественные радионуклиды в биосфере. М.: Энергоатомиздат, 1981. 123 c. Grigoryev I.S., Melikhov E.Z. Fizicheskie velichiny. Spravochnik [Physical Quantities. Reference book]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1991, 1231 p. (In Russian). Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности: 4-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1991. 352 с. Gurevich A.V., Milikh G.M. Generation of X-rays due to multiple runaway breakdown inside thunderclouds. Phys. Lett. A. 1999, vol. 262, iss. 6, pp. 457-463. DOI: 10.1016/S0375-9601(99)00695-7. Лазутин Л.Л. Рентгеновское излучение авроральных электронов и динамика магнитосферы. Л.: Наука, 1979. 200 с. Gurevich A.V., Zybin K.P. Runaway breakdown and electric discharges in thunderstorms. Physics-Uspekhi. 2001, vol. 44, no. 11, p. 1119. DOI: 10.1070/PU2001v044n11ABEH000939. Лидванский А.С., Петков В.Б., Хаердинов Н.С. Вариации интенсивности мюонов космических лучей вызванные грозовыми электрическими полями. Изв. РАН. Серия физическая. 2004. Т. 68, № 11. С. 1605-1607. Gurevich A.V., Milikh G.M. Roussel-Dupre R. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm. Phys. Lett. A. 1992, vol. 165, iss. 5-6, pp. 463-468. DOI: 10.1016/0375-9601(92)90348-P. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 752 с. Hayakawa S. Cosmic Ray Physics: Nuclear and Astrophysical Aspects. New York, Wiley Interscience Publ., 1969, 774 p. Миронычев П.В. Космические мюоны в грозовых электрических полях. Геомагнетизм и аэрономия. 2003. Т. 43, № 5. С. 702-707. Heitler W. The Quantum Theory of Radiation. Oxford, Clarendon Press, 1936, 252 p. Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. М.: Изд-во МГУ, 1988. 320 с. Iskra A.A., Bakhurov V.G. Estestvennye radionuklidy v biosfere [Natural Radionuclides in the Biosphere]. Moscow, Jenergoatomizdat Publ., 1981, 123 p. (In Russian). Петрова Т.Б., Микляев П.С., Власов В.К. и др. Вариации содержания 7Be в приземном слое атмосферы на средних широтах. Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. 2009. Т. 50, № 5. C. 396-401. Ivanenko I.P. Elektromagnitnye kaskadnye protsessy [Electromagnetic Cascade Processes]. Moscow, Moscow State University Publ., 1972, 176 p. (In Russian). Хаякава С. Физика космических лучей. Ч. 1: Ядерно-физический аспект; Ч. 2: Астрофизический аспект. М.: Наука, 1974. 1042 с. Kozlov V.F. Spravochnik po radiatsionnoi bezopasnosti. 4 izdanie [Radiation Safety Handbook. 4th edition], Moscow, Jenergoatomizdat Publ. 1991, 352 p. (In Russian). Шишаев В.А., Белоглазов М.И. Автоматический регистратор атмосферных осадков. Приборы и техника эксперимента. 2011. № 2. С. 156-158. Lazutin L.L. Rentgenovskoe izluchenie avroral’nykh elektronov i dinamika magnitosfery [X-ray Emission of Auroral Electrons and Dynamics of the Magnetosphere]. Leningrad, Nauka Publ., 1979, 200 p. (In Russian). Alexeenko V.V., Khaerdinov N.S., Lidvansky A.S., Petkov V.B., Transient variations of secondary cosmic rays due to atmospheric electric field and evidence for pre-lightning particle acceleration. Phys. Lett. A. 2002. Vol. 301, iss. 3-4. P. 299-306. DOI: 10.1016/S0375-9601(02)00981-7. Lee M.S. Gamma-ray Exposure Rate Monitoring by EnergySpectra of NaI (Tl) Scintillation detectors. Journal of Radiation Protection and Research. vol. 42, iss. 3, pp. 158-165. DOI: 10.14407/jrpr.2017.42.3.158. de Mendonca R.R.S., Raulin J.-P., Bertoni F.C.P., et al. Long-term and transient time variation of cosmic ray fluxes detected in Argentina by CARPET cosmic ray detector. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. Vol. 73, iss. 11-12. P. 1410-1416. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.09.034. Lidvansky A.S., Petkov V.B., Haerdinov N.S.Cosmic ray muon intensity variations caused by thunderstorm electric fields. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya [Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics]. 2004, vol. 68, no 11, pp. 1605-1607. (In Russian). Dwyer J.R., Uman M.A., Rassoul H.K., et al. Energetic radiation produced during rocket-triggered lightning. Science. 2003. Vol. 299, no. 5607. P. 694-697. DOI: 10.1126/science. 1078940. Matveev L.T. Kurs obshchei meteorologii [The Course of General Meteorology]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1984, 752 p. (In Russian). Dwyer J.R., Rassoul H.K., Al-Dayeh M., et al. A ground level gamma-ray burst observed in association with rocket-triggered lightning. Geophys. Res. Lett. 2004. Vol. 31, iss. 5. L05119. DOI: 10.1029/2003GL018771. Mironychev P.V. Cosmic muons in thunderstorm electric fields. Geomagnetism and Aeronomy. 2003, vol. 43, no. 5, pp. 654-659. Germanenko A.V., Balabin Yu.V., Vashenyuk E.V., et al. High-energy photons connected to atmospheric precipitations. Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. Vol. 7, iss. 4. P. 471-475. DOI: 10.5194/astra-7-471-2011. Muraki Y., Axford W.I., Matsubara Y., Masuda K., Miyamoto Y., Menjyou H., Sakakibara S., et al. Effects of atmospheric electric fields on cosmic rays. Phys. Rev. 2004, vol. 69, 123010. DOI: 10.1103/PhysRevD.69.123010. Gurevich A.V., Milikh G.M. Generation of X-rays due to multiple runaway breakdown inside thunderclouds. Phys. Lett. A. 1999. Vol. 262, iss. 6. P. 457-463. DOI: 10.1016/S0375-9601(99)00695-7. Murzin V.S. Vvedenie v fiziku kosmicheskikh luchei [Introduction to the Physics of Cosmic Rays]. Moscow, MSU Publ., 1988, 320 p. (In Russian). Gurevich A.V., Milikh G.M., Roussel-Dupre R. Runaway electron mechanism of air breakdown and preconditioning during a thunderstorm. Phys. Lett. A. 1992. Vol. 165, iss. 5-6. P. 463-468. DOI: 10.1016/0375-9601(92)90348-P. Petrova T.B., Miklyayev P.S., Vlasov V.K., Afinogenov A.M., Kirjukhin O.V. Variations in the content of 7Be in a ground layer of the middle latitude atmosphere. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 2. Himiya [Bulletin of Moscow University. Series 2. Chemistry]. 2009, vol. 50, no. 5, pp. 396-401. (In Russian). Lee M.S. Gamma-ray exposure rate monitoring by energy spectra of NaI (Tl) scintillation detectors. Journal of Radiation Protection and Research. 2017. Vol. 42, iss. 3. P. 158-165. DOI: 10.14407/jrpr.2017.42.3.158. Shishaev V.A., Beloglazov M.I. Automatic recorder of atmospheric precipitation. Pribory i tehnika eksperimenta [Instruments and Technique of Experiment]. 2011, no. 2, pp. 156-158. (In Russian). Muraki Y., Axford W.I., Matsubara Y., et al. Effects of atmospheric electric fields on cosmic rays. Phys. Rev. 2004. Vol. 69. 123010. DOI: 10.1103/PhysRevD.69.123010. Torii T., Sugita T., Tanabe S., Kimura Y., Kamogawa M., Yajim K., Yasuda H.Gradual increase of energetic radiation associated with thunderstorm activity at the top of Mt. Fuji. Geophys. Res. Lett. 2009, vol. 36, iss. 13, L13804. DOI: 10.1029/2008GL037105. Torii T., Takeishi M., Hosono T. Observation of gamma-ray dose increase associated with winter thunderstorm and lightning activity. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, no. D17. 4324. DOI: 10.1029/2001JD000938. Torii T., Takeishi M., Hosono T. Observation of gamma-ray dose increase associated with winter thunderstorm and lightning activity. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. D17. p. 4324. DOI: 10.1029/2001jd000938. Torii T., Sugita T., Tanabe S., et al. Gradual increase of energetic radiation associated with thunderstorm activity at the top of Mt. Fuji. Geophys. Res. Lett. 2009. Vol. 36, iss. 13. L13804. DOI: 10.1029/2008GL037105. Zorina L.V., Buraeva E.A., Davydov M.G., Stasov V.V. Radionuclide 210Pb in atmospheric aerosols in a ground layer of air and meteoparameters of Rostov-on-Don. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskii region. Seriya: Estestvennye nauki [Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Sciences]. 2008, no. 5, pp. 108-113. (In Russian). URL: https://rp5.ru (дата обращения 22 февраля 2023 г.). URL: https://rp5.ru (accessed February 22, 2023).