1957-1958 г

УДК 550.389.2
РОССИЙСКАЯ СЕТЬ НЕЙТРОННЫХ МОНИТОРОВ КАК ЧАСТЬ
МИРОВОЙ СЕТИ: ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ.
Е. Ерошенко, А. Белов, В. Янке.
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Пушкова
РАН, Троицк (Московская обл.)
e-mail: erosh@izmiran.ru
Приводится история развития сети станций космических лучей в СССР- Российской Федерации,
начало которой восходит еще к суровым военным годам (1944-45). Сеть непрерывно работает по
настоящее время, пройдя путь от механических способов регистрации до современных
электронных систем сбора и обработки информации с представлением данных в Интернет в
реальном времени.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время мировая сеть нейтронных мониторов насчитывает около 50
действующих станций, среди которых 14 непрерывно работающих российских станций
космических лучей. На рис. 1 приведена карта распределения детекторов КЛ по земному
шару с нанесенными изолиниями жесткостей геомагнитного обрезания, которые являются
своеобразной магнитной характеристикой каждой точки Земли для приходящих
заряженных космических частиц. Как видно, российские станции занимают довольно
обширную область на Земле: от 78N и 67S-полярных широт (Баренцбург и Мирный) до
43N (6.4 ГВ) – Баксан; от 14E (Баренцбург) до 180Е (м. Шмидта), сканируя при этом более
половины небесной сферы по долготе.
Рис. 1. Распределение детекторов космических лучей по земному шару.
2. ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС
История вариаций космических лучей в России (точнее, в бывшем СССР) началась
(официально) с 11 апреля 1944 г., когда приказом № 27 по НИИЗМ (научноисследовательский Институт земного магнетизма) была создана под руководством Е.С.
Глоковой лаборатория по исследованию вариаций космических лучей. Были установлены
счётчики Гейгера - Мюллера, объединенные в телескоп для регистрации общей
ионизующей компоненты космических лучей. Этим было положено начало непрерывной
регистрации космических лучей и изучению их морфологии. Располагалась лаборатория в
Москве, в здании Московского университета на Моховой улице, а сам НИИЗМ (его
основные кадры и лаборатории) все еще оставался на Урале - в Косулино, куда был
эвакуирован с начала второй мировой войны.
Рис. 2. Н. В. Пушков. Основатель и первый директор ИЗМИРАН (НИИЗМ-НИЗМИРИЗМИРАН). Руководил Институтом с 1940 по 1969 год
Основатель и первый директор ИЗМИРАН (тогда еще НИИЗМ) Н. В. Пушков был
человеком редкой эрудиции, широкого кругозора и с такой энергетикой и увлеченностью
своим делом, что это позволило не только сохранить и расширить Институт в труднейшее
военное время, но довести его впоследствии до академического уровня и сделать
всемирно известной организацией, ведущей приоритетные направления в исследовании
земного магнетизма и солнечно-земных связей.
Уже в те годы Н. В. Пушков считал, что для объективного и качественного прогноза
солнечно-земных явлений необходимы фундаментальные исследования и комплексные
наблюдения различных параметров. При планировании новых комплексных магнитоионосферных станций (сети обсерваторий) в реестр необходимых исследований
включались также наблюдения Солнца и космических лучей. В тяжелейшие военные годы,
в Косулино, 1 октября 1943 г., на заседании учёного совета обсуждался вопрос об
организации станции космических лучей, что в дальнейшем привело к созданию в
НИИЗМ крупного отдела космических лучей.
Рис. 3 Е.С. Глокова. Работала в лаборатории Космических лучей НИИ Земного
магнетизма с 1944 г., где ей было поручено организовать непрерывную регистрацию
космических лучей. С созданием сети станций КЛ в Союзе Глокова Е.С. принимает
активное участие в методическом и научном руководстве работой этих станций. В 1955 г.
защитила кандидатскую диссертацию.
В 1946 году под руководством Е. С. Глоковой была завершена организация станции
космических лучей, которая с 1945 г. вела непрерывные наблюдения и проводила
усовершенствование имеющейся и создание новой аппаратуры. Основной задачей 1946
года являлось изготовление счетчиков, переход с механической записи на
фоторегистрацию, испытание всей установки при продолжительной регистрации. С июля
1946 года прибор установлен на непрерывную фоторегистрацию.
12 марта 1947 года состоялся Ученый Совет НИИЗМ, где отмечалось, что проблема
изучения космических лучей занимает внимание ученых всего мира. Доказано
взаимодействие КЛ с земной атмосферой, установлена связь с магнитными явлениями,
что еще более должно подтолкнуть НИИЗМ к расширению работы в области изучения КЛ.
Наряду с исследовательской работой в НИИЗМ, необходимо организовать новые станции
космических лучей в пунктах СССР на разных широтах (Москва, Якутск, Ереван,
Ташкент, Орджоникидзе). Вопросом изучения КЛ в СССР в то время, кроме НИИЗМ,
никто непосредственно не занимался, и поэтому НИИЗМ становится руководящим и
координирующим центром в развитии сети и исследовании вариаций КЛ. Шафер Ю.Г. с
участием проф. Вернова С.Н., сконструировали прибор непрерывной регистрации КЛ
(первые ионизационные камеры небольшого объема - 20 л), который в это время должен
был стать основным детектором КЛ в лаборатории. Однако для повышения точности и
эффективности наблюдений необходимо было начинать работать на пропорциональных
счетчиках. Была намечена модернизация прибора таким образом, чтобы регистрировать
отдельно мягкую и жесткую компоненты космических лучей. Кроме того, начаты расчеты
и проектирование большой ионизационной камеры (давление 50 атм., точность
регистрации 0.01%.час) с тем, чтобы в 1948 году осуществить ее выпуск, а до июня 1948
года построить 10 камер. Проводилась корреляция суточных данных с атмосферным
давлением и приземной температурой, м были получены барометрический и
температурный коэффициенты для ионизующей компоненты. Был проведен анализ
вариаций КЛ во время магнитных бурь 31.10.1946, 18.04.1947, 3.09.1947 года,
исследовался суточный ход интенсивности.
В 1948 году был принят перспективный план работ на 1949-1955 годы. Намечено
значительное расширение работ в Красной Пахре (НИИЗМ), создание сети станций по
Союзу, а также экспедиционные измерения на самолетах и судах с целью изучения
широтного и долготного эффектов. В план работы лаборатории КЛ на 1948 год входили:
1. Непрерывная регистрация КЛ (регистрация общей интенсивности, раздельная
регистрация мягкой и жесткой компоненты КЛ);
2. Исследования связи КЛ с магнитными явлениями; исследование барометрического и
температурного эффектов при использовании аэрологических данных давления и
температуры; периодические вариации КЛ;
3. Усовершенствование аппаратуры: изготовление счетчиков Гейгера-Мюллера,
исследования внутреннего температурного эффекта изготовляемых счетчиков,
изготовление усилителей Джонсона и пересчетных схем, сбор установки для проверки
счетчиков Гейгера-Мюллера.
Летом 1949 года молодыми научными сотрудниками НИИЗМ Н.В.Зеровой и Г.В.
Тянутовой при содействии и под руководством Ю.Г.Шафера были созданы две
ионизационные камеры С-1 и С-2.
Рис. 4. Ионизационная камера АСК-1, установленная в Якутске в 1953 г.
Одна из камер (С-2) с 1949 г. была поставлена на непрерывную регистрацию в Якутске,
вторая оставлена в Москве (С-1). С их помощью было зарегистрировано первое наземное
возрастание солнечных КЛ 19-20 ноября 1949 г. (GLE04, рис. 5). Впоследствии, в 1953 г. в
Якутске была установлена новая камера АСК-1, гораздо большего объема (950 л), которая
непрерывно работает по настоящее время (Рис.4).
Рис. 5. Первое наземное возрастание КЛ, зарегистрированное российскими детекторами
КЛ – ионизационными камерами С-1 (Москва) и С-2 (Якутск) 19 ноября 1949 г.
Рис 5. Прием китайского ученого в НИИЗМе в 195? г. Слева направо: Н. В.
Пушков, Л.И. Дорман, китайский гость, Ю.М. Копылов (с 1954 по 196 заведующий
отделом КЛ, сменивший Е.С. Глокову), профессор МГУ С. Н. Вернов,
впоследствии- академик Российской АН.
В 1951 году под руководством профессора МГУ С.Н.Вернова и директора НИИЗМ
Н.В.Пушкова советские ученые приступили к созданию сети станций. Начало было
положено организацией станции космических лучей в Свердловске (установленной
Н.С.Каминером) и в Иркутске (установленной О.И. Иноземцевой). На четырех станциях (в
Москве, Свердловске, Иркутске, и Тбилиси) были организованы наблюдения космических
лучей с помощью ионизационных камер объемом 50 куб. литров. Наблюдения в Москве
были начаты с 1949 года, в Якутске - с 1949г., в Свердловске - с1952 года, в Иркутске - с
1952 года и в Тбилиси - с 1953 года.
5 марта 1955 года на заседании Ученого Совета НИИЗМ Л.И.Дорманом докладывалась
первая диссертационная работа "О природе вариаций космических лучей", в которой
наиболее полно для того времени были представлены результаты исследований КЛ и
сделаны попытки объяснения природы различных классов вариаций КЛ. В 1957 г. им
была издана книга «Вариации космических лучей», которая до сих пор является своего
рода полезным пособием для студентов и специалистов в этой области.
3. МЕЖДУНАРОДНЫЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ГОД И ДАЛЕЕ
Значительное расширение исследований космических лучей приходится на период МГГ 1957-1958 г.г[Распопов.]. Это был поистине огромный по размаху физический
эксперимент с проведением геофизических наблюдений по целому комплексу дисциплин,
синхронно, по единому плану, координированному с мировой научной общественностью:
в проекте участвовало около 80 000 ученых из 67 стран (примерно две трети всех
существовавших тогда государств мира). Как и в других странах, в Советском Союзе
также был создан специальный комитет для координации усилий в государственном
масштабе по подготовке и проведению МГГ (Советский комитет при МГГ), одним из
заместителей председателя которого был Н. В. Пушков. Размах геофизических
исследований в нашей стране во время МГГ был беспрецедентен даже по меркам
настоящего времени.
К этому времени создаётся нейтронный монитор по проекту Симпсона (Simpson, 1948)
для регистрации нейтронной компоненты, и на многих станциях мировой сети (42
станции) с июля 1957 г. началась непрерывная регистрация нейтронной компоненты. В
СССР первыми такими станциями были Алма-Ата (806м) и Якутск, с 1958 г. к ним
добавились Москва (6 января 1958 г. в 9 часов утра станция КЛ НИЗМИР включена на
непрерывную регистрацию) Иркутск, Мурманск, о. Хейса. К 1958 г. в Якутске комплекс
подземных телескопов для регистрации направленной мюонной компоненты на разных
уровнях был полностью запущен в эксплуатацию. До 1970 г. Якутский спектрометр
космических лучей был единственным в мировой практике. Впоследствии появились
подобные устройства в Японии, Австралии, США, Англии и Грузии.
В 1957 - 1958 г.г. работа шла по плану Международного геофизического года (МГГ) и в
1959 г. по программе Международного геофизического сотрудничества (МГС).
Практически, МГС было прямым продолжением МГГ. К этим мероприятиям готовились
очень серьёзно. Было создано дополнительно большое количество ионосферных станций,
магнитных обсерваторий, станций космических лучей. 15 сентября 1957 г. при НИЗМИР
был создан Мировой центр данных (МЦД - Б2), куда должны были поступать в порядке
обмена материалы наблюдений со всего мира, и, в то же время, все материалы,
получаемые на Советских станциях и станциях Европейско-Азиатского региона,
отправлялись в другие МЦД - в Соединенные Штаты Америки и в Японию. Было
налажено очень хорошее взаимопонимание и контакты между учёными всех стран.
В 60-е годы международная научная активность по регистрации и исследованию вариаций
КЛ продолжает возрастать, работы ведутся с не меньшим энтузиазмом и в более широком
масштабе, объединенные общей задачей – МГСС (Международный Год Спокойного
Солнца). В 1964 г. Кармайклом [Hatton and Carmichael, 1964] был разработан новый тип
нейтронного монитора НМ64 на пропорциональных счетчиках большого размера (для
улучшения статистической точности), и началось переоснащение старых станций и
оборудование новых такими супермониторами.
Рис. 6. Нейтронный супермонитор (НМ64), разработанный в Канаде Кармайклом в 1964 г.
В 1966 г. был приобретен в Канаде и установлен в Тикси первый в СССР нейтронный
монитор 12НМ64. Остальные станции СССР не имели возможности закупить такое
дорогое оборудование. Было решено наладить собственное производство больших
нейтронных счетчиков СНМ-15.
Рис. 7. Я.Л. Блох, организатор изготовления счетчиков СНМ-15 и версии нейтронного
монитора НМ64 для советской сети станций, а также оснащения этих станций
современными мониторами. Заведующий отделом КЛ с 1962 по 1965 гг.
Рис. 8. Первая автоматизированная система регистрации МАРС, использующая телетайпы
для вывода информации.
Основной проблемой являлось получение специального очищенного газа для наполнения
счетчиков. Молодой научный сотрудник Я.Л. Блох совместно с грузинскими учеными
решил эту проблему и организовал изготовление супермониторов на Московском заводе
ФИЗПРИБОР. Конечно, разработка, производство, испытание счетчиков и новой
аппаратуры, сборка НМ64 потребовали немалого времени, но к концу 60-х (1967-69гг)
было выпущено 15 установок, и буквально за несколько лет в СССР была создана новая
сеть, оснащенная стандартной аппаратурой. К действующим ранее добавились станции:
Алма-АтаБ (3300м), Ташкент, Ереван, Киев, Норильск, Новосибирск, Магадан, Мыс
Шмидта, Иркутск 2 и 3 (2000 и 3000м). В этих установках была предусмотрена новая
система регистрации МАРС с автоматической записью на телетайпы (цифровые и
перфоленты), что позволяло перейти от ручной обработки данных к машинной. Это был
существенный скачок от механических и фоторегистраторов, и эти системы проработали
непрерывно до 90-х годов, когда началась эра персональных компьютеров (в России).
Одновременно с расширением сети развивались научные исследования, появлялись
ценные научные результаты, разрабатывались новые методы исследования, создавались
самостоятельные научные группы и научные институты на базе сложившихся научных
коллективов (ПГИ, ИКФИА, СибИЗМИР, ИКИ ДВО РАН). Но всю историю развития сети
станций и науки о вариациях КЛ ИЗМИРАН оставался лидирующей организацией,
курировал работу сети, насколько было возможно, и постоянно оказывал научнометодическую и техническую помощь станциям КЛ. С работ Л. И. Дормана практически
началась целая школа по исследованию вариаций КЛ в СССР.
Менялись заведующие отделом (с 1944 года Е. С. Глокова, с 1954 года Ю.М. Копылов, с
1962г. Я.Л. Блох, с 1965 года Л.И. Дорман и с 1994 года В.Г. Янке) и директора
Интститута, да и сам Институт сменил свой статус и название - теперь уже это ИЗМИРАН,
входящий в структуру Академии Наук с 1960 г.. В 1968-69 гг. Н.В. Пушков покинул свой
пост и передал дела новому директору В.В. Мигулину. В 70-е годы произошла передача
многих магнито-ионосферных наблюдений в службу Госгидромета, и после этого сеть
магнитных и ионосферных станций в России полностью деградировала. Отдел вариаций
КЛ ИЗМИРАН считает своей заслугой, что в эти бурные годы ему удалось отстоять
продолжение регистрации КЛ на старых местах и принадлежность станций тем
институтам, где они создавались, сохранить российскую сеть в целом. Удалось отстоять
принцип, что данные должны принадлежать тем, кто с ними непосредственно работает и
знает, для чего и как их использовать – только в этом случае владелец будет заботиться о
качестве данных и их непрерывности.
4. НОВОЕ ПОКОЛЕНИЕ РЕГИСТРАТОРОВ
В 1989 г. в ИЗМИРАН был создан первый регистратор КЛ с использованием компьютера
и автоматической системы сбора и обработки информации.
Рис. 8. Первый регистратор НМ нового поколения и его создатели:
В.Г. Янке и В. Г. Картышев.
Затем такая система (несколько усовершенствованная) в 1994-95 гг. была установлена в
Киле (Германия), заменив старый регистратор на основе телетайпа. В июле 1997 г.
впервые за историю наблюдений часовые данные НМ ст. Москва начали публиковаться на
сайте в Интернет в реальном времени (http://cr0.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm). Вслед за
этим последовала модернизация регистрирующей системы НМ на многих российских
(Апатиты, Алма-Ата- Б, Иркутск, Норильск, Якутск, б. Тикси) а также мировых станциях
КЛ, и число публикаций данных с открытым доступом в режиме реального времени стало
непрерывно расти, что наглядно демонстрируется на рис.(ХХ).
Космический отдел ИЗМИРАН всегда работал в тесном контакте с Международными
Центрами данных МЦД-Б2 (Москва) и МЦД-С (Япония), оказывая самую
непосредственную и существенную помощь в формировании баз данных по наблюдениям
нейтронной компоненты КЛ (перевод табличных данных в машиночитаемый вид, сбор
данных с мировой сети, контакты с учеными разных станций, проверка данных советской,
а затем российской сети станций), в налаживании оперативного обмена данными, в
переводе данных в различные единые форматы. С развитием методов исследования и
мировой науки, базирующейся на данных измерений нейтронной компоненты, стало ясно,
что по данным одной только станции невозможно получить достаточно полную
информацию о динамике межпланетной среды, которую способны обеспечить
приходящие к Земле частицы в области энергий 0.5-100 ГэВ. Методы глобальной съемки,
«кольца станций», спектрографический метод, методы исследования протонных
возрастаний после мощных солнечных вспышек значительно расширили наши
возможности и позволяют получать уникальные характеристики КЛ, но они требуют
данных с большего числа станций и более оперативного их поступления, а для задач
космической погоды и вовсе нужны данные в реальном времени. Поскольку в области
исследования вариаций КЛ не существует специальной координирующей структуры,
ИЗМИРАН взял на себя инициативу и труд по созданию базы данных с мировой сети
нейтронных мониторов с целью обеспечения стандартной архивации данных и
оперативного обмена ими. Такая работа на станции КЛ ИЗМИРАН ведется непрерывно с
90-х годов. Данные, наряду с комплектацией их по годам и по станциям, проходят также
проверку на качество (главным образом, это дрейфы и скачки, обусловленные
нестабильной работой аппаратура или сменой счетчиков и элементов электроники) и
хранятся как в первозданном (initial) виде, так и в скорректированном на аппаратурные
дефекты. Все данные отправляются в Международные Центры МЦД-Б2 (Москва) и МЦДС (Япония), но самое главное, они выставлены в Интернет с постоянным обновлением
http://cr0.izmiran.rssi.ru/mosc/main.htm, и доступны всем пользователям научного
сообщества.
Рис. 9. Поведение плотности (А10) и экваториальной составляющей анизотропии
КЛ (Аxy), полученных методом глобальной съемки, во время одного из первых,
зарегистрированных наземными установками, Форбуш эффекта. На нижней панели
приведены индексы геомагнитной активности за этот период.
Кроме базы часовых данных нейтронных мониторов в ИЗМИРАН существует архив 1-и 5минутных данных за отдельные периоды, собраны данные по наземным возрастаниям КЛ
(ftp://cr0.izmiran.rssi.ru/COSRAY!/FTP_GLE/), которые также доступны для широкого
круга пользователей. Кроме того, здесь разработаны и активно используются различные
базы данных по событиям в КЛ и сопутствующим наблюдениям (база данных по
протонным возрастаниям, по Форбуш эффектам и т.п.). В последний год стала доступна
для пользователей база данных БД-А10, содержащая результаты расчетов по мировой сети
станций методом глобальной съемки часовых характеристик плотности и анизотропии КЛ
(http://cr20.izmiran.rssi.ru/AnisotropyCR/Index.php) практически за весь период наземных
наблюдений (1957-2006). На рис.9 приведен пример использования такой базы –
поведение параметров вариаций КЛ за пределами магнитосферы во время одного из
первых зарегистрированных сетью Форбуш эффектов - в январе 1958 г. – в первый месяц
работы станции Москва.
В настоящее время российская сеть станций космических лучей насчитывает 15
нейтронных мониторов с современной системой регистрации, обеспечивающей обработку
и анализ качества часовых данных, а также представление их в Интернет в режиме
реального времени. На рис. 10 представлены среднемесячные вариации КЛ относительно
1976 г. по станциям, формирующим российскую сеть на данном этапе. Как видно, самый
долгий
Рис. 10. Среднемесячные вариации КЛ относительно 1976 г. по данным 14 станций
Российской сети нейтронных мониторов за весь период наблюдений.
период наблюдений имеют Москва, Иркутск, Якутск, Апатиты. Вместе с ними начинал
Мирный (Антарктика), но потом он был закрыт на долгое время и реанимирован только в
2007 г. С конца 60-х – начала 70-х проводят наблюдения б. Тикси, Магадан, Новосибирск,
Норильск (тоже имевший длительный перерыв с 1981 по 2000 гг.). С конца 80-х
подключились два высокогорных уровня в Иркутске, а совсем недавно заработали две
новые станции: в Баренцбурге и Баксане. Пять приполярных станций (Апатиты,
Баренцбург, Норильск, Тикси и М. Шмидта) участвуют в Международном проекте “Space
Ship Earth” ( Космический корабль Земля), проводимом Бартольским Исследовательским
Институтом (США). К сожалению, пока не все станции способны поддерживать сайты в
реальном времени из-за проблем с интернет связью. Самые удаленные – Мирный, м.
Шмидта, Магадан – пока обеспечивают ежедневную посылку данных по электронной
почте. ИЗМИРАН продолжает курировать работу российских станций, оказывая научнометодическую, техническую и посильную финансовую помощь через участие в грантах и
проектах РФФИ, хотя делать это становится труднее и труднее из-за абсолютного
отсутствия притока молодых кадров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Распопов О. М., Кузьмин И. А., Харин Е. П. К 50-летию Международного Геофизического
Года (1957-1958): от Международного Полярного года (1882-1883) до международного
гелиофизического года (2007-2008) и Международного Полярного года (20072009)//Геомагнетизм и Аэрономия. Т. 47. №1. С. 3-10. 2007
Simpson, J.A., The Latitude Dependence of neutron Densities in the Atmosphere as a function of
Altitude// Phys. Rev. V. 73 N.1. P.389, 1948
Hatton, C. J., and Carmichael, H. Experimental Investigation of the NM-64 Neutron Monitor.
Canadian J. Phys. 42, 2443-2472, 1964
Raspopov O.M., Kuz”min I. A., and Kharin E. P. The 50th Anniversary of International
Geophysical Year (1957-1958): from the First International Polar Year (1882-1883) to the
International Heliophysical Year (2007-2008) and International Polar Year (2007-2009).
Geomagnetizm &Aeronomy, V.47, N 1, p. 3-7, 2007
Simpson, J.A., The Latitude Dependence of neutron Densities in the Atmosphere as a function of
Altitude. Phys. Rev 73, 1, 389, 1948
Hatton, C. J., and Carmichael, H. Experimental Investigation of the NM-64 Neutron Monitor.
Canadian J. Phys. 42, 2443-2472, 1964