Радиационный разрез атмосферы | Астрономические мероприятия и наблюдения звездного неба в Крыму!

Радиационный разрез атмосферы

Как-то раз родилась у меня мысль исследовать распределение радиации в нашей атмосфере с высотой. Идея вот в чем. Поскольку частичками гамма-излучения являются фотоны с высокой энергией, оно не отклоняется магнитным полем, значит его уровень в конкретной точке не зависит от широты местности, а зависит только от толщины атмосферы над этой точкой (для космического гамма-излучения). Природный фон (от планеты) обычно очень невелик и на уровень гамма-излучения в нашей атмосфере влияния не оказывает. Солнечные вспышки могут давать заметный вклад в космическое гамма-излучение, но они происходят нечасто и эти события постоянно отслеживаются, поэтому вычесть их из результатов моих наблюдений не представляет труда. К тому же вероятность вспышки непосредственно во время проведения измерений (30 мин) довольно мала. Таким образом, уровень гамма-излучения на определенной высоте должен дать информацию о количестве атомов воздуха расположенных выше точки измерения, то есть об атмосферных неоднородностях.

Пути реализации. Идеальным вариантом представляется запуск метеорологического шара-зонда с GPS-трекером и дозиметром, способными записывать данные на флешку. Этот проект крайне интересен, но затратен в отношении времени и финансов, поэтому он еще ждет своего часа. А пока было решено провести пробные измерения при помощи подручных средств - Аэробуса А-320 :)

измерение радиации в самолете

Проба пера. Впервые я взял дозиметр МКС-05 "Терра-П" на борт в мае 2015го, по дороге на Астрофест в Москву. Игрушка довольно толковая, может мерить как гамму (в микрозивертах в час), так и бету и записывать данные в память. Но с добыванием их из памяти я пока не разобрался, а при измерении беты, как выяснилось уже в самолете, прибор истошно пищит, заставляя коситься окружающих. В результате первые измерения я проводил в гамме и чисто визуально. Сразу обнаружился довольно заметный рост уровня гаммы на высотах от 3-4км и странная нестабильность показаний даже когда самолет двигался на одной высоте.

Кстати, дозиметр чувствителен к гамма-излучению в диапазоне энергий от 0,05 до 3,0 МэВ. Предел погрешности 25%.

Второй эксперимент. В конце июня мне предстояла поездка в Тарусу (Калужская обл.) на фотометрическую конференцию и в Пермь, в замечательный летний лагерь Центра развития одаренности. На этот раз, помимо дозитметра и ЖПС (в телефоне HighScreen Booost II SE) я вооружился блокнотом :) Основная трудность в реализации моего исследования заключалась в отсутствии мест у окна. А в других местах ЖПС почти не ловил спутники, да и привлекал внимание стюардесс. Как следствие, подробные измерения удалось провести только на маршруте Симферополь-Москва и Пермь - Симферополь.

Радиация над Симферополем

Рис. 1. Взлет из Симферополя

Радиация над Симферополем

Рис. 2. Посадка в Симферополе

Процесс измерений простой. Во время взлета и посадки я держу ЖПС у окошка, и через каждые 500м изменения высоты записываю текущий уровень радиации в микрозивертах. Периодически ЖПС терял спутники, но в большинстве случаев быстро находил их снова, лишь пару высот мне пришлось пропустить.

Обработка. Excel упорно не желал рисовать нормальные кривые, и выручил меня Олег Кутков со специальной утилитой gnuplot (Линукс). Подробное описание процесса создания графика - ЗДЕСЬ.

Радиация над Москвой

Рис. 3. Посадка в Москве

Радиация над Пермью

Рис. 4. Взлет из Перми

Результаты. Графиков пока только четыре, из них всего два относятся к одному и тому же месту, поэтому говорить о какой-либо статистике не приходится. Тем не менее, бросаются в глаза общие черты у всех кривых. По оси Икс отложена высота в метрах, по оси Игрек уровень гамма-излучения в микрозивертах в час.

Прежде всего явно видно, что все зависимости близки к экспоненциальным. На графиках, относящихся к атмосфере над Симферополем (рис. 1 и 2), можно выделить несколько характерных областей, где происходит заметное изменение уровня гаммы. От земли до примерно 3500м рост радиации минимален. На высоте 3500м - 4000м рост гаммы заметно возрастает и остается таким примерно до 7000м. На 7000м скорость роста снова возрастает и до примерно 10000м остается постоянной.

Московский график (рис. 3) показывает те же характерные изломы на высотах 10000м, 8000м, 4000м.

Пермский график (рис. 4) оказался более плавным. Излом на 10000м отсутствует, до этой высоты мы так и не поднялись. Зато перегибы на 7000м и 4000м - на месте, хотя и не такие резкие, как над Симферополем. Следует отметить, что графики Москва-Симферополь почти слились, а графики Пермь-Симферополь заметно расходятся, начиная от высоты 6000м.

В процессе полета самолета на высотах 10000м - 10700м уровень радиации нестабилен, очень сильно меняется. Из Перми мы летели на высоте 9200м и также я отмечал существенные колебания уровня радиации в пределах 1.4 - 1.7 микрозиверта на шкале времени в десятки минут. На графиках это не отражено.

Наличие изгибов графиков на одних и тех же высотах (если оно подтвердится последующими измерениями) говорит о наличии определенной слоистости в атмосфере - областей где плотность воздуха меняется с другой скоростью. Стоит попытаться описать это математически.

Рис. 5. Измерения Пермь и Симферополь (взлет)

Рис. 6. Измерения Москва и Симферополь (посадка)

На перспективу. В следующий раз любопытно было бы исследовать флуктуации радиации при полете самолета на одной высоте (к примеру, записывая показания дозиметра каждые 10мин). Похоже, что верхние слои атмосферы довольно неоднородны на масштабах в десятки и сотни километров (масштаб, я имею ввиду погоризонтали), стоит попытаться нащупать величину (линейные размеры и степень изменения радиации) этих неоднородностей, посмотреть зависимость от широты и долготы и выяснить причину их появления. Также хочется провести повторные измерения в тех же точках (Симферополь, Москва, Пермь), чтобы выявить сезонные вариации радиации. И конечно же надо брать серьезный Гармин, ибо смартфон общается со спутниками "на Вы" и это вносит погрешности в результаты замеров.

Июль 2015,

Назаров С. В.