太阳活动周期中大气质量对高能宇宙射线介子的影响

摘要

探测到的宇宙射线介子的速率取决于大气质量、介子产生水平的高度和温度。修正这些参数的变化对于了解初级宇宙射线的性质是很重要的。本文利用2002-2012年KACST介子探测器的数据，研究了大气质量(这里用大气压表示)对宇宙射线的影响。分析是通过计算气压系数()的回归分析。的变化在不同的时间尺度上进行了研究。结果显示了一个季节性的循环9月最大，3月最小。利用阿德莱德介子探测器的数据，发现了不同的月变化。气压系数在年际尺度上表现出相当大的变异性。年际变化的研究指示了周期变化，最大值在2008 - 2009年，最小值在2002 - 2003年。这种变化趋势与太阳黑子数代表的太阳活动是反相关的。这一发现与每年的趋势相比较对阿德莱德介子探测器进行了相同时间的观测，发现了类似的趋势。

1.介绍

探测到的宇宙射线介子的速率取决于许多气象因素，主要是气压效应、介子产生水平的高度和温度效应[1- - - - - -4］.必须对这些因素的局部变化进行校正，以确定初级宇宙射线的性质[5，6］.温度效应一般由从起源层到探测层的大气总体廓线决定，而气压效应仅由海平面上的压力决定。被探测到的宇宙射线的速率取决于穿过探测器上方的物质的数量，而大气压力被作为这种质量的衡量标准[7- - - - - -11］.

得到一个适当的气压计系数是很重要的对大气压力的计数率作可靠的修正。

几项研究揭示了气压系数的值取决于若干因素，例如所探测的次级分量的性质和该地点的地磁纬度[12- - - - - -16］.

本文利用KACST介子探测器11年的宇宙线数据，推导和研究了气压计系数的分布在不同的时间尺度上。

2.仪器和方法

宇宙线测量是通过安装在利雅得(lat)的KACST介子探测器获得的。24 43;长。46个40;alt。613;Rc = 13gev)沙特阿拉伯2002年至2012年期间的数据。有关此探测器及校正程序的详细说明载于[17- - - - - -20.］.

该探测器由1000 mm × 1000 mm × 50 mm的塑料闪烁体组成，通过光电倍增管(PMT)观察。光电倍增管的输出通过连接到PC卡的模拟-数字转换器进行放大和数字化。气压和实验室温度由当地设计的传感器即时测量。

由于难以维持长达一年的测量数据，在测量期间，探测器在运行中出现了一些停机时间，导致数据丢失。我们在某一天线性插值多达5个连续丢失的数据点。没有考虑更大的差距，有大量缺失数据的日子被排除在分析之外。用于计算气压系数的数据选取在没有大的太阳耀斑、磁暴或福布什衰减的时间段。

次级宇宙射线的强度随大气压力的变化而变化，15，21］在哪里宇宙射线在压力下的速率是多少和为气压系数。为小时的密集阅读和压力，关系可以写成和为所考虑时段内强度和压力的平均值。对每一天的μ子强度和大气压力的小时值进行了最小二乘拟合，并得到了获得(图1）.了解气压系数按月、日的分布情况值被分成12类。为了调查季节变化，数据被分为四个季节组。取日的十二个月平均值来研究年变化值。

(一)

(b)

(c)

3.结果与讨论

3．1.分布

数字2表示计算的日值的频率分布为2717天。该分布的偏度和峰度分别为−0.632和2.12。范围为−0.61%/hPa ~−0.001%/hPa，平均值为−0.18±0.001%/hPa。这种变化范围之广可归因于几个因素。例如，局部、区域和大尺度的大气条件变化会严重改变探测器上方的大气质量。此外，一些影响介子观测或大气压力的地外因素也不能排除[22］.很明显，大气系数的广泛范围支持这样一种想法，即测定对于任何宇宙射线探测实验和调制研究都是非常重要的[16，21，23- - - - - -25］.

数字3.展示了使用不同的值的多样性为了纠正大气压力对μ子速率的影响。它展示了一个月来收集的数据。这三个使用的值为11年的值()，为当月取得的值()，以及11年价值的两倍(）.可以看出，由这三个系数得到的校正数据的相位在所有时刻都是一致的。然而，观察到的差异率约为1.7%和2.4%之间-和-，分别在某些时期发现。在某些情况下，超过1%被认为是一个很大的变化，特别是在研究某些宇宙射线的变化，如日变化和Forbush减少[25，26］.上述结果清楚表明，在进行宇宙射线调制研究之前，应仔细选择合适的压力校正[27］.基于以上结果，我们建议是利雅得任何压力校正最合适的值。

3．2.每月的变化

月变化研究期间的数据如图所示4．从3月到5月，气压系数略有增加，约为4%。然后，它急剧增加，在9月达到最大值，然后开始再次减少。最大增幅约为月平均值的30%。值得注意的是每月平均气温的变化在某些月份符合月平均变化规律，但不是全部。

11月和12月出现了偏差(从11年的平均值，)少于2%。2月、4月和8月的偏差约为10%。3月、5月和7月的偏差分别为−6.374%、−8.477%和5.289%。6月的偏差最小，为−0.072%，9月的偏差约为15%。

用于比较的是2003-2012年阿德莱德介子探测器的宇宙线数据[4］.对月宇宙射线强度与大气压力之间进行最小二乘拟合，得到气压系数。每月的变化，如图所示5．很明显，尽管阿德莱德探测器的技术规格与我们的探测器几乎相同，但它的月变化与我们的相反。大气系数在冬季(南半球)最大，夏季最小。拥有相同探测系统的两个监测站之间的月差异不能仅仅是温度变化的原因。这一事实表明，需要考虑其他因素，如其他气象和大气原因。

3．3.季节性的变化

表格1表示的平均值、最大值和最小值为了四季。的均值、最小值和最大计算偏差从提出了。


季节	的意思是 % / hPa	Max。 % / hPa	分钟。 % / hPa	意味着开发。％	Max。dev。％	分钟开发。％

秋天	−0.1841	−0.605	−0.008	0.636	230.601	−95.628
春天	−0.1869	−0.559	−0.003	2.140	205.464	−98.360
夏天	−0.1651	−0.517	−0.001	−9.753	182.513	−99.453
冬天	−0.158	−0.480	−0.011	−13.261	162.295	−93.989

对数据的检验表明，最低的平均值先是冬天，接着是夏天。秋季和春季有几乎相同的平均值，它们的偏差是最小的。秋季最大(−0.605)，春季最小(−0.559)是在夏天和春天。很明显，这些值与是非常高的。

数字6呈现季节(年际)变化．除了2004年的一次无法解释的下降外，在这段时间里，所有季节的总趋势是逐渐减少从2002年开始，2008年达到最低。然后，从一个季节到另一个季节，它开始以不同的水平增加。

由于需要详细的信息和不同类型的数据来源，因此对造成这种变化的机制进行调查超出了本研究的范围。

3．4．年度变化

数字7(一)显示了12个月的平均值(年度值)。这一时期观测到的主要趋势是大气系数从2002年开始逐渐下降(−0.22)，并在2009年保持在最小值(−0.13)附近。然后，它又开始增加。

(一)

(b)

每年变化的趋势如其他几个人所指出的(例如，[26),和其他人)。在这方面，月平均太阳黑子数(SSN)被用作太阳活动的指标。这些数据来自美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和美国国家地球物理数据中心(NGDC)的太阳地球物理数据(SGD)。这两个参数之间的关系如图所示7(一)．这表明在这两个参数之间存在着密切的联系与SSN成反比。数字7 (b)年变化之间的关系也相同和SSN，但用于阿德莱德μ子探测器。然而，以前的研究[28表明，中子监测仪测得的气压系数与SSN之间存在正相关关系。在本研究中发现两个μ子探测器之间的一致性(二者之间的逆关系)和SSN)可能在某种程度上与宇宙射线μ子的温度效应有关。这个问题是正在进行的研究课题。

4.结论

介子探测器的大气校正是假定压力、介子产生高度和温度。本文给出了大气校正的第一步，即对探测器上方总质量(以大气压力表示)的校正。气压系数()，采用KACST介子探测器获得的2002-2012年大气压力和宇宙线数据进行回归分析。人们发现，气压系数的取值范围很广。这一结果证明，需要通过对大气压力和宇宙射线通量的长期监测来确定合适的气压系数。的变化在不同的时间尺度上进行了研究。结果显示了一个季节性的循环，在一定程度上符合气温的月平均变化规律。来自阿德莱德介子探测器(与我们的探测器相同，但位于南半球)的数据显示了这一点冬季达到最大值，夏季达到最小值。然而，对于这两个地点之间的差异，还没有明确的解释。

气压系数在年际尺度上表现出相当大的变异性。无法得出明确的结论;然而，研究区域空气质量频率的年际变化可能是一个原因。年际变化的研究指示了周期变化，最大值在2008 - 2009年，最小值在2002 - 2003年。这种变化的趋势与太阳活动呈反相关关系，以太阳黑子数为代表。这一发现与阿德莱德介子探测器获得的数据一致。

大气温度和介子产生水平的高度对宇宙射线介子的影响是正在进行的研究活动的主题。

利益冲突

本论文不存在利益冲突

致谢

作者要感谢阿卜杜勒阿齐兹国王科技城(KACST)对这项工作的支持。澳大利亚阿德莱德大学高能天体物理学小组因提供μ子探测器数据而受到高度认可。他们也感谢审稿人提供的宝贵意见和建议。

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