Вестник КРАУНЦ.Физ.-мат. науки. 2021. Т. 34. №1. C. 114-121. ISSN 2079-6641

Содержание выпуска/Contents of this issue


MSC 86A10

Research Article

Dependence of cosmic ray component in background of atmosphere surface from solar magnetic activity

A. S. Zelinskiy¹, G. A. Yakovlev²

¹Tomsk Polytechnic University, 30 Lenina ave., Tomsk, 634050, Russia
²Tomsk State University, 36 Lenina ave., Tomsk, 634050, Russia

E-mail: azelinskiys@yandex.ru

Using Geant4 toolkit the changes of the flux density and of the dose rates of the secondary cosmic radiation at the heights up to 50 m from the land surface (at a depth of atmosphere about 1030 g/cm²) and depending on solar magnetic activity were estimated. For changes of Wolf’s number (sunspots) in the range of 0 — 200 the flux density of reflected from air and the soil g- and b- particles changes from 5.7 to 7 and 0.10 – 0.13 m-²s-¹ respectively, for energy from 0 keV to several units of GeV in the ground atmosphere on one meter from the earth. These estimates are much lower than those estimates, for radiation created by the soil and atmospheric radionuclides, which had been received earlier. In comparison with a contribution of radionuclides of the soil of flux density of secondary cosmic radiation about 0.01% and 0.1%, for gamma and beta radiation respectively. The received assessment of the dose rate transferred by secondary cosmic radiation about 0.7% from rate of the formed by soil’s radionuclides. In addition, an assessment of change in characteristics of secondary cosmic radiation depending on the level of solar magnetic activity presented in work. It is found that change of radiometric and dosimetric characteristics of secondary cosmic radiation depending on solar magnetic activity can be over 40%. It well repeats the changes of a dose found during a transcontinental flight. We found that the optimal average energy of spectrum of primary protons is 2.7 GeV. We can apply this feature to standards to find the most intensive periods of a secondary space gamma radiation and to use them in the experimental data, without involving the use of the Geant4. We have not found any significant contribution of secondary cosmic radiation reflected from the earth’s surface. This allows us to refuse from taking into account the soil layer in the model.

Keywords: simulation, cosmic radiation, Geant4, Monte-Carlo, atmosphere, background radiation, Wolf’s numbers.

DOI: 10.26117/2079-6641-2021-34-1-114-121

Original article submitted: 05.02.2021

Revision submitted: 05.03.2021

For citation. Zelinskiy A. S., Yakovlev G. A. Dependence of cosmic ray component in background of atmosphere surface from solar magnetic activity. Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2021, 34: 1, 114-121. DOI: 10.26117/2079-6641-2021-34-1-114-121

Competing interests. The authors declare that there are no conflicts of interest regarding authorship and publication.

Contribution and Responsibility. All authors contributed to this article. Authors are solely responsible for providing the final version of the

The content is published under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.ru)

© Zelinskiy A. S., Yakovlev G. A., 2021


УДК 550.35

Научная статья

Зависимость компоненты космического луча на фоне поверхности атмосферы от солнечной магнитной активности

А. С. Зелинский¹, Г. А. Яковлев²

¹Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30
²Томский государственный университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 36

E-mail: azelinskiys@yandex.ru

С помощью инструментария Geant4 было произведено моделирование плотности потока и мощности дозы вторичного космического излучения на высотах до 50 м от поверхности земли (на глубине атмосферы около 1030 г/см²) и оценена их зависимость от солнечной магнитной активности. Для чисел Вольфа (количества пятен) в диапазоне от 0 до 200, плотность потока отраженных от воздуха и почвы g- и b-частиц изменялась от 5.7 до 7 и 0.10 — 0.13 м-²с-¹ соответственно для энергии от 0 кэВ до нескольких единиц ГэВ в приземной атмосфере на расстоянии одного метра от земли. Эти оценки намного ниже полученных ранее оценок для излучения, создаваемого почвенными и атмосферными радионуклидами. В сравнении с вкладом радионуклидов почвы в плотность потока, вклад вторичного космического излучения составляет около 0.01% и 0.1% для гамма- и бета-излучения соответственно. Полученная оценка мощности дозы, передаваемой вторичным космическим излучением, составляет около 0.7% от мощности дозы от радионуклидов из почвы. Кроме того, в работе представлена оценка изменения характеристик вторичного космического излучения в зависимости от уровня солнечной магнитной активности. Установлено, что изменение радиометрических и дозиметрических характеристик вторичного космического излучения в зависимости от солнечной магнитной активности может превышать 40%. Полученные результаты позволяют отказаться от учета слоя почвы в представленной модели.

Ключевые слова: моделирование, космическое излучение, Geant4, Монте-Карло.

DOI: 10.26117/2079-6641-2021-34-1-114-121

Поступила в редакцию: 05.02.2021

В окончательном варианте: 05.03.2021

Для цитирования. Zelinskiy A. S., Yakovlev G. A. Dependence of cosmic ray component in background of atmosphere surface from solar magnetic activity // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2021. Т. 34. № 1. C. 114-121. DOI: 10.26117/2079-6641-2021-34-1-114-121

Конкурирующие интересы. Авторы заявляют, что конфликтов интересов в отношении авторства и публикации нет.

Авторский вклад и ответственность. Все авторы участвовали в написании статьи и полностью несут ответственность за предоставление окончательной версии статьи в печать. Окончательная версия рукописи была одобрена всеми авторами.

Контент публикуется на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International

© Зелинский А. С., Яковлев Г. А., 2021


  1. Mitchell A. L., Kouzes R. T., Borgardt J. D., “Contribution to Gamma Ray Background Between 0 and 4 MeV”, 2009.
  2. Inan S., Ertekin K., Seyis C., Simsek S., Kulak F., Dikbas A., Tan O., Ergintav S., Cakmak R., Yoruk A., Cergel M., Yakan H., Karakus H., Saatcilar R., Akcig Z., Iravul Y., Tuzel B., “Multi-disciplinary earthquake researches in Western Turkey: Hints to select sites to study geochemical transients associated to seismicity”, Acta Geophysica, 58:5 (2010), 767–813.
  3. Moreno V., Bach J., Font Ll., Baixeras C., Zarroca M., Linares R., Roqu´e C., “Soil radon dynamics in the Amer fault zone: An example of very high seasonal variations”, 151:1 (2016), 293–303.
  4. Yakovlev, G., Cherepnev, M., Nagorskiy, P., & Yakovleva, V., “Investigation of features in radon soil dynamics and search for influencing factors”, AIP Conference Proceedings, 1938:1 (2018), 020014.
  5. Agostinelli S., Allison J., Amako K. A., Apostolakis J., Araujo H., Arce P. et al, “GEANT4— a simulation toolkit”, Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 506:3 (2003), 250–303.
  6. Yakovleva V. S., Karataev V. D., Zukau V.V., “Modeling of atmospheric fields of gamma- and beta-radiations formed by soil radionuclides”, Bulletin KRASEC, Physical & Mathematical Sciences, 1:2 (2011), 64–73.
  7. ISO 5878, Reference Atmospheres for Aerospace Use, 1982.
  8. Tomsk Observatory of Radioactivity and Ionizing Radiation,
    http://portal.tpu.ru/portal/page/portal/torii/eng/Main, Retrieved on: 1 Feb 2021.
  9. Gomez-Coral D. M., Rocha A. M., Grabski V., Datta, A., von Doetinchem P., Shukla A., “Deuteron and antideuteron production simulation in cosmic-ray interactions”, Physical Review D, 98:2 (2018), 023012.
  10. MacFarlane R. E., Data testing of ENDF/B-VI, International Conference on Nuclear Data for Science and Technology, Los Alamos Labarotory preprint, LA-UR-94-1541, Gatlinburg, Tennessee, 1994.
  11. ISO 15390, Space environment (natural and artificial) – Galactic cosmic ray model, 2004.
  12. Georgievskii D. V., Shamolin M. V., “Sessions of the workshop of the mathematics and mechanics Department of Lomonosov Moscow State University,“Urgent problems of geometry and mechanics” named after VV Trofimov”, 161:5 (2009), 603–614.
  13. Nymmik R. A., “Time lag of galactic cosmic ray modulation: conformity of general regularities and influence of particle energy spectra”, Advances in Space Research, 26:11 (2000), 1875–1878.
  14. Sources and Effects of Ionizing Radiation United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation UNSCEAR 2008 Report to the General Assembly, with Scientific Annexes, Volume I, United Nations, New York, 2010.
  15. Royal Observatory of Belgium, Brussels, http://www.sidc.be/silso/home, Retrieved on: 1 Feb 2021.

Зелинский Алексей Сергеевич – аспирант, Томский политехнический университет, г. Томск, Россия, ORCID 0000-0002-4737-3790.

Zelinskiy Alexey Sergeevich – postgraduate student, Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia, ORCID 0000-0002-4737-3790.

Яковлев Григорий Алексеевич – студент Томского государственного университета, г. Томск, Россия, ORCID 0000-0001-7842-5672.

Yakovlev Grigory Alekseevich — student of Tomsk State University, Tomsk, Russia, ORCID 0000-0001-7842-5672.