INTERACTIONS DES RAYONS COSMIQUES AVEC L’ATMOSPHERE TERRESTRE : SIMULATIONS ET EFFETS PHYSIQUES

Abstract

This Master’s thesis explores the interactions of cosmic rays with the Earth’s atmosphere using an approach combining numerical modeling and data analysis. The EXPACS tool, based on the PARMA analytical model derived from Monte Carlo simulations (PHITS), was used to calculate the fluxes of secondary particles (neutrons, protons, muons, electrons, photons) and associated doses in the atmosphere. The Python programming language, along with the NumPy, Pandas, and Matplotlib libraries, was employed to process, analyze, and visualize the EXPACS results. Parametric studies were conducted to quantify the influence of altitude, latitude (via geomagnetic cutoff rigidity), and solar activity (heliospheric modulation) on the radiation field. The results confirm the Pfotzer maximum at altitude, the differential absorption of secondary components, the marked increase in fluxes and dose with altitude and towards high latitudes (latitude effect), as well as the expected anti-correlation with solar activity (modulation). This work provides a pedagogical and quantitative understanding of this essential phenomenon in astroparticle physics, geophysics, and radiation protection. ------------------------------------------------------------------------ تستكشف هذه المذكرة تفاعلات الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي للأرض، وذلك باستخدام منهج يجمع بين النمذجة العددية وتحليل البيانات. تم استخدام أداة EXPACS، المستندة إلى نموذج PARMA التحليلي المستنبط من محاكاة مونت كارلو(PHITS) ، لحساب تدفقات الجسيمات الثانوية (النيوترونات، البروتونات، الميونات، الإلكترونات، الفوتونات) والجرعات المرتبطة بها في الغلاف الجوي. استُخدمت لغة البرمجة بايثون، مع مكتبات NumPy و Pandas وMatplotlib ، لمعالجة وتحليل وتصور نتائج .EXPACS أُجريت دراسات بارامترية لتحديد تأثير الارتفاع، وخط العرض (عبر صلابة القطع المغناطيسية الأرضية)، والنشاط الشمسي (التعديل الهليوسفيري) على حقل الإشعاع. تؤكد النتائج على وجود حد أقصى لفوتزر عند الارتفاعات العالية، والامتصاص التفاضلي للمكونات الثانوية، والزيادة الملحوظة في التدفقات والجرعة مع الارتفاع ونحو خطوط العرض العليا (تأثير خط العرض) ،بالإضافة إلى التباين المتوقع مع النشاط الشمسي (التعديل). يوفر هذا العمل فهمًا تعليميًا وكميًا لهذه الظاهرة الأساسية في فيزياء الجسيمات الفلكية، والجيوفيزياء، والوقاية من الإشعاع. ----------------------------------------------------------------------- Ce mémoire de Master explore les interactions des rayons cosmiques avec l’at-mosphère terrestre en utilisant une approche combinant modélisation numérique et analyse de données. L’outil EXPACS, basé sur le modèle analytique PARMA issu de simulations Monte Carlo (PHITS), a été employé pour calculer les flux de particules secondaires (neutrons, protons, muons, électrons, photons) et les doses associées dans l’atmosphère. Le langage de programmation Python, avec les bibliothèques NumPy, Pandas et Matplotlib, a été utilisé pour traiter, analyser et visualiser les résultats d’EXPACS. Des études paramétriques ont été menées pour quantifier l’influence de l’altitude, de la latitude (via la rigidité de coupure géomagnétique) et de l’activité solaire (modulation héliosphérique) sur le champ de rayonnement. Les résultats confirment le maximum de Pfotzer en altitude, l’absorption différentielle des composantes secondaires, l’augmentation marquée des flux et de la dose avec l’altitude et vers les hautes latitudes (effet de latitude), ainsi que l’anti-corrélation attendue avec l’activité solaire (modulation). Ce tra-vail fournit une compréhension pédagogique et quantitative de ce phénomène essentiel en physique des astroparticules, géophysique et radioprotection.