КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ


КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

       
поток элем. ч-ц высокой энергии, преим. протонов, приходящих на Землю прибл. изотропно со всех направлений косм. пр-ва, а также рождённое ими в атмосфере Земли в результате вз-ствия с ат. ядрами воздуха вторичное излучение, в к-ром встречаются практически все известные элем. ч-цы. Среди первичных К. л. различают высоко-энергичные (вплоть до 1021 эВ) галактические К. л. (ГКЛ), приходящие к Земле извне Солн. системы; и солнечные К. л. (СКЛ) умеренных энергий (?1010 эВ), связанные с активностью Солнца.
Существование К. л. было установлено в 1912 австр. физиком В. Ф. Гессом по производимой ими ионизации воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение; отклонение их в магн. поле (амер. физик Р. Э. Милликен, 1923; Д. В. Скобельцын, 1927; С. Н. Вернов, 1935) доказало, что К. л. представляют собой поток заряж. ч-ц. В 30—40-х гг. проводились интенсивные исследования вторичной компоненты К. л. с помощью камеры Вильсона, газоразрядных счётчиков, яд. фотоэмульсий. С 50-х гг. центр тяжести науч. исследований постепенно перемещается в сторону изучения первичных К. л. В 80-е гг. регистрация разл. компонент К. л. в широком диапазоне энергий проводится наземной мировой сетью станций (на уровне моря, в горах, шахтах), в стратосфере, на ИСЗ, на межпланетных автоматич. станциях.
В исследовании К. л. чётко выделяются два осн. аспекта — космофизический и ядерно-физический. В первом занимаются изучением природы К. л., их происхождения, состава, энергетич. спектров, временных вариаций, связи разл. явлений в К. л. с хар-ками среды, в к-рой происходит их движение; исследуются возможные источники К. л., механизмы ускорения ч-ц и т. п. Во втором направлении изучаются вз-ствия К. л. высоких энергий с в-вом, генерация элем. ч-ц в атмосфере и их св-ва. Этот аспект тесно примыкает к физике ч-ц высоких энергий. Именно детальное изучение зарядов и масс ч-ц вторичных К. л. привело к открытию таких элем. ч-ц, как позитрон, мюоны, p- и К-мезоны, L-гиперон. К. л. ещё долго будут оставаться уникальным источником ч-ц сверхвысоких энергий, т. к. в самых больших совр. ускорителях макс. достигнутая энергия пока ещё =1014 эВ.
Энергетический спектр. Большое значение для определения источника К. л. имеет тщательное измерение их спектров. В интервале энергий от 1010 до 1015 эВ (рис. ) интегр. спектр всех ч-ц ГКЛ описывается степенной ф-цией ?-g с пост. показателем степени g»1,7 (? — полная энергия). Как видно из этого выражения и рис., интенсивность тем больше, чем меньше энергия ч-цы. Однако при энергиях ?<1010 эВ этот рост замедляется и практически совсем прекращается при ??109 эВ (спектр становится плоским). Это значит, что в ГКЛ почти нет ч-ц очень малых энергий. При больших энергиях в интервале 1015— 1017 эВ падение интенсивности происходит быстрее, с g»2,2. «Излом»
КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ
Энергетич. спектр косм. лучей: а — дифф. спектр протонов и ос-частиц умеренных энергий; б, в — интегр. спектры всех ч-ц в области высокой и сверхвысокой энергий. Точки — данные наблюдений.
Состав ГКЛ. Поток К. л. у Земли равен =1 частице (см2•с). Более 90% ч-ц первичных К. л. всех энергий составляют протоны, 7% — a-частицы и лишь небольшая доля (1%) приходится на ядра более тяжёлых элементов. Такой состав прибл. соответствует ср. распространённости элементов во Вселенной с двумя существ. отклонениями: в К. л. значительно больше лёгких (Li, Be, В) и тяжёлых ядер с Z?20. Согласно совр. представлениям, «обогащение» К. л. тяжёлыми ядрами явл. следствием более эффективного их ускорения в источнике по сравнению с лёгкими ядрами. А большое кол-во ядер Li, Be, В по сравнению со ср. распространённостью связано с расщеплением тяжёлых ядер при столкновениях с ядрами атомов межзвёздной среды. Из наблюдаемого кол-ва ядер лёгкой группы и изотопного состава ядер Be получены оценки расстояния, проходимого К. л. в межзвёздной среде (=3 г/см2), и времени жизни К. л. в Галактике (=3•107 лет). В составе К. л. имеются также эл-ны (1%), обнаружение к-рых (1961) в необходимом кол-ве экспериментально подтвердило гипотезу о синхротронной природе косм. радиоизлучения. Благодаря этому появилась возможность исследовать К. л. не только вблизи Земли, но и в удалённых областях Галактики с помощью радиоастр. методов. Радиоастр. данные показали, что К. л. более или менее равномерно заполняют всю Галактику.
С помощью энергетич. спектра можно вычислить поток и плотность энергии К. л. в пр-ве. Плотность энергии ГКЛ составляет прибл. 10-12 эрг/см3=0,6 эВ/см3, что сравнимо по порядку величины с плотностью всех др. видов энергии: гравитац., магн., кинетич. энергии движения межзвёздного газа. Для решения вопроса об источнике К. л. привлекаются данные астрофизики и радиоастрономии. Как показывают оценки, наблюдаемую величину плотности энергии К. л. могут обеспечить вспышки сверхновых звёзд, к-рые происходят в нашей Галактике не реже одного раза в сто лет, и образующиеся при этом пульсары. Отсюда можно предполагать, что К. л. имеют галактическое (а не метагалактическое) происхождение. Ускорение ч-ц до сверхвысоких энергий может происходить при столкновении с движущимися нерегулярными и неоднородными межзвёздными магн. полями. Хим. состав К. л. формируется при прохождении ими межзвёздной среды. За счёт длит. диффузии в Галактике в межзвёздных магн. полях происходит перемешивание К. л. от разл. источников и достигается наблюдаемая изотропия (=0,1%) косм. излучения.
Вариации К. л. Геомагнитные эффекты. Проникая в Солн. систему, ГКЛ вступают во вз-ствие с межпланетным магн. полем, к-рое формируется намагнич. плазмой, движущейся радиально от Солнца (солнечный ветер). В Солн. системе устанавливается равновесие между конвективным потоком К. л., выносимым солнечным ветром наружу, и потоком, направленным внутрь системы. Влияние межпланетного поля «чувствуют» ч-цы сравнительно небольших энергий (? <1010 эВ), ларморовский радиус к-рых сравним с размерами неоднородностей межпланетного магн. поля. Параметры гелиосферы изменяются с изменением солн. активности в течение 11-летнего цикла, и в ГКЛ наблюдается модуляция интенсивности, наз. 11-летней вариацией. Интенсивность К. л. изменяется в лротивофазе с солн. активностью. Амплитуда вариаций различна для разных энергий.
Попадая в магн. поле Земли, К. л. отклоняются от первонач. направления вследствие действия на них Лоренца силы. На заданную широту вблизи Земли с данного направления приходят только ч-цы с энергией, превышающей нек-рое пороговое значение. Этот эффект наз. геомагнитным обрезанием. Отклоняющее действие геомагн. поля проявляется тем сильнее, чем меньше геомагн. широта места наблюдения. Так, напр., с вертик. направления на экватор попадают протоны только с энергией ???пор»1,5•1010 эВ, на геомагн. широту 51° — с энергией ???пор»2,5•109 эВ. Так как ГКЛ имеют падающий с ростом энергии спектр, на экваторе наблюдается меньшая интенсивность, чем на высоких широтах,— т. н. широтный эффект К. л.
Взаимодействие К. л. с веществом. Попадая в атмосферу Земли, высокоэнергичные протоны и др. ядра К. л. испытывают столкновения с ядрами атомов воздуха (в осн. азота и кислорода). В результате вз-ствия происходит расщепление ядер и рождение неск. нестабильных элем. ч-ц (т. н. множественные процессы). Ср. пробег до яд. вз-ствия в атмосфере для протонов прибл. равен 90 г/см2, что составляет =1/11 часть всей толщи атмосферы, следовательно, протон успеет неск. раз провзаимодействовать с ядрами, прежде чем достигнет поверхности Земли. Поэтому вероятность дойти до уровня моря у первичных К. л. крайне мала. На больших глубинах в атмосфере регистрируется вторичное излучение, разделяемое в соответствии с природой и св-вами на ядерно-активную, мюонную и электронно-фотонную компоненты.
При вз-ствии первичной ч-цы с ядрами атомов воздуха рождаются почти все известные элем. ч-цы, среди к-рых гл. роль играют p-мезоны, как заряженные, так и нейтральные. Нуклоны и не успевшие распасться p±-мезоны образуют ядерно-активную компоненту вторичного излучения. Взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, они, подобно первичной ч-це, рождают новые каскады ч-ц до тех пор, пока их энергия не снизится до ?=109 эВ. На уровне моря остаётся менее 1% ядерно-активных ч-ц.
Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде p±-мезонов (p±®m±+vm (v=m)). Высокоэнергичные мюоны слабо взаимодействуют с в-вом, поэтому они доходят до уровня моря и проникают глубоко под землю. Нейтроны и мюоны вторичного излучения постоянно регистрируются сетью наземных станций. На основе этих измерений исследуются вариации интенсивности первичных К. л.
Возникновение электронно-фотонной компоненты связано с распадом p°-мезонов: p0®2g. В кулоновском поле ядер каждый g-квант рождает электрон-позитронную пару (g®е+ +е-). За счёт тормозного излучения ч-ц этой пары вновь возникают g-кванты, к-рые рождают, в свою очередь, электрон-позитронные пары. Повторение этого процесса приводит к лавинообразному размножению числа ч-ц до тех пор, пока при нек-рой ?крит, преобладающими не станут конкурирующие процессы потери энергии g-квантами и эл-нами (позитронами). После этого происходит затухание каскада. Число ч-ц в максимуме каскада пропорц. энергии первичной ч-цы. Каскады, образующиеся при К. л. с ?>1014 эВ, содержат 106 — 109 ч-ц; они наз. широкими атм. ливнями (ШАЛ). С помощью ШАЛ проводится исследование К. л. в области сверхвысоких энергий.
Солнечные К. л., в отличие от первичных ГКЛ, наблюдаются эпизодически после нек-рых хромосферных вспышек. Частота появления СКЛ коррелирует с уровнем солн. активности: в годы максимума солн. активности регистрируется =10 событий в год с энергией ч-ц ??107 эВ, а в годы минимума — одно или не бывает вовсе.
В СКЛ наблюдаются ч-цы с более низкими (по сравнению с ГКЛ) энергиями; энергии протонов обычно ограничиваются долями ГэВ, иногда достигают неск. ГэВ. Интенсивность СКЛ падает с уменьшением энергии ч-ц резче, чем интенсивность ГКЛ, причём показатель степени интегр. спектра изменяется от события к событию в пределах от 2 до 7. Верх. предел энергии СКЛ точно не установлен. Ниж. граница регистрируемых ч-ц СКЛ составляет десятки кэВ. В большинстве случаев состав СКЛ в интервале ?=(1—3) •107 эВ/нуклон соответствует распространённости элементов на Солнце. Часто наблюдаются вариации в 2—3 раза относит. содержания ядер Не и Fe. Из данных по составу «легких» ядер, как и в случае ГКЛ, получена оценка толщи в-ва, проходимого СКЛ в атмосфере Солнца, составляющая ?0,2 г/см2. Это показывает, что ускорение ч-ц во время солн. вспышки происходит не в глубине солн. атмосферы, а в верхних её слоях — короне или верх. хромосфере. В интервале ?<107 эВ/нуклон потоки СКЛ часто обогащены тяжёлыми ядрами, что указывает на наличие преимуществ. ускорения тяжёлых ядер на Солнце в области малых энергий. Ускорение ч-ц на Солнце интенсивно исследуется благодаря наличию наблюдательных данных по спектрам и потокам СКЛ, полученным с ИСЗ и межпланетных автоматич. станций, а также благодаря процессам, сопровождающим генерацию СКЛ (радиоизлучение, рентг. излучение).
Интенсивность СКЛ различается от события к событию на неск. порядков величины, более интенсивные события наблюдаются, как правило, после сильных хромосферных вспышек. Изменения интенсивности связаны, очевидно, с разными условиями генерации и выхода ч-ц из области ускорения. Наибольшее значение интенсивности измерено после вспышки 4 августа 1972 , оно составило 7 •104 частиц/(см2 •с•ср) для ч-ц с энергией ?:?107 эВ.
Длительность возрастаний интенсивности СКЛ составляет неск. суток для ??107 эВ и неск. часов для больших энергий. В начале возрастаний наблюдается анизотропия ч-ц вдоль силовых линий межпланетного магн. поля.
Значит. рост потока СКЛ вызывает дополнит. ионизацию в ионосфере, обусловливая помехи и прекращение связи на КВ. Интенсивные потоки СКЛ представляют радиац. опасность для косм. полётов.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

(КЛ) - поток заряж. частиц высокой энергии, преим. протонов, приходящих к Земле приблизительно изотропно со всех направлений космич. пространства. Внутрь Солнечной системы КЛ попадают в основном из межзвёздного пространства от источников, расположенных в пределах нашей Галактики,- галактические КЛ (ГКЛ): самые энергичные частицы имеют, по-видимому, внегалактич. происхождение - метагалактичсские КЛ; нек-рая доля КЛ приходит от Солнца после мощных солнечных вспышек - солнечные КЛ (СКЛ). Названные КЛ являются первичными. При вхождении в атмосферу Земли, сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, они образуют большое количество вторичных частиц (протонов, электронов, мезонов, фотонов и др.) - вторичные КЛ, к-рые затем регистрируются приборами на Земле.

Общая характеристика КЛ. Существование КЛ было установлено в 1912 В. Гессом (V. Hoss) по производимой ими ионизации воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение; отклонение КЛ в магн. поле [Р. Милликен (R. A. Millikan), 1923; Д. В. Скобельцын, 1927: С. Н. Вернов, 1935] показало, что первичные КЛ представляют собой поток заряж. частиц.

КЛ напоминают сильно разреженный газ, частицы к-рого практически не сталкиваются друг с другом, по взаимодействуют с веществом и эл.-магн. полями межзвёздного и межпланетного простраиства. Ядра атомов разл. элементов, входящие в состав КЛ, полностью лишены электронов и обладают огромными кинетич. энергиями (вплоть до 2527-15.jpg 1020 эВ). Хотя суммарный поток первичных КЛ на границе с атмосферой Земли невелик (2527-16.jpg1 частица/см 2* с), ср. плотность их энергии (2527-17.jpg1 эВ/см 3) сравнима со ср. плотностью лучистой энергии звёзд в межзвёздной среде, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетич. энергии его турбулентных движений, а также со ср. плотностью энергии магн. поля Галактики.

Важная особенность КЛ - нетепловое происхождение их энергии. Действительно, при темп-ре 109 К, характерной, по-видимому, для звёздных недр, энергия теплового движения частиц не превышает 105 эВ. Осн. же масса частиц КЛ, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 108 эВ и выше. Это означает, что КЛ приобретают энергию в специфич. астрофизич. процессах эл.-магн. и плазменной природы.

Изучение КЛ даёт ценные сведения об эл.-магн. условиях в разл. областях космич. пространства. Круг вопросов, связанных с изучением происхождения КЛ, их состава, спектра, временных вариаций, их роли в астрофиз. явлениях, составляет космофизический аспект КЛ.

С др. стороны, КЛ незаменимы в качестве естеств. источника частиц высокой энергии при изучении элементарной структуры вещества и взаимодействий между элементарными частицами. Исследования такого рода относятся к ядерно-физическому аспекту КЛ. Именно детальное изучение зарядов и масс вторичных КЛ привело к открытию позитронов (1932), мюонов (1937), 2527-18.jpg- и К-мезонов (1947), а также А 0-, 2527-19.jpg -гиперонов. Исследования КЛ в ядерно-физ. аспекте продолжаются в основном с целью определения характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при энергиях 2527-20.jpg>1015 эВ; кроме того, они дают информацию об интенсивности, спектре и анизотропии частиц при 2527-21.jpg 1015-1020 эВ, что очень важно для поиска источников КЛ и механизмов их ускорения. КЛ ещё долго будут оставаться уникальным источником частиц сверхвысоких энергий, т. к. на самых мощных совр. ускорителях макс. достигнутая энергия пока не превышает 1014 эВ.

Методы наблюдения КЛ. Из-за огромного энергетич. диапазона КЛ (106-1020 эВ) методы их регистрации и наблюдения очень разнообразны. Это и наземные счётчиковые установки большой площади для регистрации т. н. широких атм. ливней (см. ниже), и мировая сеть нейтронных мониторов, и счётчиковые телескопы, ионизац. камеры, фотоядерные эмульсии, поднимаемые на аэростатах, геофизич. ракетах, на ИСЗ и межпланетных автоматич. станциях. С развитием космич. техники и радиохимич. методов стало возможным изучать характеристики КЛ по радиоизотопам и трекам, образуемым ими в метеоритах, лунном грунте и т. п.

Используются также косвенные методы изучения КЛ - по наблюдениям радиоизлучения космич. электронов, по данным о гамма-излучении от распада нейтральных пионов, образуемых КЛ в межзвёздном пространстве, по эл.-магн. излучению солнечных вспышек, по эффектам ионизации, вызываемым КЛ в ниж. части ионосферы Земли (особенно в полярных широтах при вторжении СКЛ) и др.

Состав космических лучей. Более 90% частиц КЛ всех энергий составляют протоны, 7% - ядра гелия (2527-22.jpg -частпцы) и лишь небольшая доля (2527-23.jpg1%) приходится на ядра более тяжёлых элементов (эти цифры относятся к частицам с энергией 2527-24.jpg 2,5 ГэВ/нуклон). Относит. содержание ядер элементов в КЛ приведено в таблице.

Относительное среднее содержание ядер элементов в КЛ, на Солнце и в звёздах

Элемент

СКЛ

ГКЛ

Солнце

Звёзды

1 Н

4600*

685

1445

925

2 Не

70*

48

91

150

3Li


0,3

<10-5

<10-5

4Be - 5B

0,02

0,8

<10-5

<10-5

5 С

0,54*

1,8

0,6

0,26

6N

0.20

2527-25.jpg 0,8

0, 1

0, 20

7 О**

1,0*

1,0

1,0

1,0

8F

<0,03

2527-26.jpg 0, 1

10-3

10-4

9Ne

0, 16*

0,30

0,054

0,36

10Na


0, 19

0,002

0,002

12Mg

0, 18*

0,32

0,05

0,04

13Al


0, 06

0,002

0,004

14Si

0, 13*

0, 12

0,065

0,045

15P- 21SC

0,06

0, 13

0, 032

0,024

16S - 20Ca

0,04*

0, 11

0, 028

0,02

22Ti - 28Ni

0,02

0,28

0,006

0,033

23Fe

0, 15*

0, 14

0,05

0,06

* Данные наблюдений для интервала энергий 2527-27.jpg=1 - 20 Мэв/нуклон, остальные цифры в этой колонке относятся к 2527-28.jpg >40 МэВ/нуклон. Точность значений 2527-29.jpg10-50%. ** Количество ядер кислорода принято за единицу.

Такой состав КЛ приблизительно соответствует ср. распространённости элементов во Вселенной с двумя существенными отклонениями: в КЛ значительно больше лёгких ядер (Li, Be, В) и тяжёлых ядер с Z2527-30.jpg20. Большое количество ядер Li, Be, В по сравнению со ср. распространённостью связано, вероятно, с расщеплением тяжёлых ядер при столкновениях с ядрами атомов межзвёздной среды. Из наблюдаемого количества ядер лёгкой группы и изотопного состава ядер Be получены оценки расстояния, проходимого КЛ в межзвёздной среде (2527-31.jpg3 г/см 2, или 2527-32.jpg3*1025 см), и времени жизни КЛ в Галактике (2527-33.jpg108 лет). КЛ содержат также 2527-34.jpg1% релятивистских электронов с энергиями 2527-35.jpg 1 ГэВ, а также позитроны, причём наблюдаемое отношение их интенсивностей составляет 2527-36.jpg0,1. В 1979- 1981 получены эксперим. свидетельства того, что в КЛ значит. количество антипротонов (2527-37.jpg10-4 по отношению к протонам).

Энергетический спектр имеет вид немонотонной кривой с максимумом при 2527-38.jpg 300-500 МэВ/нуклон и минимумом при 2527-39.jpg=20-30 МэВ/нуклон (рис. 1). Уменьшение интенсивности КЛ при 2527-40.jpg400 МэВ/нуклон объясняют модуляцией, оказываемой межпланетными магн. полями, переносимыми солнечным ветром, хотя вид первичного спектра за пределами Солнечной системы неизвестен. Характерный провал в спектре в интервале 10-40 МэВ - вероятно, результат наиболее эфф. рассеяния частиц на неоднородностях межпланетного магн. поля.

2527-41.jpg

Рис. 1. Дифференциальный спектр космических лучей (протонов) с ek2527-42.jpg10 ГэВ в межпланетном пространстве вблизи орбиты Земли в 1965.

В области энергий левее минимума (10 МэВ) спектр испытывает сильные и частые нерегулярные вариации, вызванные потоками СКЛ. Энергетич. спектр СКЛ у Земли сильно меняется от вспышки к вспышке, имеет приблизительно степенной характер с показателем степени 3-7 (см. Солнечные космические лучи). В спокойные периоды, когда потоки СКЛ обладают минимальной интенсивностью и относительно стабильны, в межпланетном пространстве существует квазистационарный фон малоэнергичных КЛ со спектром, показанным на рис. 1 (левее минимума).

Ниж. граница энергии СКЛ неопределённа и составляет 2527-43.jpg106 эВ. Верх. предел энергии СКЛ 2527-44.jpg22527-46.jpg 109 эВ; имеются отд. указания о регистрации солнечных протонов с энергией до 1010 эВ.

В области энергий выше 1010 эВ дифференц. спектр уже не подвержен модуляции и хорошо описывается степенной ф-цией с показателем степени 2527-47.jpg2,7 вплоть до 1015 эВ. При 2527-48.jpg 1015 эВ в спектре имеется излом, спектр становится более крутым (g2527-49.jpg3,2). В области e к2527-50.jpg1018 эВ форма спектра известна плохо, но есть указания на то, что спектр вновь становится более пологим. При ek2527-51.jpg1019-1020 эВ спектр должен резко обрываться из-за ухода частиц в межгалактич. пространство и взаимодействия с фотонным реликтовым излучением. Поток частиц сверхвысоких энергий очень мал: на площадь 10 км 2 за год попадает в среднем не более одной частицы e к2527-52.jpg1020 эВ.

Форма энергетич. спектра a-частиц и более тяжёлых ядер близка к форме спектра протонов; это означает, что хим. состав КЛ слабо зависит от энергии, однако данные о составе КЛ в области высоких энергий весьма скудны. Спектр электронов при достаточно высоких энергиях также близок к степенному с 2527-53.jpg=2,7.

Вариации КЛ. Проникая в Солнечную систему, первичные ГКЛ вступают во взаимодействие с межпланетным магн. полем гелиосферы, к-рое формируется намагниченной плазмой, движущейся радиально от Солнца (солнечный ветер). В Солнечной системе устанавливается равновесие между конвективным потоком КЛ, выносимым солнечным ветром наружу, и потоком, направленным внутрь системы. Влияние межпланетного поля "чувствуют" частицы сравнительно небольших энергий (e к2527-54.jpg1010 эВ), ларморовский радиус к-рых сравним с размерами неоднородностей межпланетного магн. поля. Параметры гелиосферы изменяются с изменением солнечной активности в течении 11-летнего цикла, и в ГКЛ наблюдается модуляция интенсивности, наз. 11-летней вариацией. Интенсивность КЛ изменяется в противофазе с солнечной активностью. Амплитуда вариаций различна для разных энергий, а интегральный поток ГКЛ меняется приблизительно в два раза.

Кроме 11-летней наблюдаются ещё 27-дневная, солнечно-суточная вариации, Форбуша эффект и др. 27-дневная вариация КЛ с амплитудой 2527-55.jpg10% в межпланетном пространстве на орбите Земли соответствует периоду вращения Солнца и обусловлена асимметрией потока магн. неоднородностей в солнечном ветре. Солнечно-суточная вариация с амплитудой 2527-56.jpg2% связана с суточным вращением Земли и обусловлена различием свойств солнечного ветра в направлении на Солнце и в антисолнечном направлении. Эффект Форбуша представляет собой кратковрем. понижение интенсивности КЛ (на 2527-57.jpg50% в межпланетном пространстве и до 25-30% на поверхности Земли), обычно связанное с геомагн. бурей. Этот эффект вызывается рассеянием ГКЛ магн. полями, переносимыми солнечными корпускулярными потоками после вспышек на Солнце, когда поля оказываются у Земли и как бы "закрывают " её от КЛ.

Исследования вариаций ГКЛ и СКЛ позволили оценить напряжённость квазирегулярного межпланетного магн. поля (ср. значение на орбите Земли 2527-58.jpg 10-6 Гс). Неоднородности межпланетного магн. поля имеют характерные размеры 2527-59.jpg1010-1011 см (для сравнения -диаметр Земли равен 1,28*109 см). Вариации КЛ дают уникальную возможность исследовать свойства солнечного ветра перпендикулярно плоскости эклиптики на больших расстояниях от Солнца. Исследования вариаций КЛ помогают в изучении свойств земной магнитосферы (определение параметров кольцевого тока, возникающего при развитии геомагн. бури), ионосферы (образование ионизованного слоя за счёт ГКЛ и усиленная ионизация в полярной ионосфере во время вспышек СКЛ).

Попадая в магн. поле Земли, ГКЛ отклоняются от первонач. направления вследствие действия на них Лоренца силы. На заданную широту вблизи Земли с данного направления приходят частицы только с энергией, превышающей нек-рое пороговое значение. Этот эффект наз. геомагн. обрезанием. Отклоняющее действие магн. поля проявляется тем сильнее, чем меньше геомагн. широта места наблюдения. Так, напр., с вертикального направления на экватор попадают протоны только с энергией ek2527-60.jpg1,5*1010 эВ, на геомагн. широту 51° - с энергией e к2527-61.jpg2,5*109 эВ. Поскольку ГКЛ имеют падающий спектр, их интенсивность на экваторе меньше, чем на высоких широтах,- т. н. широтный эффект КЛ.

Взаимодействие КЛ с атмосферой Земли. Попадая в атмосферу Земли, высокоэнергичные первичные КЛ (протоны и др. ядра) испытывают столкновения с ядрами атомов воздуха (в основном азота и кислорода). В результате взаимодействия происходит расщепление ядер и рождение нестабильных элементарных частиц (т. н. множественные процессы). Ср. пробег до ядерного взаимодействия в атмосфере для протонов 2527-62.jpg 80 г/см 2, что составляет 2527-63.jpg часть всей толщи атмосферы, следовательно, протон успеет неск. раз вступить во взаимодействие с ядрами атомов воздуха. Поэтому вероятность дойти до уровня моря у первичных КЛ крайне мала. На больших глубинах в атмосфере регистрируется вторичное излучение, разделяемое в соответствии с природой и свойствами на ядерно-активную, мюонную и электронно-фотонную компоненты (рис. 2).

В элементарном акте взаимодействия первичной частицы КЛ с ядрами атомов воздуха рождаются почти все известные элементарные частицы, среди к-рых гл. роль играют 2527-64.jpg -мезоны, как заряженные, так и нейтральные. Нуклоны и не успевшие распасться 2527-65.jpg -мезоны образуют ядерно-активную компоненту вторичного излучения. Взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, они, подобно первичной частице КЛ, рождают новые каскады частиц до тех пор, пока их энергия не снизится до 2527-66.jpg 109 эВ. На уровне моря остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных 2527-67.jpg -мезонов 2527-68.jpg

Высокоэнергичные мюоны взаимодействуюг с веществом, поэтому они доходят до уровня моря и проникают глубоко под землю. Нейтроны и мюоны вторичного излучения постоянно регистрируются сетью наземных станций. На основе этих измерений исследуются вариации интенсивности первичных КЛ.

2527-69.jpg

Рис. 2. Схема взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли: 1 - электронно-фотонная, 2 - мюонная, 3 - нуклонная компоненты.

Возникновение электронно-фотонной компоненты связано с распадом 2527-70.jpg -мезонов: 2527-71.jpg . В кулоновском поле ядер каждый g-фотон рождает электрон-позит-ронную пару 2527-72.jpg. За счёт тормозного излучения этой пары вновь возникают 2527-73.jpg -фотоны, к-рые рождают, в свою очередь, электрон-позитронные пары. Повторение этого процесса приводит к лавинообразному размножению числа частиц до тех пор, пока при нек-рой 2527-74.jpg преобладающими не станут конкурирующие процессы потери энергии 2527-75.jpg -фотонами и электронами (позитронами). После этого происходит затухание каскада. Число частиц в максимуме каскада пропорц. энергии первичной частицы. Каскады, образующиеся при КЛ с 2527-76.jpg>1014 эВ, содержат 106- 109 частиц; они наз. широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). С помощью ШАЛ проводится исследование КЛ в области сверхвысоких энергий.

Происхождение КЛ. Для ГКЛ, наблюдаемых у Земли, характерна высокая степень изотропии: с точностью до 0,1% интенсивность частиц с 2527-77.jpg 1011-1015 эВ по всем направлениям одинакова. При более высоких энергиях амплитуда анизотропии постепенно растёт (рис. 3) и в интервале 2527-80.jpg=1019-1020 эВ достигает неск. десятков %. Анизотропия 0,1% с максимумом вблизи 19n звёздного времени примерно совпадает с направлением магн. поля галактич. спирали, в к-рой находится Солнце; вероятно, она связана с вытеканием КЛ из Галактики. Направление макс. интенсивности ГКЛ с энергией 2527-81.jpg>1017 эВ соответствует появлению дрейфового потока поперёк силовых линий галактич. магп. поля. Возможно, для этих энергий источники КЛ в нашей Галактике уже не эффективны и к Земле приходят КЛ из др. галактик.

2527-78.jpg

Рис. 3. Амплитуда анизотропии космических лучей в зависимости от анергии в интервале 2527-79.jpg= 1011 -1020 эВ.


Из-за высокой изотропии ГКЛ наблюдения у Земли не позволяют однозначно установить, где они рождаются и как распределены во Вселенной. Ответить па эти вопросы могла радиоастрономия в связи с открытием космич. синхротронного излучения в диапазоне радиочастот f2527-82.jpg107-109 Гц. В галактич. магн. полях релятивистские электроны движутся подобно др. заряж. частицам высокой энергии (протонам и более тяжёлым ядрам), но в отличив от них, благодаря малой массе, интенсивно излучают радиоволны и тем самым обнаруживают себя в удалённых частях Галактики, являясь индикаторами КЛ вообще. Релятивистские электроны занимают протяжённую область, охватывающую всю Галактику и наз. галактическим гало.

Кроме общего галактич. радиоизлучения были обнаружены дискретные его источники: оболочки сверхновых звёзд, пульсары, ядро Галактики, квазары. Естественно ожидать, что все эти объекты являются источниками КЛ. Магн. поля указанных объектов отличаются большой напряжённостью, поэтому электроны в таких полях могут генерировать также рентг. излучение синхротронной природы, к-рое даёт дополнит. информацию об источниках КЛ.

Важным индикатором источников КЛ является космич. гамма-излучение, возникающее за счёт распада нейтральных пионов, образующихся при столкновениях КЛ с частицами межзвёздного газа. Гамма-лучи не подвержены воздействию магн. полей, поэтому направление их прихода непосредственно указывает на источник КЛ. В отличие от наблюдаемого внутри Солнечной системы почти изотропного распределения КЛ, распределение гамма-излучения по небу оказалось весьма неравномерным и подобным распределению сверхновых звёзд по галактич. долготе. Этот факт свидетельствует в пользу гипотезы о том, что сверхновые являются источником КЛ. В пользу сверхновых как осн. источника КЛ говорят также оценки их энерговыделения при вспышках. Полная мощность всех источников КЛ в Галактике составляет 2527-83.jpg 1040 эрг*с -1. Энерговыделение при вспышке одной сверхновой обычно считается 1049-1051 эрг. Сверхновые в Галактике вспыхивают в среднем каждые 10- 30 лет, так что ср. мощность их энерговыделения составляет 1040-3*1042 эрг*с -1. Т. <о., сверхновые являются наиб. вероятными источниками ГКЛ. Но не следует исключать нек-рого вклада др. галактич. источников КЛ, в частности пульсаров, где возможно ускорение до весьма высоких энергий, и галактич. ядра, где идут взрывные процессы, аналогичные взрывам сверхновых. КЛ с 2527-85.jpg>1017 эВ, скорее всего, ускоряются во внегалактич. источниках.

Механизмы ускорения. Вопрос об ускорении частиц до высоких энергий (превращении энергии магн. поля и движений плазмы в энергию быстрых частиц) в деталях ещё далёк от окончат. решения. Однако в общих чертах принципиальная сторона процесса ускорения ясна. Чтобы свершился элементарный акт приращения энергии заряж. частицы, необходим источник энергии в виде электрич. поля. В космич. плазме не могут существовать сколько-нибудь значит. электростатич. поля, к-рые бы ускоряли заряж. частицы за счёт разности потенциалов между точками поля. Но в плазме могут возникать электрич. поля импульсного или индукционного характера. Импульсные электрич. поля появляются, напр., при разрыве нейтрального токового слоя, возникающего в области пересоединения магн. полей противоположной полярности. Индукционное электрич. поле появляется при увеличении напряжённости магн. поля со временем.

Нач. стадия ускорения может быть также обусловлена взаимодействием частиц с электрич. полями плазменных волн в областях с интенсивным турбулентным движением плазмы (см. Взаимодействие частиц с волнами). В отличие от регулярного ускорения в полях импульсного или индукционного типа, ускорение плазменными волнами имеет статистич. характер. К числу статистич. относится также модель Ферми, в к-рой ускорение происходит при столкновениях частиц с движущимися магн. неоднородностями ( "облаками "). Аналогична природа ускорения частиц при их взаимодействии с сильными ударными волнами, в частности при сближении двух ударных воли, образующих отражающие магн. "стенки" для ускоряемых частиц.

В межзвёздной среде статистич. ускорение, по-видимому, неэффективно, за исключением, возможно, частиц сравнительно малых энергий (2527-86.jpg -3 ГэВ). В оболочках сверхновых наблюдаются интенсивные турбулентные движения, поэтому эффективность статистич. ускорения должна повышаться.

Общим свойством всех ускорит. механизмов является падающий характер формируемого ими спектра КЛ. Но на этом сходство кончается. Несмотря на интенсивные теоретич. и эксперим. исследования, пока не найден универсальный механизм ускорения или комбинации механизмов, к-рые могли бы объяснить все особенности спектра и зарядового состава КЛ. По-видимому, в космосе существует нек-рая иерархия ускорит. механизмов, к-рые работают в разл. комбинациях или в разл. последовательности в зависимости от конкретных условий в области ускорения. (Подробнее о механизмах ускорения см. в ст. Ускорение заряженных частиц.)

Наряду с огромной ролью КЛ в астрофизич. процессах, необходимо отметить их значение для изучения далёкого прошлого Земли (истории климата, эволюции биосферы и т. д.) и для решения нек-рых практич. задач современности (обеспечение радиац. безопасности космич. полётов, оценка возможного вклада КЛ в метеоэффекты и т. п.). Осн. вклад в общий радиац. фон у орбиты Земли вносят солнечные КЛ.

Лит.: Гинзбург В. Л., Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Мирошниченко Л. И., Космические лучи в межпланетном пространстве. М., 1973; Дорман Л. И., Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей, М., 1975; Мурзин В. С., Введение в физику космических лучей, М., 1979; Топтыгин И. Н., Космические лучи в межпланетных магнитных полях, М., 1983; Мирошниченко Л. И., Петров В. М., Динамика радиационных условий в космосе, М., 1985. Л. И. Мирошниченко.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ" в других словарях:

  • КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ — поток стабильных частиц высоких энергий (приблизительно от 1 до 1012 ГэВ), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение,… …   Большой Энциклопедический словарь

  • КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ — КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ, потоки заряженных частиц высокой энергии (до 1020 эВ), приходящих к Земле из космического пространства. Открыты австрийским физиком В. Гессом в 1912. По месту происхождения (ускорения) космические лучи разделяют на… …   Современная энциклопедия

  • Космические лучи — КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ, потоки заряженных частиц высокой энергии (до 1020 эВ), приходящих к Земле из космического пространства. Открыты австрийским физиком В. Гессом в 1912. По месту происхождения (ускорения) космические лучи разделяют на… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • космические лучи — Высокоэнергичные ядра атомов и элементарные частицы космического происхождения. [ГОСТ 25645.103 84] [ГОСТ 25645.104 84] Тематики лучи космическиеусловия физические косм. пространства EN cosmic rays …   Справочник технического переводчика

  • Космические лучи (КЛ) — По ГОСТ 25645.103 84 Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • космические лучи — Поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из мирового пространства, и продуктов их взаимодействия с атмосферными газами. Syn.: космическое излучение …   Словарь по географии

  • КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ — потоки элементарных и фундаментальных частиц высоких энергий, приходящие из космического пространства на Землю и состоящие главным образом из протонов, электронов и атомных ядер различных химических веществ. Эти первичные К. л. практически не… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Космические лучи —         поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в… …   Большая советская энциклопедия

  • Космические лучи — Дифференциальный энергетический спектр космических лучей носит степенной характер (в дважды логарифмическом масштабе  наклонная пря …   Википедия

  • космические лучи — поток стабильных частиц высоких энергий (приблизительно от 1 до 1012 ГэВ), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рождённое этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение,… …   Энциклопедический словарь

Книги

Другие книги по запросу «КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.