Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

Т а б л и ц а 13.1

Состав протонно-ядерной компоненты космических лучей (В. Л. Гинзбург, 1970)

На космической станции «Протон-1» был обнаружен неожи­ данно большой поток электронов с энергией'больше 3 - 108 эв. Он оказался почти одинаково интенсивным в любой точке околозем­ ного пространства. Интенсивность его в 10 раз превосходила рас­ четную, полученную ранее по баллонным измерениям в страто­ сфере1). Согласно последним данным, электроны в космических лучах за пределами атмосферы Земли имеют первичное проис­ хождение. Позитроны же могут появляться только как конечный продукт распада нестабильных частиц, образующихся при ядерных взаимодействиях космических лучей с межзвездным веще­ ством.

Интецсивность электронно-позитронной компоненты состав­ ляет около 0,6% полной интенсивности космических лучей на гра­ нице атмосферы.

По данным американского ИСЗ «Экоплорер-ХЬ, средняя ин­ тенсивность у-излучения равна 5 , 5 - 1 0 фотон/см,2 • стер - сек. Обнаружена тенденция к увеличению интенсивности в направле­ нии центра Галактики.

Основными механизмами генерации непрерывного у-излуче­ ния являются:

а) распад к0-мезонов, образующихся при ядерных соударе­ ниях космических лучей с межзвездным газом, при этом подав­ ляющая часть ^ -лучей имеет энергию Ег > 5 -1 0 эв, а их энерге­

тический спектр близок к спектру космических лучей;

■) «Правда», 1965, 16 ноября.

248 /

б) тормозное излучение релятивистских электронов и пози­ тронов, входящих в состав космических лучей (£ < 5- 1010 эв)\

в) комптоновские f -лучи, образующиеся при рассеянии теп­ ловых фотонов (излучение звезд) на электронах.

Нейтрино образуются в результате распада т.-мезонов и -мезонов, возникающих при взаимодействии космических лучей

с межзвездным газом. Вследствие трудности регистрации до сих пор нет прямых экспериментальных данных, касающихся потоков ней­ трино любой энергии, приходя­ щих из космоса. Из косвенных со­ ображений считают, что плот­ ность энергии нейтрино с Я ,>

интервале от £ ~ 3 - 1015 эв до Е — 1018 эв показатель ^ = 3,2±0,1, а при Е > 1018 эв наиболее вероятно, что этот показатель также равен 2,6 (В. Л. Гинзбург, 1970).

В настоящее время спектр космических лучей прослежен до энергий Е = 1019 эв. Наибольшая энергия частиц, наблюдавших­ ся в космических лучах, равна 1020 эв ~ 108 эрг = 10 дж.

На рис. 13.2 графически изображен энергетический спектр первичных космических лучей по данным, полученным на ИСЗ «Протон-1». На оси абсцисс отложена энергия частиц, а по оси ординат — поток этих частиц. Треугольники соответствуют ре­ зультатам измерений, выполненных одним ионизационным кало­ риметром, а кружочки — другим ').

Из результатов измерений следует:

>) «Правда», 1965, 16 ноября,

249

а) параллельность хода энергетического спектра протонов (кривая 2) и энергетического спектра всех частиц (кривая /) указывает на то, что, по крайней мере, в диапазоне 1010—1015 эв доля тяжелых ядер по отношению к протонам в первичных кос­ мических лучах остается постоянной;

б) интенсивность частиц высокой и сверхвысокой энергии ока­ залась существенно меньшей, чем определенная по изучению ши­ роких атмосферных ливней в наземных условиях (крестик в ниж­ ней части рис. 13.2).

Первичное космическое излучение изотропно. Это приводит к тому, что в результате исследования космических лучей нельзя

ческих лучей во время максимума солнечного цикла минималь­ на, а во время минимума — максимальна. Вариации имеют спек­ тральную зависимость: наиболее значительно уменьшается ин­ тенсивность потока частиц малых энергий (несколько сотен мега­ электронвольт).

станции «Марс-1» (20/11 1962—25/1 1963 г.) интенсивность кос­ мических лучей в космическом пространстве была определена

250

3,5 частиц/см2 ■сек. Таким образом, за четыре года интенсивность увеличилась примерно на 70%. За эти годы происходило умень­ шение солнечной активности и напряженности межпланетных магнитных полей в солнечной системе, что привело к улучшению условий проникновения космических лучей в солнечную систему из Галактики.

По измерениям космического аппарата «Луна-10» (31/III— 3/IV 1966 г.) на участке траектории между Землей и Луной абсо­ лютная величина потока первичного космического излучения со­ ставляла 4,7±0,4 частиц!см2 • сек. Несмотря на начавшееся уже возрастание солнечной активности, интенсивность космических лучей была еще высокой. Полученные данные согласовались с из­ мерениями, проведенными на два месяца раньше космическим аппаратом «Луна-9». Кроме того, на «Марсе-1» было зарегистри­ ровано небольшое уменьшение средней ионизирующей способно­ сти космических частиц. Этот эффект можно объяснить тем, что космические лучи в солнечной системе состоят из частиц галакти­ ческого и солнечного происхождения. В различные периоды цикла солнечной активности соотношение между этими компонентами меняется, что приводит к изменению средней ионизирующей спо­ собности космических лучей.

В межпланетном пространстве могут происходить кратковре­ менные непериодические изменения интенсивности космических лучей, обусловленные дополнительной их генерацией на Солнце во время мощных солнечных вспышек. Амплитуда изменения ин­ тенсивности может достигать 100%, а иногда и более. Полагают, что на Солнце в разных условиях действуют различные механиз­ мы ускорения частиц. В одних случаях генерируются и испус­ каются Солнцем в основном тяжелые ядра большой энергии, а в других — главным образом протоны и а-частицы.

§4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

САТМОСФЕРОЙ ЗЕМЛИ. ВТОРИЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Первичные космические лучи хотя и обладают огромной энергией, однако до земной поверхности не доходят. Это вызвано двумя причинами. Первой причиной является магнитное поле Земли, второй — ядерные взаимодействия первичных космиче­ ских частиц с ядрами атомов атмосферного воздуха.

Поскольку космические частицы электрически заряжены, то их траектории искривляются магнитными полями. Отклонение частиц геомагнитным полем приводит к тому, что низкоэнергич­ ные частицы вообще не достигают плотных слоев атмосферы Земли, особенно на низких широтах. Так, частицы с энергиями Е < 108 эв в экваториальных областях не могут проникать в

атмосферу Земли.

Первичные космические частицы, проникнувшие в атмосферу Земли, взаимодействуют с атомами воздуха и образуют вторич­

251