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

Рассмотрим раздельно вариации интенсивности космического излучения, обусловленные геомагнитным полем (геомагнитные

Рис. 13.10. Классификация вариаций вторичных космических лучей

эффекты), атмосферой Земли (метеорологические эффекты) и внеземными причинами.

§ 5. ГЕО М А ГН И Т Н Ы Е ЭФФЕКТЫ В К О С М И Ч ЕС К И Х Л У Ч А Х

Большой путь первичных космических лучей в магнитном по­ ле Земли .приводит к тому, что, несмотря на сравнительно малую напряженность поля, оно существенно влияет на распределение интенсивности космических лучей по земной поверхности и осо­ бенно в верхних слоях атмосферы. В магнитном поле Земли изо­ тропия космических лучей нарушается.

Вторичные космические лучи большой энергии не успевают значительно отклоняться в магнитном поле Земли и сохраняют распределение первичных космических частиц. Изменения интен­ сивности космических лучей под влиянием магнитного поля Зем­ ли называются геомагнитными эффектами в космических лучах.

Из теории следует, что на геомагнитную широту Ф по направ­ лению, определенному зенитным углом 0 и азимутом А, могут приходить только те частицы, импульсы которых не меньше кри­ тического значения Р С(Ф, 6, А). Интенсивность потока первичных частиц с импульсом Р > Рс такова, как если бы магнитное поле

258

Земли отсутствовало. Частицы с импульсом Р < Рс «отсеивают­ ся» магнитным полем и не доходят до широты Ф по направле­ нию, определенному углами 9 и Л. Импульс Р с зависит также от знака заряда частицы, причем Р+(Ф, 0, А) = Р~(Ф, 0, 2тс— А).

Интенсивность космического излучения, наблюдаемая на ши­ роте Ф в направлении (0, А), определяется величиной (Ф, 0, Л).

Различают следующие геомагнитные эффекты в космических лучах: широтный эффект, долготный эффект и азимутальную

ным импульсом Рс, которым должен обладать протон, чтобы по вертикали попасть в точку наблюдения, существует соотношение

где Рс выражено в Гэв/с (с — скорость света).

Из формулы (5.1) следует, что в область геомагнитного эква­ тора по вертикали могут приходить только протоны с импульсом Р > 14,9 Гэв/с, на широту 45° — с импульсом Р > 3,6 Гэв/с, на широту 60° — с импульсом Р > 0,95 Гэв/с.

На графике (рис. 13.11) показана зависимость пороговых им­ пульсов вертикально падающих на Землю протонов и а-частиц от геомагнитной широты. Чтобы а-частицы могли пройти через магнитное поле Земли, им не требуется столь большой импульс, как протонам.

Благодаря широтному эффекту интенсивность космических лучей на геомагнитном экваторе (уровень моря) на 10% меньше, чем в высоких широтах.

Обнаружено, что в стратосфере широтный эффект во много раз больше, чем на уровне моря. Так, в районе экватора на гра­ нице атмосферы интенсивность космических лучей примерно в пять раз меньше, чем в высоких северных и южных широтах.

А з и м у т а л ь н а я а с и м м е т р и я — зависимость интенсив­

Наличие магнитного поля Земли, помимо широтного эффекта, приводит к тому, что для первичных космических частиц одного знака заряда должно наблюдаться различие интенсивности в на­ правлениях на восток и на запад. Положительно заряженные ча­ стицы, идущие первоначально вертикально в плоскости геомаг­ нитного экватора, магнитным полем будут отклоняться к восто­ ку, а отрицательно заряженные — к западу. Если импульс будет меньше некоторой величины, то частицы отклоняются настолько сильно, что вообще не дойдут до поверхности земли.

Поскольку в первичных космических лучах преобладают по­ ложительно заряженные частицы (протоны, а-частицы), то ин­ тенсивность космических лучей в направлении на запад будет не­ сколько больше, чем на восток.

(Ф = const, 6 = const, А = const).

Вследствие несимметричности магнитного поля Земли разли­ чие в напряженности в восточном и западном полушариях обус­ ловливает большую интенсивность космических лучей в западном полушарии по сравнению с восточным. Величина долготного эф­ фекта может буть оценена формулой

где АР — поправка к величине импульса Р с, которым должна обладать частица, чтобы достичь земной поверхности на экваторе

ввертикальном направлении, а — отношение смещения диполя

крадиусу Земли. Различие в интенсивности космических лучей на уровне моря на геомагнитном экваторе в восточном и запад­ ном полушариях составляет около 5%.

Геомагнитные эффекты в космических лучах обусловливают пространственное распределение интенсивности космических лу­ чей.

§ 6. М ЕТ ЕО РО Л О ГИ ЧЕС К И Е ЭФФЕКТЫ В К О СМ И ЧЕСК И Х Л У Ч А Х

Космические лучи, проходя через атмосферу Земли, испыты­ вают изменения в зависимости от вертикального распределения давления, температуры и влажности воздуха. Эти вариации носят

260

локальный характер и отражают по существу изменение условий возникновения и распространения вторичных космических лу­ чей в атмосфере.

Изменение интенсивности космических лучей под влиянием метеорологических условий в атмосфере Земли называют метео­ рологическими эффектами в космических лучах.

Поскольку основное влияние оказывают давление и темпера­ тура, то различают барометрический :и температурный эффекты.

Б а р о м е т р и ч е с к и й э ф ф е к т состоит из трех частей — абсорбционной, распадной и генерационной.

Абсорбционная часть эффекта обусловлена изменением мас­ сы столба воздуха над уровнем наблюдения и зависит от измене­ ния давления на этом уровне. Распадная часть обусловлена не­ стабильностью (а-мезонов, их распадом, а генерационная — из­ менением числа генерируемых мезонов. С изменением глубины уровня наблюдения изменяются количественные соотношения между составными частями барометрического эффекта. Вблизи земной поверхности генерацией мезонов пренебрегают. При по­ вышении давления интенсивность космических лучей умень­ шается.

Изменение интенсивности космических лучей / при изменении давления Р на уровне наблюдения можно получить из уравнения

(6. 1)

где [а— коэффициент поглощения, различный для разных ком­ понент космических лучей.

После интегрирования уравнения (6.1) будем иметь

Путем простых преобразований можно получить

(6.4)

При практических расчетах /о — это средняя месячная медиана компоненты космических лучей.

После разложения в ряд Тейлора формулу (6.4) можно запи­ сать в виде

(6.5)

где р = —100 р — барометрический коэффициент в %мб или в % /мм pm. cm.

261

На уровне моря для мезонной компоненты {3= 3,45% на 10 мм pm. cm. Эта величина может быть определен^ эмпири­ чески путем линейной корреляции между данными / и Р.

новном сводится к тому, что при изменении средней температу­ ры нижнего 25-километрового слоя атмосферы изменяется вы­ сота уровня генерации ц-мезонов. При повышении температуры эта высота возрастает и большая часть р.-мезонов успевает рас­ пасться на пути до поверхности земли, что приводит к уменьше­ нию интенсивности космических лучей.

Для расчета температурного эффекта необходимо учитывать изменение распределения температуры с высотой.

Согласно Л. И. Дориану (1963), изменение интенсивности космического излучения в зависимости от распределения темпе­ ратуры можно записать в виде соотношения

р»

о

где W Т (р) — функция, имеющая смысл плотности температур­

ного коэффициента и характеризующая роль различных слоев атмосферы в создании температурного эффекта при изменении температуры слоя на 1 °С; ЬТ (р) — разность между средней мно­ голетней и фактической температурой на уровне с давлением р.

На практике для вычисления температурного эффекта исполь­ зуются данные температурного радиозондирования. От поверхно­ сти земли до изобарической поверхности 25 мб атмосфера раз­ бивается на 11 слоев и вычисляется вклад каждого слоя в изме­ нение интенсивности космических лучей. Таким образом, инте­ грирование заменяется суммированием, и формула (6.7) преоб­ разуется к виду

где ЬТi — отклонение температуры на г'-м стандартном уровне, ki — доля температурного коэффициента, определяемая как ин­

262

Т а б л и ц а 13.3

Значения коэффициентов kf для различных слоев атмосферы

ярко проявляются при смене синоптической обстановки — про­ хождении через пункт наблюдения циклонов, антициклонов и атмосферных фронтов.

Н. П. Чирков (1962), исследуя вариации космических лучей при прохождении через Москву молодых циклонов и атмосфер­ ных фронтов, на материалах за 1953—1957 гг. установил1) сле­ дующее:

а) при прохождении передней части циклона интенсивность космических лучей падает на 0,3—0,4%, достигает минимума пе­ ред холодным фронтом, а затем увеличивается на 0,7—0,8%;

б) интенсивность жесткой компоненты космических лучей при прохождении теплых фронтов уменьшается в среднем на 0,48±0,1 %, при прохождении холодных фронтов увеличивается в среднем на 0,53±0,1% (рис. 13.12).

Колебания интенсивности космических лучей, обусловленные метеорологическими факторами, могут достигать 3%, что по порядку величины сравнимо с наблюдаемыми изменениями ин­ тенсивности космических лучей. Поэтому для выявления вариа­ ций, вызываемых внеземными астрофизическими факторами, не­ обходимо исключать вариации, обусловленные метеорологиче­ скими эффектами.

В практике обработки данных наблюдений за космическими лучами принято сразу же вводить поправки к интенсивности кос­ мических лучей на давление и температуру.

В результате воздействия метеорологических и геомагнитных эффектов возникают суточные и сезонные изменения интенсив­ ности космических лучей.

Величина сезонных колебаний зависит от широты места. В вы­ соких широтах она составляет около 5%, а в умеренных широтах

') «Геомагнетйзм и аэрономия», т. II, вып. 3, 1962.

263