Космические лучи

Космические лучи

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Дагестанский государственный университет

Физический факультет

Курсовая работа

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Алиева Джабраила Магомед-Валиевича

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., профессор

Джамалова А.С.

Зав. кафедрой физической электроники

д.ф.-м.н., профессор

Омаров О.А.

Махачкала - 2013г.

Введение

Земля постоянно бомбардируется заряженными частицами высокой энергии, приходящими из межзвёздного пространства - Космические лучи. Иногда интенсивность Космических лучей резко возрастает за счёт потоков частиц, порождаемых вспышками на Солнце. Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвёздной и межпланетной сред и воздействие космических магнитных полей. В составе космических лучей преобладают протоны, имеются также электроны, ядра гелия и более тяжёлых элементов (вплоть до ядер элементов с 30). Электронов в К. л. в сотни раз меньше, чем протонов (в одном и том же диапазоне энергий). Частицы космических лучей обладают огромными кинетическими энергиями (вплоть до эВ). Хотя суммарный поток К. л. у Земли невелик [всего 1 частица/(см2с)], плотность их энергии (ок. 1 эВ/см3) сравнима (в пределах нашей Галактики) с плотностью энергии суммарного электромагнагнитные излучения звёзд, энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики. Отсюда следует, что космические лучи должны играть большую роль в процессах, идущих в межзвёздном пространстве.

Другая важная особенность космических лучей - нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при темп-ре ~ 109 К, по-видимому, близкой к максимальной для звёздных недр, средняя энергия теплового движения частиц эВ. Основное же количество частиц Космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 108 эВ и выше. Это означает, что Космические лучи приобретают энергию в специфических астрофизических процессах электромагнитной и плазменной природы.

Глава 1. Космические лучи

Изучение Космических лучей даёт ценные сведения об электромагнитных полях в различных областях космического пространства. Информация, "записанная" и "переносимая" частицами Космических лучей на их пути к Земле, расшифровывается при исследовании вариаций космических лучей <#"669331.files/image005.gif">

Рис. 1. Схема взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли. Первичное ядро высокой энергии р (обычно протон) разрушает ядра атмосферного азота или кислорода и порождает каскад вторичных частиц, поток которых условно разделяют на три компонента: электронно-фотонный (1), мю-мезонный (2) и нуклонный (3)

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 котором встречаются практически все известные элементарные частицы.

К. л. - уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим К. л. дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы большого масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космического излучения в межпланетной, межзвёздной, а возможно, и в межгалактической среде.

Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 109 эв (1 Гэв), а энергия отдельных частиц достигает 1020-1021 эв (а может быть, и выше). До создания мощных ускорителей заряженных частиц Космических лучей были единственным источником частиц высоких энергий. В К. л. были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с атомными ядрами. Хотя современные ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до энергий 1011-1012 эв, К. л. по-прежнему являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более высоких энергиях.

Подавляющая часть первичных К. л. приходит к Земле извне Солнечной системы - из окружающего её галактического пространства (Галактики <#"669331.files/image006.gif">

Рис. 1. Следы ядер первичных космических лучей в ядерной фотоэмульсии (Z - атомный номер химического элемента)

.2 Солнечные Космические лучи

Наиболее сильные возрастания интенсивности К. л. в виде нерегулярных кратковременных всплесков связаны с хромосферными вспышками на Солнце. При таких вспышках происходит ускорение заряженных частиц. солнечной плазмы электромагнитными полями (по-видимому, у границ солнечных пятен), т. е. генерация солнечных К. л. Предложен, в частности, весьма вероятный механизм ускорения частиц электрическими полями, индуцируемыми при быстром сближении областей солнечной плазмы с противоположно направленными магнитными полями (советский физик С. И. Сыроватский, 1965).

Потоки солнечных космических лучей во время некоторых хромосферных вспышек в сотни раз превышают потоки галактических К. л. Так, при рекордном всплеске 23 февраля 1956 наблюдалось 300-кратное возрастание потока К. л. с энергией > 3 Гэв, что могло бы представлять серьёзную угрозу безопасности космических полётов. Поэтому очень важны систематические наблюдения хромосферных вспышек, всплесков радио- и рентгеновского излучения и др. проявлений солнечной активности, позволяющие в тесной связи с измерениями интенсивности К. л. прогнозировать радиационную обстановку на трассах космических полётов.

В среднем вклад солнечных К. л. в общую интенсивность космического излучения составляет несколько процентов.

Химический состав солнечных К. л. очень близок к составу солнечной атмосферы. В отличие от галактических космических лучей., в них отсутствуют ядра Li, Be, В. Это показывает, что количество вещества, проходимое солнечными К. л., чрезвычайно мало (< 0,1 г/см2) и что их генерация не может происходить в глубине солнечной атмосферы, где плотность вещества слишком велика (вероятнее всего ускорение происходит в верхней хромосфере и нижней короне Солнца).

Частицы солнечных К. л. по сравнению с галактическими обладают более низкими энергиями (их энергетический спектр более мягкий). Энергии протонов обычно ограничиваются долями Гэв, и лишь при очень редких мощных хромосферных вспышках генерируются протоны с энергиями до 100 Гэв; нижняя граница энергии регистрируемых электронов солнечных К. л. составляет десятки кэв (т. е. близка к энергии частиц солнечного ветра). Солнечные К. л. малой энергии оказывают существенное воздействие на состояние ионосферы Земли в высоких широтах, вызывая дополнительную ионизацию её нижних слоев. Это приводит к ослаблению радиоволн, а в некоторых случаях - к полному прекращению радиосвязи на коротких волнах. Данные о распространении солнечных К. л., их энергетическом спектре и угловой анизотропии позволяют получить информацию о структуре магнитного поля в межпланетном пространстве. Изучение пространственных и временных вариаций (изменений) потоков солнечных К. л. помогает лучше понять такие геофизические явления, как геомагнитные бури, полярные сияния и пр.

Характер возрастания потока солнечных Космических лучей на Землю показывает, что в начальный период после вспышки поток существенно анизотропен, причём его максимум направлен под углом примерно 45° к западу от направления на Солнце. Это явилось первым прямым доказательством изогнутости силовых линий межпланетного магнитного поля в виде спиралей Архимеда (см. рис. 4).

Модуляция галактических Космических лучей солнечным ветром. Среди периодических временных вариаций интенсивности галактических Космических лучей главную роль играют модуляции интенсивности, совпадающие с 11-летним циклом солнечной активности. Эти модуляции связаны с рассеянием и «выметанием» Космических лучей галактического происхождения неоднородно намагниченными регулярными потоками плазмы, выбрасываемой из Солнца со скоростями 300-500 км/сек. Такие потоки, получившие название солнечного ветра, распространяются далеко за пределы орбиты Земли [на десятки астрономических единиц (а. е.); 1 а. е. ≈ 150 млн. км], постепенно переходя в турбулентное движение плазмы в слое, пограничном с невозмущённым галактическим магнитным полем (рис. 4).

 <#"669331.files/image008.gif">

Рис. 6. Фотография множественного рождения частиц при взаимодействии тяжёлого ядра первичного космического излучения с одним из ядер фотоэмульсии; образовано (помимо нейтральных) свыше 300 заряженных частиц, главным образом пионов

. Электронно-фотонные ливни и мягкая компонента вторичных Космических лучей.

Образующиеся при взаимодействиях частиц ядерно-активной компоненты с атомными ядрами нейтральные пионы практически мгновенно распадаются (вследствие их очень малого времени жизни) на два фотона (γ) каждый: π°→2γ. Этот процесс даёт начало электронно-фотонной компоненте К. л. (она называется также мягкой, т. е. легко поглощаемой, компонентой).

В сильных электрических полях атомных ядер эти фотоны рождают электронно-позитронные пары e- e+(γ→e-+e+), а электроны и позитроны, в свою очередь, путём тормозного излучения испускают новые фотоны (е±→е±+ γ) и т. д. Такие процессы, носящие каскадный характер, приводят к лавинообразному нарастанию общего числа частиц - к образованию электронно-фотонного ливня. Развитие электронно-фотонного ливня приводит к быстрому дроблению энергии π0 на всё большее число частиц, т. е. к быстрому уменьшению средней энергии каждой частицы ливня. После максимального развития мягкой компоненты, достигаемого на высоте около 15 км (Космические лучи 120 г/см2), происходит её постепенное затухания (рис. 7, кривая 2). Когда энергия каждой частицы становится меньше некоторого критического значения (для воздуха критическая энергия составляет около 100 Мэв), преобладающую роль начинают играть потери энергии на ионизацию атомов воздуха и комптоновское рассеяние увеличение числа частиц в ливне прекращается, и его отдельные частицы быстро поглощаются. Практически полное поглощение электронно-фотонной компоненты происходит на сравнительно небольших толщах вещества (особенно большой плотности); в лабораторных условиях для этого достаточно иметь свинцовый экран толщиной 10-20 см (в зависимости от энергии частиц). Электронно-фотонный ливень, зарегистрированный в камере Вильсона, приведён на рис. 8

 <#"669331.files/image010.gif">

Рис.9

. Космические мюоны и нейтрино. Проникающая компонента вторичного излучения. Возникающие в атмосфере под действием космических лучей заряженные пионы участвуют в развитии ядерного каскада лишь при достаточно больших энергиях - до тех пор, пока не начинает сказываться их распад на лету. В верхних слоях атмосферы процессы распада становятся существенными уже при энергиях ≤ 1012 эв.

Заряженный пион (с энергией ≤ 1011 эв) распадается на мюон μ±(заряженную нестабильную частицу с массой покоя mμ ≈207 me, где me - масса электрона, и средним временем жизни τ0 ≈ 2․10-6 сек) и нейтрино ν (нейтральную частицу с нулевой массой покоя). В свою очередь, мюон распадается на позитрон (или электрон), Нейтрино <#"669331.files/image011.gif">Электромагнитные взаимодействия)) и теряют свою энергию в основном на ионизацию атомов (Космические лучи 2 Мэв на толщине 1 г/см2). Поэтому поток мюонов представляет собой проникающую компоненту Космических лучей . Даже при сравнительно умеренной энергии Космические лучи 10 Гэв мюон может не только пройти сквозь всю земную атмосферу (см. рис. 7, кривая 3).

Рис. 7. Поглощение космических лучей в атмосфере - зависимость интенсивности I космических лучей (для 50° с. ш.) от толщины t пройденного слоя: 1 - ядерно-активная компонента (протоны и α-частицы); 2 - мягкая компонента; 3 - проникающая компонента (мюоны); 4 - полная интенсивность. но и проникнуть далеко в глубь Земли на расстояния порядка 20 м грунта (рис. 10)

Рис. 10. Зависимость интенсивности I вертикального потока проникающей (мюонной) компоненты космических лучей от глубины t относительно уровня моря (масштаб логарифмический)

Максимальная глубина, на которой регистрировались мюоны наиболее высокой энергии, составляет около 8600 м в переводе на водный эквивалент. Благодаря своей большой проникающей способности именно мюоны образуют «скелет» широких атмосферных ливней на больших (сотни м) расстояниях от их оси.

Т. о., одновременно с развитием описанного выше ядерного каскада происходит (за счёт распада π0) его «обрастание» электронно-фотонной компонентой, а также (за счёт распадов π+ и π-) - проникающей мюонной компонентой (рис. 11).

 <#"669331.files/image015.gif">, где - ср. пробег частицы. Для протонов, которые составляют большинство первичных К. л., в воздухе равен примерно 70 г/см2; для ядер гелия 25 г/см2, для более тяжёлых ядер ещё меньше. Первое столкновение (70 г/см2) с атмосферными частицами протоны испытывают в среднем на высоте 20 км. Толщина атмосферы на уровне моря эквивалентна 1030 г/см2, т.е. соответствует примерно 15 ядерным пробегам для протонов. Отсюда следует, что вероятность достичь поверхности Земли, не испытав столкновений, для первичной частицы ничтожно мала. Поэтому на поверхности Земли К. л. обнаруживаются лишь по слабым эффектам ионизации, создаваемой вторичными частицами.

В начале 20 в. в опытах с электроскопами и ионизации камерами была обнаружена постоянная остаточная ионизация газов, вызываемая каким-то очень проникающим излучением. В отличие от излучения радиоактивных веществ окружающей среды, проникающее излучение не могли задержать даже толстые слои свинца. Внеземная природа обнаруженного проникающего излучения была установлена в 1912-14 гг. австр. физиком В. Гессом, нем. учёным В. Кольхёрстером и др. физиками, поднимавшимися с ионизационными камерами на воздушных шарах. Было найдено, что с увеличением расстояния от поверхности Земли ионизация, вызываемая К. л., растёт, напр. на высоте 4800 м - вчетверо, на высоте 8400 м - в 10 раз. Внеземное происхождение космических лучей окончательно доказал Р. Милликен (США), осуществивший в 1923-26 гг. серию опытов по исследованию поглощения К. л. атмосферой (именно он ввёл термин "К. л.").

Природа Космических лучей вплоть до 40-х гг. оставалась неясной. В течение этого времени интенсивно развивалось ядерное направление - изучение взаимодействия Космических лучей с веществом, образования вторичных частиц и их поглощения в атмосфере. Эти исследования, проводившиеся при помощи счётчиковых телескопов, камер Вильсона и ядерных фотоэмульсий (поднимаемых на шарах-зондах в стратосферу), привели, в частности, к открытию новых элементарных частиц - позитрона (1932 г.), мюона (1937 г.), пи-мезонов (1947 г.).

Систематические исследования влияния геомагнитного поля на интенсивность и направление прихода первичных К. л. показали, что подавляющее большинство частиц К. л. имеет положит. заряд. С этим связана восточно-западная асимметрия К. л.: из-за отклонения заряженных частиц в магнитном поле Земли с запада приходит больше частиц, чем с востока.

Применение фотоэмульсий позволило в 1948 г. установить ядерный состав первичных космических лучей.: были обнаружены следы ядер тяжёлых элементов вплоть до железа (первичные электроны в составе космических лучей были впервые зарегистрированы в стратосферных измерениях лишь в 1961 г.). С конца 40-х гг. на передний план постепенно выдвинулись проблемы происхождения и временных вариаций космических лучей (космофизических аспект).

Ядерно-физическое исследования Космических лучей осуществляются в основном при помощи счётчиковых установок большой площади, предназначенных для регистрации т.н. широких атмосферных ливней из вторичных частиц, которые образуются при вторжении одной первичной частицы с энергией эВ. Основная цель таких наблюдений - изучение характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при высоких энергиях. Наряду с этим они дают информацию об энергетическом спектре Космических лучей при эВ, что очень важно для поиска источников и механизмов ускорения космических лучей.

Наблюдения Космических лучей в космофизическом аспекте проводятся весьма разнообразными методами - в зависимости от энергии частиц. Вариации космических лучей с эВ изучаются по данным мировой сети нейтронных мониторов (нейтронный компонент К. л.), счётчиковых телескопов (мюонный компонент космических лучей) и др. детекторов. Однако наземные установки из-за атмосферного поглощения нечувствительны к частицам с МэВ. Поэтому приборы для регистрации таких частиц поднимают на шарах-зондах в стратосферу до высот 30-35 км.

Внеатмосферные измерения потока космических лучей 1-500 МэВ осуществляются при помощи геофизических ракет, ИСЗ и др. КА. Прямые наблюдения Космических лучей в межпланетном пространстве осуществлены пока лишь вблизи плоскости эклиптики до расстояния ~ 10 а. е. от Солнца.

Ряд ценных результатов дал метод космогенных изотопов. Они образуются при взаимодействии Космических лучей с метеоритами и космической пылью, с поверхностью Луны и др. планет, с атмосферой или веществом Земли. Космогенные изотопы несут информацию о вариациях Космических лучей. в прошлом и о солнечно-земных связях <#"669331.files/image024.gif">-частица)

70*

91

150

48

3Li

?

<10-5

<10-5

0,3

4Be-5B

0,02

<10-5

0,8

6C

0,54*

0,6

0,26

1,8

7N

0,20

0,1

0,20

0,8

8O**

1,0*

1,0

1,0

1,0

9F

<0,03

10-3

<10-4

0,1

10Ne

0,16*

0,054

0,36

0,30

11Na

?

0,002

0,002

0,19

12Mg

0,18*

0,05

0,040

0,32

13Al

?

0,002

0,004

0,06

14Si

0,13*

0,065

0,045

0,12

15P-21Sc

0,06

0,032

0,024

0,13

16S-20Ca

0,04*

0,028

0,02

0,11

22Ti-28Ni

0,02

0,006

0,033

0,28

26Fe

0,15*

0,05

0,06

0,14

* Данные наблюдений для интервала =1-20 МэВ/нуклон, остальные цифры в этой графе относятся в основном к >40 МэВ/нуклон. Точность большинства значений в таблице в целом - от 10 до 50%. ** Обилие ядер кислорода принято за единицу

Важнейшими характеристиками Космических лучей является их состав (распределение по массам и зарядам), энергетический спектр (распределение по энергиям) и степень анизотропии (распределение по направлениям прихода). Относительное содержание ядер в Космических лучах приведено в табл.1. Из табл. 1 видно, что в составе Космических лучей галактическое происхождения гораздо больше лёгких ядер (Z= 3-5), чем в солнечных К. л. и в среднем в звёздах Галактики. Кроме того, в них присутствует значительно больше тяжёлых яде (20) по сравнению с их естественной распространённостью. Оба эти различия очень важны для выяснения вопрос о происхождении Космических лучей.

Относительные числа частиц с различной массой в К. л. приведены в табл. 2.

Табл. 2. Состав и некоторые характеристики космических лучей с энергиями 2,5 ГэВ/нуклон

Частицы, входящие в группу

Заряд ядра

Средняя атомная масса, а.е.м.

Интенсивность, число частиц/ (мсср)

Число частиц на 10 тыс. протонов

в среднем в звездах Галактики

p

протоны

1

1

1300

10000

10000

-частица

ядра гелия

2

4

94

720

1600

L

легкие ядра

3-5

10

2,0

15

10-4

M

средние ядра

6-9

14

6,7

52

14

H

тяжелые ядра

10

31

2,0

15

6

VH

очень тяжелые ядра

20

51

0,5

4

0,06

SH

самые тяжелые ядра

> 30

100

~10-4

~10-3

e

электроны

1

1/1836

13

100

10000

Видно, что в потоке первичных К. л преобладают протоны, их более 90% от числа всех частиц. По отношению к протонам -частицы составляют 7%, электроны ~ 1% и тяжёлые ядра - менее 1%. Эти цифры относятся к частицам с энергией 2,5 ГэВ/нуклон по измерениям у Земли в минимуме солнечной активности, когда наблюдаемые энергетические спектр можно считать близким к немодулированному спектру К. л. в межзвёздном пространстве.

Интегральный энергетический спектр К. л. [частиц/(см2с)] отражает зависимость числа частиц I с энергией выше (I0 - нормировочная константа, +1 - показатель спектра, знак минус указывает на то, что спектр имеет падающий характер, т.е. с увеличением интенсивность К. л. уменьшается). Часто пользуются также дифференциальным представлением спектра [частиц/(см2с МэВ)], которое отражает зависимость от числа частиц в расчёте на единичный интервал энергии (1 МэВ).

Рис. 2. Дифференциальный спектр космических лучей в межпланетном пространстве вблизи орбиты Земли: 1 - протоны; 2 -  -частицы галактических космических лучей; 3 - протоны от солнечных вспышек. Для сравнения показаны спектры протонов и  -частиц солнечного ветра (кривые 4 и 5 соответственно)

Дифференциальный спектр по сравнению с интегральным позволяет выявить более тонкие детали энергетического распределения Космических лучей. Это видно из рис. 2, где показан дифференциальный спектр Космических лучей, наблюдаемый у Земли в интервале примерно от 106 до эВ. Частицы К. л. с энергиями, попадающими в этот интервал, подвержены влиянию солнечной активности, поэтому изучение энергетического спектра Космических лучей в интервале 106-1011 эВ крайне важно для понимания проникновения Космических лучей из межзвёздного в межпланетное пространство, взаимодействия Космических лучей с межпланетным магнитным полем (ММП) и солнечным ветром <#"669331.files/image040.gif">эВ казался довольно ясным: спектр у Земли имеет максимум вблизи 400 МэВ/нуклон; немодулированный спектр в межзвёздном пространстве должен иметь степенную форму; в межпланетном пространстве не должно быть галактических Космических лучей малых энергий. Прямые измерения К. л. в интервале от 106 до 108 эВ показали, вопреки ожиданиям, что, начиная примерно с = 30 МэВ (и ниже), интенсивность К. л. снова растёт, т.е. был обнаружен характерный провал в спектре. Вероятно, провал - это результат усиленной модуляции К. л. в области эВ, где рассеяние частиц на неоднородностях ММП наиболее эффективно.

генерация частица нейтрино ядерный

Рис. 3. Амплитуда звёздно-суточной анизотропии Aзв космических лучей в зависимости от энергии в интервале 1011-1020 эВ. Максимальное значение Aзв= 35% наблюдалось при  эВ

Для К. л. с эВ характерна высокая изотропия: с точностью до 0,1% интенсивность частиц по всем направлениям одинакова. При более высоких энергиях анизотропия растёт и в интервале эВ достигает нескольких десятков % (рис. 3). Анизотропия ~ 0,1% с максимумом вблизи 19 ч звёздного времени соответствует преимущественному направлению движения К. л. вдоль силовых линий магнитного поля галактического спирального рукава, в к-ром находится Солнце. С ростом энергии частиц время максимума сдвигается к 13 ч звёздного времени, что соответствует наличию дрейфового потока К. л. с эВ из Галактики поперёк магнитных силовых линий.

.2 Область модуляционных эффектов

Частицы самых низких энергий не могут наблюдаться непосредственно у Земли, поскольку солнечный ветер препятствует вхождению этих частиц в нашу Гелиосферу. Эта гелиосферная модуляция уменьшается с увеличением энергии и приводит к солнечному циклу вариации интенсивности КЛ при низких энергиях. В интенсивности и спектре ГКЛ, попадающих в Гелиосферу, происходят заметные изменения. Эти изменения, прежде всего, связаны с взаимодействием потока космических лучей с солнечным ветром и вмороженными в этот ветер магнитными полями. В результате энергетический спектр галактических космических лучей, измеренный у Земли, заметно отличается от спектра ГКЛ в межзвёздной среде. На Рис.9 представлены результаты измерений спектра галактических космических лучей в периоды времени, соответствующие различным фазам солнечной активности (Heber, 2001).

Рис. 9 Энергетический спектр различных элементов, измеренный вблизи Земли в год минимума солнечной активности (верхние кривые) и в год максимума (нижние)

Видно, что при энергиях более 10 ГэВ/нуклон интенсивности ГКЛ в различные фазы солнечной активности отличаются незначительно. В то же время при энергиях ~ 10 МэВ интенсивности спектров могут отличаться на порядок.

При рассмотрении различных явлений в гелиосфере на протяжении нескольких десятилетий определяющим их фактором является 11-летняя и 22-летняя цикличность солнечного процесса, характеризующегося рядом чётко установленных закономерностей, касающихся уровня активности Солнца, расположения активных областей на фотосфере, а также магнитного поля активных образований. Граница области модуляции находится на расстояниях ~100 а.е.

На Рис.10 показана модуляция интенсивности КЛ в 11-летнем солнечном цикле (Базилевская и др., 2005). Интенсивность ГКЛ меняется в противофазе с числом солнечных пятен. Однако процессы солнечной модуляции оказываются довольно сложными и не сводятся только к антикорреляции с числом солнечных пятен.

Теоретической основой транспорта ГКЛ в гелиосфере является уравнение переноса Паркера (Parker, 1965):

где - функция распределения космических лучей, R-жёсткость, r и t- соответственно расстояние от Солнца и время. V - скорость солнечного ветра. В правой части уравнения записаны члены, описывающие конвекцию частиц, продольный и поперечный дрейф, диффузию, адиабатические изменения энергии и источник частиц соответственно. Источником частиц может быть любой гелиосферный источник. K- тензор, симметричная часть которого описывает диффузию, а антисимметричная часть тензора описывает дрейф частиц в гелиосферном магнитном поле со средней скоростью VD. В последние годы особенно важным становится учёт диффузии в направлении, перпендикулярном магнитному полю.
Уравнение (1) решают, как правило, численно. Его решение, в принципе, позволяет получить значения модуляции внутри гелиосферы. Однако, многообразие природных процессов и связей, в которые вовлечены КЛ, так велико, что при решении этого уравнения возникает проблема - необходимость детального знания пространственных, временных и энергетических зависимостей основных параметров уравнения от размеров и геометрии области модуляции.

В связи со сложностью проблемы в последнее время очень активно совершенствуются модели модуляции, основанные на трёхмерном, зависящем от энергии численном моделировании. Результаты расчётов могут быть сопоставлены с экспериментальными данными, полученными на аэростатах и космических аппаратах. В работе (Bonino et al, 2001) с использованием приближённого решения транспортного уравнения представлен дифференциальный по энергии спектр протонов, зависящий от параметра солнечной модуляции М:

Здесь Т - кинетическая энергия на нуклон, а Е0 - энергия покоя нуклона. В этой же работе проанализированы экспериментальные данные наблюдений спектра галактических космических лучей на баллонах и космических аппаратах. Рассмотрено 29 различных экспериментов. Путём сопоставления результатов расчётов по формуле (2) с этими данными были определены параметры солнечной модуляции М, наилучшим образом описывающие значения экспериментальной интенсивности. (Рис.11)

Рис. 11 Дифференциальные спектры космических лучей, полученные на основе уравнения (2) для различных значений солнечной модуляции М = 390, 600, 820, 1080 МэВ (соответственно кривые 1,2,3,4) в сопоставлении с экспериментальными данными, полученными на баллонах и космических аппаратах в течение 1965, 1968, 1980 и 1989 гг. соответственно

Существует полуэмпирическая динамическая модель (Ныммик, 2005), позволяющая описывать потоки частиц ГКЛ с Z от 1 до 92 и с энергиями от 5 до 105 МэВ/нуклон. В модели учтена зависимость потоков от уровня солнечной активности, а также величина и направление магнитного поля Солнца.

.3 Происхождение космических лучей

В настоящее время нет однозначного ответа на вопрос о происхождении космических лучей. Ясно одно, что кроме Солнца, которое является источником космических лучей относительно низкой энергии, на небе есть источники, обеспечивающие ускорение частиц до очень больших энергий. В целом проблема происхождения космических лучей включает механизм ускорения и распространения в различных условиях. На основе многолетних исследований с использованием спутниковой и баллонной техники, наземных экспериментов установлены следующие основные характеристики галактических космических лучей.

. Плотность энергии космических лучей составляет 1 эВ в 1 см3. Эта величина сравнима с плотностью энергии света звезд, чернотельного излучения, турбулентного движения межзвездного газа, магнитного поля в Космосе. Таким образом, космические лучи являются равноправными партнерами в космическом сообществе и соответственно их вклад в динамику космических явлений является весомым.

. Дифференциальный энергетический спектр галактических космических лучей степенной

(E ) ~ E - g

где g = 2,7, от низких энергий до 1015 эВ. Для энергии больше 3 · 1015 эВ в спектре имеются важные особенности, которые будут рассмотрены ниже.

. Вплоть до очень высоких энергий не обнаружена анизотропия.

. Поток галактических космических лучей практически не меняется во времени.

. Наиболее вероятным источником галактических космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. Основа такого заключения - энергетические соображения. Основополагающие идеи и конкретные теоретические разработки принадлежат В.Л. Гинзбургу.

Из-за высокой изотропии космических лучей наблюдения у Земли не позволяют установить, где они образуются и как распределены во Вселенной. На эти вопросы ответила радиоастрономия в связи с открытием космического синхротронного излучения <#"669331.files/image058.gif">Гц. Это излучение создаётся электронами очень высокой энергии при их движении в магнитном поле Галактики. Частота , на к-рой интенсивность радиоизлучения максимальна, связана с напряжённостью магнитного поля Н и энергией электрона соотношением

(Гц)

где - питч-угол электрона (угол между вектором скорости электрона и вектором Н). Магнитное поле Галактики, измеренное несколькими методами, имеет величину Э.

В среднем, при Э и =0,5, эВ, т.е. радиоизлучающие электроны должны иметь такие же энергии, как и основная масса Космических лучей., наблюдаемых у Земли. Эти электроны, являющиеся одним из компонентов К. л., занимают протяжённую область, охватывающую всю Галактику и называемую галактическое гало. В межзвёздных магнитных полях электроны движутся подобно др. заряженным частицам высокой энергии - протонам и более тяжёлым ядрам. Разница состоит лишь в том, что благодаря малой массе электроны, в отличие от более тяжёлых частиц, интенсивно излучают радиоволны и тем самым обнаруживают себя в удалённых частях Галактики, являясь индикатором К. л. вообще.

Кроме общего галактического синхротронного радиоизлучения были обнаружены дискретные его источники: оболочки сверхновых звезд <#"669331.files/image066.gif">

Рис. 4. Зависимость потока гамма-лучей от галактической долготы l по данным наблюдений (вертикальные чёрточки) в сравнении с результатами расчёта (сплошная кривая) на основе гипотезы об остатках вспышек сверхновых как главном источнике космических лучей

До начала 70-х гг. 20 в. многие исследователи считали, что К. л. с эВ имеют в основном метагалактическое происхождение. При этом указывалось на отсутствие известных галактических источников частиц с вплоть до 1021 эВ и на трудности, связанные с проблемой их удержания в Галактике. В связи с открытием пульсаров (1967 г.) был рассмотрен ряд возможных механизмов ускорения до сверхвысоких энергий даже очень тяжёлых ядер. С другой стороны, полученные данные свидетельствуют о том, что наблюдаемые у Земли электроны образуются и накапливаются в Галактике. Нет никаких оснований думать, что протоны и более тяжёлые ядра ведут себя в этом отношении по-другому. Таким образом., оправдывается теория галактического происхождения Космических лучей.

Косвенное подтверждение этой теории получено из данных о распределении по небесной сфере источников космического гамма-излучения. Это излучение возникает за счёт распада -мезонов, которые образуются при столкновениях Космических лучей. с частицами межзвёздного газа, а также вследствие тормозного излучения релятивистских электронов при их столкновениях с частицами межзвездного газа. Гамма-лучи не подвержены воздействию магнитных полей, поэтому направление их прихода непосредственно указывает на источник. В отличие от наблюдаемого внутри Солнечной системы почти изотропного распределения Космических лучей, распределение гамма-излучения по небу оказалось весьма неравномерным и подобным распределению сверхновых звёзд по галактической долготе (рис. 4). Хорошее совпадение экспериментальных данных с ожидаемым распределением гамма-излучения по небесной сфере служит весомым доказательством того, что основной источник Космических лучей- сверхновые звёзды.

Теория происхождения космических лучей опирается не только на гипотезу о галактической природе источников космических лучей, но и на представление о том, что космические лучи длительное время удерживаются в Галактике, медленно вытекая в межгалактическое пространство. Двигаясь по прямой, космические лучи покинули бы Галактику спустя несколько тысяч лет после момента генерации. В масштабах Галактики это время столь мало, что восполнить потери при такой быстрой утечке было бы невозможно. Однако в межзвёздном магнитном поле с сильно запутанными силовыми линиями движение космических лучей имеет сложный характер, напоминающий диффузию молекул в газе. В результате время утечки космических лучей из Галактики оказывается в тысячи раз большим, чем при прямолинейном движении. Сказанное касается основой части частиц космических лучей (с эВ). Частицы с более высокой энергией, число которых очень мало, слабо отклоняются галактическим магнитным полем и покидают Галактику сравнительно быстро. С этим, по-видимому, связан излом в спектре космических лучей при эВ.

.4 Классификация по происхождению космических лучей

·        вне нашей Галактики

·              в Галактике

·              на Солнце

·              в межпланетном пространстве

Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации <#"669331.files/image070.gif">

Рис. 5. Спектр всех частиц первичных космических лучей

.5 Механизмы ускорения космических лучей

Вопрос о возможных механизмах ускорения частиц до энергий ~ 1021 эВ в деталях ещё далёк от окончат. решения. Однако в общих чертах природа процесса ускорения уже ясна. В обычном (не ионизованном) газе перераспределение энергии между частицами происходит за счёт их столкновений между собой. В разреженной космической плазме столкновения между заряженными частицами играют очень малую роль, а изменение энергии (ускорение или замедление) отдельной частицы обусловлено её взаимодействием с электромагнитными полями, возникающими при движении всех окружающих её частиц плазмы.

В обычных условиях число частиц с энергией, заметно превышающей ср. энергию теплового движения частиц плазмы, ничтожно мало. Поэтому ускорение частиц должно начинаться практически от тепловых энергий. В космической плазме (электрически нейтральной) не могут существовать сколько-нибудь значительные электростатические поля, которые могли бы ускорять заряженные частицы за счёт разности потенциалов между точками поля. Однако в плазме могут возникать электрические поля импульсного или индукционного характера. Импульсные электрические поля появляются, напр., при разрыве нейтрального токового слоя, возникающего в области соприкосновения магнитных полей противоположной полярности Индукционное электрическое поле появляется при увеличении напряжённости магнитного поля со временем (бетатронный эффект). Кроме импульсных полей начальная стадия ускорения может быть обусловлена взаимодействием ускоряемых частиц с электрическими полями плазменных волн в областях с интенсивным турбулентным движением плазмы.

В отличие от регулярного ускорения импульсными и индукционными электрическими полями, ускорение плазменными волнами имеет статистический характер. В турбулентной плазме имеется большое количество волн с разными фазовыми скоростями. Для частиц со скоростями v > vт (vт - тепловая скорость электронов) всегда находится достаточное число волн, с которыми они усиленно взаимодействуют (частица медленно движется относительно "вершины" волны и отражается от неё). Эффективная темп-ра плазменных волн на много порядков больше, чем темп-ра частиц плазмы. Поэтому стремление к равномерному распределению темп-ры (энергии) между волнами и взаимодействующими с ними быстрыми частицами приводит к значит. ускорению последних. Этот механизм аналогичен известному статистическому механизму Ферми (подробнее об этом см. ниже), но здесь он определяется условиями плазменной турбулентности <#"669331.files/image071.gif">

где R = cp/Ze - магнитная жёсткость частиц (измеряется в вольтах), - питч-угол частицы. Если поле мало изменяется на расстояниях, сравнимых с величиной , то траектория частицы имеет вид винтовой линии, навивающейся на силовую линию магнитного поля. При этом силовые линии поля как бы прикреплены к плазме (вморожены в плазму) - смещение любого участка плазмы вызывает соответствующее смещение и деформацию силовых линий магнитного поля, и наоборот. Если в плазме возбуждены достаточно интенсивные движения (такая ситуация возникает, напр., в результате взрыва сверхновой), то имеется много таких беспорядочно движущихся участков плазмы. Для наглядности их удобно рассматривать как отдельные плазменные облака, движущиеся друг относительно друга с большими скоростями. Основная масса частиц плазмы удерживается в облаках и движется вместе с ними. Однако небольшое число частиц высокой энергии, для которых радиус кривизны траектории в магнитном поле плазмы сравним с размером облака или превышает его, попадая в облако, не остаётся в нём. Эти частицы лишь отклоняются магнитным полем облака, происходит как бы столкновение частицы с облаком в целом и рассеяние частиц на нём (рис. 5). В таких условиях частица эффективно обменивается энергией сразу со всем облаком. Но кинетическая энергия облака очень велика и в принципе энергия ускоряемой т.о. частицы может расти неограниченно, пока частица не покинет область с интенсивными движениями плазмы. Такова суть статистического механизма ускорения, предложенного Э. Ферми в 1949 г. Аналогично происходит ускорение частиц при их взаимодействии с мощными ударными волнами (напр., в межпланетном пространстве), в частности при сближении двух ударных волн, образующих отражающие магн. "зеркала" (или "стенки") для ускоряемых частиц.

Рис. 5. Столкновение частицы с движущимся магнитным облаком. При движении облака возникает электрическое поле E, направленное перпендикулярно векторам напряжённости магнитного поля H и скорости облака u. Это поле ускоряет частицу при встречном столкновении с облаком или замедляет её, если она догоняет облако

Все механизмы ускорения приводят к спектру космических лучей, в к-ром с ростом энергии число частиц убывает. На этом сходство механизмов кончается. Несмотря на интенсивные теоретические и экспериментальные исследования, пока не найдено универсального механизма ускорения или комбинации механизмов, которые могли бы объяснить все особенности спектра и зарядового состава К. л. В случае, напр., импульсного электрического поля Е скорость приращения жёсткости R определяется соотношением dR/dt = сЕ, т.е. не зависит от первоначальной магнитной жёсткости частиц. При этом ускоряются все частицы в области действия поля E, их состав будет отражать состав исходной плазмы, а спектр иметь вид D(R) ~ exp-(R/R0), где R0 - характеристическая жёсткость спектра.

При ускорении плазменными волнами могут ускоряться частицы с энергией лишь в несколько раз больше тепловой. Число таких частиц не слишком мало, но условия ускорения будут существенно зависеть от сорта частиц, что должно вести к сильному изменению их состава по сравнению с составом исходной плазмы. Спектр ускоренных протонов, однако, и в этом случае может быть ~ exp-(R/R0). Бетатронный механизм, в основе которого лежит сохранение адиабатическая инварианта движения частицы = const, даёт степенной спектр и не избирателен по отношению к сорту частиц, но его эффективность пропорциональна магнитной жёсткости частицы (dR/dt ~ R), т.е. для его действия необходимо предварительное ускорение (инжекция).

Механизм ускорения Ферми даёт степенной энергетический спектр , однако он избирателен по отношению к сорту частиц. Ускорение ударными волнами в космической плазме также приводит к степенному энергетическому спектру, причём теоретические расчёты дают показатель =2,5, что довольно хорошо соответствует наблюдаемой форме спектра космических лучей таким образом, теория ускорения, к сожалению, допускает неоднозначный подход к интерпретации наблюдаемых спектров ускоренных частиц (в частности, солнечных космических лучей).

Процессы ускорения импульсными электрическими полями вблизи нулевых линий магнитного поля наблюдаются во время вспышек на Солнце, когда в течение нескольких мин появляются частицы, ускоренные до энергии в нескольких ГэВ. Вблизи пульсаров, в оболочках сверхновых звёзд в Галактике, а также во внегалактического объектах - радиогалактиках и квазарах - этот процесс также может играть роль основного механизма ускорения или, по крайней мере, роль инжектора. В последнем случае инжектируемые частицы ускоряются до макс. наблюдаемых в К. л. энергий в результате взаимодействий с волнами и с неоднородностями магнитного поля в турбулентной плазме.

Наблюдения в различных масштабах (Галактика, Солнце, магнитосфера Земли и т.д.) показывают, что ускорение частиц происходит в космической плазме всюду, где имеются достаточно интенсивные неоднородные движения и магнитного поля. Однако в большом количестве и до очень больших энергий частицы могут ускоряться только там, где плазме сообщается очень большая кинетическая энергия. Это как раз и происходит в таких грандиозных космических процессах, как вспышки сверхновых звёзд, активность радиогалактик и квазаров.

Наряду с огромной ролью космических лучей в астрофизических процессах, необходимо отметить их значение для изучения далёкого прошлого Земли (изменений климата, эволюции биосферы и т.д.) и для решения некоторых практических задач современности.

Заключение

Исследования Галактических космических лучей , продолжающиеся уже в течение нескольких десятилетий, не привели, тем не менее, к закрытию «белых пятен» в этой интересной области, хотя многие вопросы были успешно решены. Можно, например, констатировать, что накопленной информации вполне достаточно для оценки вклада ГКЛ в радиационный фон на орбитах космических аппаратов. Однако, по мере повышения энергии частиц, качество информации ухудшается. Недостаточная светосила используемых установок на больших высотах и в космическом пространстве не позволяет исследовать область 1014-1015 эВ прямыми методами с достаточной статистикой, не говоря уже о том, чтобы продвинуться в область энергий, в которой происходит излом спектра ГКЛ. Следствием такой ситуации является некоторая нестабильность экспериментальных данных, которые в области выше 1012 эВ после осуществления новых экспериментов меняют оценки интенсивности на 20-30%. Поэтому ближайшей и актуальной задачей остается создание аппаратуры с большими геометрическими факторами, что позволило бы исследовать область излома прямыми методами.

Литература

1. Гинзбург В.Л., Сыроватский С.И., Происхождение космических лучей, М., 1963; Мирошниченко Л.И., Космические лучи в межпланетном пространстве, М., 1973;

2. Дорман Л.И., Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей, М., 1975; Топтыгин И, Н., Космические лучи в межпланетных магнитных полях, М., 1983. Мирошниченко Л. И., Петров В. М., Динамика <http://femto.com.ua/articles/part_1/1011.html> радиационных условий в космосе, М., 1985. Л. И. Мирошниченко.

. Космические лучи и их взаимодействие, М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Бондаренко В. М., Использование космических лучей в геологии, М., 1965. Популярная лит.: Росси Б., Космические лучи, пер. с англ., М., 1966;

. Добротин Н. А., Космические лучи, М., 1963; Жданов Г. Б., Частицы высоких энергии, М., 1965; Гинзбург В. Л., Происхождение космических лучей, М., 1968.

. Грейзен К., Широкие атмосферные ливни. В сб: «Физика космических лучей». Под ред. Дж.Вильсона. М.: ИЛ. 1958. Т.3. №.7-141.

. Зацепин Г.Т., Кузьмин В.А., О верхней границе спектра космических лучей, Письма в ЖЭТФ, Т.4, С.114-116, 1966.