Солнечные космические лучи

Солнечные космические лучи связаны с деятельностью солнца и появляются в межпланетном пространстве в виде интенсивных потоков заряженных частиц после хромосферных вспышек.Состав СКЛ в основном соответствует распространенности элементов на солнце: около 80% - ядра водорода (протоны), до 15% - альфа частицы. Остальное- более тяжелые ядра. В период максимума солнечной активности, который повторяется через 11 лет ( последний был в 1992-1993 годах), происходит около 10 крупных вспышек в год; в период минимума - не более одной. Все они, возникнув, развиваются в каждом случае своеобразно, различаясь мощностью, длительностью, а также составом и формой энергетического спектра СКЛ. Слабые солнечные вспышки проходят в среднем один раз в день.

Энергия частиц СКЛ не превышает 10¹⁰ эВ, что значительно ниже, чем в ГКЛ. Например , после сильной вспышки 4 августа 1972 года она составила 7*10⁴ см^-2с^-1ср^-1 для Е >= 107 эВ. На рисунке для сравнения показаны спектры нескольких крупных вспышек. Значительные потоки СКЛ вызывают дополнительную ионизацию в ионосфере Земли, создавая радиопомехи и затрудняя связь в диапазоне коротких волн. СКЛ представляет основную опасность для межпланетных полетов.

Радиационные пояса Земли. Магнитное поле Земли, взаимодействуя с потоками заряженных частиц первичных КЛ, захватывает некоторую их часть и удерживает в ограниченных областях, называемых радиационными поясами. Захваченные частицы под действием силы Лоренца движутся по спиральным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля ( рис. 2).

Рассмотрим подробнее характер этого движения. Сила Лоренца , как известно, обусловлена поперечной (перпендикулярной к силовой линии) составляющей скорости частицы V_>перп> и является центростремительной силой: F_>л> = q*V_>перп>*B= m*V_>перп>² / R_>перп>, откуда

V перп= q*R*B/m (1)

Здесь q и m - заряд и масса частицы; B= м_>0*>H - магнитная индукция. Радиус спирали R выразим из условия постоянства момента импульса: L = m*V_>перп>*R

R= L/(m*V_>перп>) (2)

Из (1) и (2) можно легко видеть, что

V_>перп>² /B = q*L/m= const (3)

По мере приближения частиц к Земле и увеличения В поперечная скорость V_>перп> , как следует из (3), возрастает. Это происходит из-за уменьшения продольной составляющей скорости V_>прод>, поскольку кинетическая энергия частицы, равная m*(V_>перп>² + V_>прод>² )/2 в силу законов сохранения энергии в стационарном магнитном поле не меняется. Отсюда следует существование некоторой точки, называемой зеркальной, где V_>прод> обращается в нуль и меняет направление. В этой точке частица "отражается", т.е. начинает двигаться обратно, к противоположному магнитному полюсу. Там есть другая зеркальная точка, где снова происходит отражение, и т.д. Период таких колебаний составляет несколько десятых долей секунды.

Форма РПЗ определяется магнитным полем Земли. Различают внутренний и внешний РПЗ. В экваториальной области внутренний РПЗ расположен на высоте примерно от 600 км до 6...7 тысяч км, внешний-от 9...10 до 40...50 тыс. Км. Чем выше энергия частицы, тем более сильное поле требуется для ее удержания. Поэтому частицы со сравнительно высокой энергией сосредоточены во внутреннем РПЗ (протоны с энергией до 10⁹ эВ, электроны - до 10⁶ эВ). Внешний РПЗ состоит из протонов и электронов меньшей энергии (соответственно - до 10⁷ и до 10⁵ эВ).

Интенсивность потока протонов в РПЗ соизмерима с интенсивностью потока СКЛ сильных вспышек, а электронов еще выше. Потоки протонов РПЗ представляют серьезную опасность как для живых организмов, так и для аппаратуры. Магнитное поле в значительной степени экранирует Землю от первичных КЛ. До плотных слоев атмосферы доходят лишь те частицы, энергия которых превышает определенный порог. Данный эффект называют "геомагнитным обрезанием". Он объясняется тем, что у частиц высокой энергии радиус кривизны траектории слишком велик для того, чтобы они удержались в РПЗ. Пороговая энергия максимальна для экваториальных областей (1,5*10¹⁰ эВ) и уменьшается до нуля у магнитных полюсов, где частицы движутся вдоль силовых линий и сила Лоренца на них не действует. На широте Москвы пороговая энергия равна 2,5*10⁹ эВ. Вследствие геомагнитного обрезания поток КЛ у границы атмосферы максимален вблизи полюсов.

Взаимодействие космических лучей в атмосфере

Летящие частицы КЛ, взаимодействуя с атомами атмосферы, вызывают процессы образования и распада практически всех известных элементарных частиц. Мы кратко рассмотрим наиболее часто происходящие процессы.

Во-первых, все энергичные заряженные частицы способны выбивать из атомов быстрые электроны (б-электроны).
Во-вторых, первичные протоны и ядра могут разрушать атомные ядра, выбивать из них нуклоны (протоны, нейтроны) и рождать пионы.

В верхних слоях атмосферы преобладает образование пионов: П⁰, П⁺, П^- в результате взаимодействия протонов КЛ с нуклонами ядер. Интенсивность потока первичных протонов падает, и на высоте 10 км образование пионов практически прекращается. Образовавшиеся пионы быстро распадаются. Нейтральный пион П⁰ примерно через 10-16 с распадается на два гамма-кванта. Из гамма-квантов в поле ядер рождаются электронно-позитронные пары.

Рождение пар происходит в соответствии с законом Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии: Е = m*c². Пара "частица - античастица" может возникнуть, если энергия исходного гамма-кванта превышает общую энергию покоя образующихся частиц. Электроны и позитроны при резком ускорении в электрическом поле ядер, в свою очередь, испускают гамма - кванты, из которых рождаются пары, и т.д. Образуется электронно - позитронный ливень.

Развитие ливня продолжается до тех пор, пока энергия гамма-квантов не снизится настолько, что образование пар станет невозможным. Заряженные пионы через 2,6*10^-8 с распадаются на мюоны и нейтрино (либо антинейтрино):

П⁺ ---> м⁺ + V ; П^- ---> м^- + V^~.

Собственное время жизни мюона составляет T_>0> = 2*10^-6 с, а скорость B = v/c близка к 1. Свет проходит за это время лишь 600 м, и, однако, в силу релятивистской зависимости времени от скорости : T=T_>0>/(1-B²)^1/2, мюоны, рожденные в верхних слоях атмосферы, успевают пролететь десятки километров и достигают земной поверхности. В конце жизни мюоны распадаются по схеме: м^+---->е^+-+V+V^~.

Рассмотренные процессы меняют состав КЛ. На рис. показано изменение интенсивности потока протонов , мюонов и электронов в зависимости от толщины пройденного слоя воздуха. Здесь под толщиной слоя G понимается произведение расстояния x на плотность пронизываемого вещества: G=x*p. Величина G измеряется в кг*м^-2. Толщина всего слоя атмосферы эквивалентна примерно 10 м воды.

Частицы КЛ принято разделять по их проникающей способности на две компоненты - "жесткую" и "мягкую". Мюоны, а также протоны и нейтроны высокой энергии слабо поглощаются веществом и составляют так называемую жесткую компоненту. Электроны, позитроны и фотоны поглощаются намного сильнее и относятся к мягкой компоненте.

Проникающая способность частиц зависит от характера их взаимодействия с веществом: с электронами, с электрическим полем ядер и непосредственно с ядрами . Для частиц КЛ, регистрируемых в условиях лаборатории, основное различие в проникающей способности обусловлено взаимодействием с электрическим полем ядер. Заряженная частица движется вблизи ядер с ускорением под влиянием кулоновской силы. Ускоренное движение заряда всегда сопровождается излучением электромагнитных волн, называемым тормозным излучением, причем интенсивность этого излучения обратно пропорциональна квадрату массы частицы. Электроны, которые при одинаковой величине заряда в 207 раз легче мюонов и в 1840 раз легче протонов, теряют энергию на тормозное излучение намного быстрее, чем мюоны или протоны, и поэтому быстрее останавливаются в веществе.

Взаимодействие частиц с электронами атомов ведет к возбуждению атомов ( переходу электронов на более высокие энергетические уровни) или к ионизации атомов. Энергия, теряемая частицей на ионизацию и возбуждение, зависит прежде всего от заряда частицы и примерно одинакова для всех быстрых однозарядных частиц.
Некоторые частицы при попадании в ядро могут вызывать ядерные реакции, однако ни мюоны, ни электроны в ядерных реакциях не участвуют. К тому же такие события относительно редки:протон или нейтрон, например, взаимодействует в среднем на толщине слоя около 10³ кг*м^-2 (примерно 1 м в воде).