книги из ГПНТБ / Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник

тиц при приближении к Земле. По мере уменьшения L интенсив­ ность электронов с энергиями в десятки килоэлектронвольт ме­

няется слабо, но быстро возрастают потоки электронов более высоких энергий.

Потоки электронов радиационного пояса находятся в силь­

На высотах менее 1000 км над поверхностью Земли основные осо­ бенности распределения электронов определяются аномалиями геомагнитного поля.

На широтах <р > 50° часто происходит «высыпание» электро­ нов из радиационного пояса и рассеяние их в плотных слоях ат­ мосферы. Во время магнитных бурь сброс электронов резко воз­ растает на всех долготах и сопровождается повышением иониза­ ции в слоях Е и D ионосферы, а также полярными сияниями.

Большой научный интерес представляет установление источ­ ников заряженных частиц в радиационном поясе.

Потоки быстрых протонов могут формироваться при проры­ вах протонов солнечного ветра и корпускулярных потоков через нейтральные точки магнитосферы, а также в результате распада нейтронов альбедо космических лучей. При распространении в области магнитосферы под воздействием магнитного поля проис­ ходит ускорение протонов до высоких энергий.

Первичные космические лучи при взаимодействии с атомами атмосферы вызывают ядерные реакции, при которых освобож­ даются нейтроны. В более плотных слоях атмосферы эти быстрые нейтроны могут создать вторичные нейтроны или распасться по

ся в пределах магнитосферы. Образующиеся протоны и элек­ троны при соответствующих питч-углах могут быть также захва­ чены геомагнитным полем. Наиболее вероятной причиной гибели электронов с Ер > 0,5 Мэе являются ионизационные потери, а в области меньших энергий, кроме того, и перезарядка.

В динамике электронной компоненты радиационного пояса большую роль играет перенос. При этом источником энергичных электронов являются электроны с энергией в десятки килоэлек­ тронвольт, сосредоточенные у границы магнитосферы, интенсив­ ность и спектр которых относительно стабильны. Потери электро­ нов происходят в результате рассеяния в плотных слоях атмо­

сферы.

§ 4. Р А Д И А Ц И О Н Н Ы Е ПОЯСА У Д Р У ГИ Х Н Е Б Е С Н Ы Х ТЕЛ. И СКУС СТВЕН Н Ы Й Р А Д И А Ц И О Н Н Ы Й ПОЯС

Существование радиационного пояса у Земли является общим астрофизическим явлением. Эти пояса могут быть и у других не­ бесных тел. Их наличие зависит от размеров небесного тела, тол­ щины и плотности его атмосферы, а главное, от наличия и напря­ женности магнитного поля. Можно сказать, что чем сильнее маг­ нитное поле и чем тоньше атмосфера, тем больше вероятность существования радиационного пояса у небесного тела.

Луна не имеет радиационного пояса, так как не обладает ин­ тенсивным магнитным полем. Вопрос о наличии радиационных поясов у Венеры и Марса требует еще выяснения. Радиоастроно­ мические измерения указывают, что Юпитер должен иметь го­ раздо более сильное магнитное поле, чем Земля. Если его напря­ женность превышает земную в 10 раз (5 э), то в этом случае радиационный пояс Юпитера должен простираться на расстоя­ ние около 300 000 км от его поверхности. Некоторые ученые счи­ тают, что солнечная корона является радиационным поясом Солнца.

Радиационный пояс может быть создан и искусственно. Аме­ риканцы в 1958 г. по программе «Аргус» произвели три сравни­ тельно слабых ядерных взрыва на высоте около 480 км. В резуль­ тате взрыва освободилось большое количество электронов, кото­ рые попали в магнитосферу Земли. Измерения радиации с помощью специальных ракет «Язон» и ИСЗ «Эксплорер-IV» по­ казали, что электроны образовали искусственный радиационный пояс, который состоял из трех областей толщиной около 20 км каждая. Первая область образовалась на уровне внутренней ра­ диационной зоны, а вторая и третья — в «щели» между внутрен­ ней и внешней зонами. Первые две области искусственного пояса исчезли довольно быстро, третья же область продержалась две недели. С течением времени ее размеры почти не менялись, а кон­ центрация частиц в ней постепенно уменьшалась1).

9 июля 1962 г. над островом Джонстон США был произведен высотный термоядерный взрыв «Морская звезда», создавший искусственный пояс высокоэиергичных электронов. В результате взрыва появились электроны, ранее не обнаруживаемые в радиа­

') Операция «Аргус». Материалы Симпозиума. Атомиздат, I960.

242

ГЛАВА XUI

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

§ 1. З Н А Ч Е Н И Е ИЗУЧЕНИЯ К О СМ И Ч ЕСК И Х Л УЧЕЙ

Околоземное космическое пространство и земная атмосфера, кроме электромагнитного излучения, пронизываются потоками заряженных частиц различных энергий.

Космические лучи — это потоки заряженных частиц с энер­ гией от 107 до 1020 эв, приходящие в земную атмосферу из миро­ вого космического пространства и частично от Солнца. Средняя энергия первичной космической частицы около 1010 эв.

К космическому излучению также относят космические гам­ ма-лучи, рентгеновские лучи и нейтрино.

Исследование космического излучения в последние годы при­ обрело большое как теоретическое, так и практическое значение. С космическими лучами неразрывно связана вся физика высоких энергий и элементарных частиц, а также решение целого ряда астрофизических проблем.

Физики используют космические лучи для изучения элемен­ тарных частиц и их взаимодействий, так как в земных условиях с

Астрофизикам космические лучи приносят ценную информа­ цию о физических условиях в областях их зарождения и о том космическом пространстве, которое они прошли на пути к Земле. Наряду со звездами, кометами и межзвездным газом космиче­ ские лучи являются составной частью Галактики и Вселенной в целом.

Изучение пространственно-временных изменений интенсивно­ сти космических лучей в околоземном космическом пространстве имеет большое значение для оценок радиационной опасности при проведении космических полетов.

Космические лучи солнечного происхождения вызывают ионо­ сферные возмущения — поглощение радиоволн в полярной шап­ ке (см. гл. IX). Изучение этого геофизического эффекта косми-

244

ческих лучей имеет большое значение для прогнозов распростра­ нения коротких радиоволн в полярных районах.

Исследования космических лучей играют существенную роль в общей программе изучения космоса. Для получения экспери­ ментальных данных о первичных космических лучах широко при­ меняются баллоны, ИСЗ и космические ракеты. Интенсивность космических лучей различных энергий измерялась на корабляхспутниках, многих спутниках серий «Космос» и «Электрон», кос­ мических ракетах, запущенных к Луне, Венере, Марсу. Но осо­ бенно большое значение для изучения космических лучей имели запуски научных космических станций «Прото.н-1» (16/VII 1965 г), «Протон-2» (2/XI 1965 г.), «Протон-3» (6/VII 1966 г.) и «Протон-4» (16/XI 1968г.). Полезный вес каждой из этих станций с комплексом контрольно-измерительной аппаратуры составлял более 12 т. Научные космические станции серии «Протон» осна­ щались уникальной аппаратурой — ионизационным калоримет­ ром, изобретенным и сконструированным советскими физиками, специальными гамма-телескопами и спетрометрами зарядов.

В программу космических станций входило комплексное ис­ следование космических лучей:

— изучение солнечных космических лучей;

—изучение энергетического спектра и химического состава космических лучей в интервале энергии Ю10—1014 эв\

—изучение ядерного взаимодействия космических частиц в области энергии до 1012 эв\

—исследование электромагнитного излучения высокой энер­ гии (гамма-квантов);

—измерение абсолютной интенсивности и энергетического спектра электронов галактического происхождения.

Запуски космических станций позволили получить ряд весьма ценных экспериментальных данных о первичном космическом из­ лучении.

§ 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ К О С М И Ч ЕС К И Х Л У Ч ЕЙ

Основной величиной, характеризующей космические лучи, яв­ ляется их интенсивность (/).

Интенсивность космических лучей — это количество частиц,

проходящих в единицу времени через единичную площадку, пер­ пендикулярную направлению наблюдения, отнесенное к единич­ ному телесному углу:

[/] = частиц/м2 • стер • сек.

Различают интенсивность по заданному направлению (/в), вертикальную (/о) и глобальную (Iр).

245

Глобальной интенсивностью называется количество частиц, проходящих в единицу времени через сферу с единичным сече­ нием:

где dQ — элемент телесного угла, 9 — угол между нормалью к площадке и направлением наблюдения; / р измеряется в

смг2-мин~х.

Для характеристики космических лучей иногда также исполь­ зуется поток частиц:

Так как поток космических лучей состоит из частиц различ­ ных энергий, то их распределение по энергиям принято характе­ ризовать дифференциальной и интегральной интенсивностью.

Дифференциальная интенсивность показывает, что 1(E)dE есть интенсивность частиц с энергией в интервале dE. Если 1(E) измеряется в единицах частиц/м2 ■сек • стерад • Гэв, то это значит, что 1(E) численно равна интенсивности 1(E)dE для интервала dE, равного 1 Гэв.

Интегральная интенсивность частиц с энергией больше задан­ ной равна:

Интенсивности 1(E) и / (> Е) часто называют соответственно дифференциальным и интегральным спектрами частиц.

Под энергией частицы понимается ее полная энергия:

где т0с2 -г- энергия покоя частицы с массой покоя т0, Ек — ки­ нетическая энергия, с — скорость света.

Различают также энергию частицы Е и энергию на нуклон

е = (А — атомный вес или массовое число ядра).

Кинетическая энергия частицы, движущейся со скоростью v, определяется выражением

(2.5)

Для нерелятивистских частиц, когда v с,

246

Проникающая способность частицы в атмосферу Земли зави­ сит от импульса частицы, который равен:

§ 3. ПЕРВИЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Первичные космические лучи в основном состоят из протонов (— 90%) и а-частиц(~ 9%), но в них также входят ядра более тяжелых элементов, быстрые электроны, позитроны, фотоны гамма- и рентгеновского излучения и нейтрино. Общий состав космических лучей примерно соответствует распределению хими­ ческих элементов во Вселенной.

Первичные космические лучи можно наблюдать лишь за пре­ делами земной атмосферы, а практически — с высоты около 40 км, на которой масса вышележащего воздуха составляет неболее 1—2 г/см2.

Космические лучи в нашей солнечной системе имеют в основ­ ном галактическое и частично солнечное происхождение. На Солнце в периоды мощных солнечных вспышек могут генериро­ ваться частицы с энергиями до 1010 эв. Источниками космиче­ ских частиц с энергиями до 1016 эв по современной галактической теории происхождения космических лучей являются сверхновые звезды и, возможно, «малые» взрывы галактического ядра. Рас­ четы показывают, что для обеспечения наблюдающейся интен­ сивности космических лучей вспышки сверхновых звезд в Галак­ тике должны происходить в среднем раз в 100 лет. Частицы же с энергиями более 1016— 1017 эв приходят в Галактику извне и ге­ нерируются, по-видимому, в радиогалактиках.

В первичных космических лучах различают три компоненты: протонно-ядерную, электронно-позитронную и космические гамма- и рентгеновские лучи.

Протонно-ядерная компонента — основная по интенсивности п переносимой энергии. Она исследована наиболее полно. Ее со­ став приведен в табл. 13.1.

Табл. 13.1 показывает несоответствие между содержимым ядер группы L (Li, Be, В) в космических лучах и во Вселенной. В природе таких ядер сравнительно мало, а в космических лучах их столько же, сколько Н-ядер, т. е. всех ядер с z >10. Такое по­ вышенное содержание в космических лучах ядер L объясняется дроблением более тяжелых ядер в результате взаимодействия космических частиц с межзвездным газом.

247

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