Квазар 3C175

Космические

лучи

Космические лучи

Космические лучи – это частицы, заполняющие межзвёздное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Они были открыты в 1912 г. В. Гессом с помощью ионизационной камеры, установленной на воздушном шаре. Измерение скорости ионизации воздуха в зависимости от высоты подъема над уровнем Земли показало, что с ростом высоты величина ионизации сначала уменьшается, а затем на высоте 2 км начинает резко возрастать. Ионизация образуется космическими лучами, падающими на границу атмосферы из космического пространства. Космические лучи представляют собой ядра различных элементов. Максимальные энергии космических лучей ≈ 1021 эВ на много порядков превосходят

энергии, доступные современным ускорителям (≈ 1012 эВ). Хотя в состав космических лучей

входят не только заряженные, но и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют заряженные частицы.

Космические лучи

Различают следующие типы космических лучей

1.Галактические космические лучи – космические частицы, приходящие на Землю из недр нашей галактики. В их состав не входят частицы, генерируемые Солнцем.

2.Солнечные космические лучи – космические частицы, генерируемые Солнцем.

3.Метагалактические космические лучи −

космические частицы, возникшие вне нашей галактики. Их вклад в общий поток космических лучей невелик.

Космическиелучи

Источники космических лучей.

•Солнечные космические лучи — частицы, генерируемые Солнцем.

•Галактические космические лучи — частицы, приходящие на Землю из недр нашей Галактики.

•Межгалактические космические лучи — частицы возникающие вне нашей Галактики. Их вклад в общий поток космических лучей невелик.

Солнечныекосмическиелучи

Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, −

солнечные космические лучи – важный компонент космического излучения, бомбардирующего Землю. Эти частицы ускоряются до высоких энергий в верхней части атмосферы Солнца во время солнечных вспышек. Солнечные вспышки подвержены определённым временным циклам. Самые мощные из них повторяются в среднем через 11 лет, менее мощные – через 27 дней. Во время мощных солнечных вспышек поток солнечных космических лучей может увеличиться в 106 раз по сравнению с потоком галактических космических лучей.

По сравнению с галактическими космическими лучами в солнечных космических лучах больше протонов (до 98-99% всех ядер) и соответственно меньше ядер гелия (≈ 1.5%). В них практически нет других ядер. Содержание ядер с Z ≥ 2 в солнечных

космических лучах отражает состав солнечной атмосферы. Энергии частиц солнечных космических лучей изменяются в интервале 105-1011 эВ. Их энергетический спектр также имеет вид степенной функции.

dNdE = N0 Е−γ

Параметр γ уменьшается от 7 до 2 по мере

уменьшения энергии частиц.

Первичныекосмическиелучи

Космические лучи, не искаженные взаимодействием с атмосферой Земли, называют первичными. Поток галактических космических лучей, бомбардирующих Землю, изотропен, постоянен во времени и составляет ≈ 1 частица/см2 с (до входа в земную

атмосферу). Плотность энергии галактических

космических лучей ≈ 1 эВ/см3, что сравнимо с

суммарной энергией электромагнитного излучения звёзд, теплового движения межзвёздного газа и галактического магнитного поля.

Энергетическийспектр

космическихлучей

Энергии галактических космических лучей охватывают диапазон 106-1021 эВ. Их поток для частиц с E > 109 эВ быстро уменьшается с ростом энергии. Дифференциальный энергетический спектр ядерной компоненты космических лучей в области 1010-1020 эВ описывается соотношением

dNdE = N0 Е−γ ,

N0 и γ – константы. В спектре наблюдается излом в

районе 1015-1016 эВ.

Показатель наклона спектра до излома γ = 2.7. Для

космических частиц с большей энергией спектр становится круче: γ ≈ 3.

Энергетическийспектр

космическихлучей

Спектр частиц с энергией > 1019 эВ становится более

пологим, что можно объяснить взаимодействием метагалактических космических лучей с энергией

> 1019 эВ с реликтовыми фотонами, в результате чего

космические лучи теряют часть своей энергии, что делает их спектр более пологим. Это же взаимодействие должно приводить и к обрезанию спектра космических лучей при энергии > 5 1019 эВ

(Г. Зацепин, В. Кузьмин и К. Грейзен).

Основные компоненты первичных космических лучей

Каскад вторичных космических частиц в атмосфере Земли

Каскад вторичных космических частиц в атмосфере Земли

В результате взаимодействия высокоэнергичных частиц первичного космического излучения с ядрами атмосферы образуется большое число вторичных частиц – адронов (пионов, протонов, нейтронов, антинуклонов и т.д.), лептонов (мюонов, электронов, позитронов, нейтрино) и фотонов. Развивается сложный многоступенчатый каскадный процесс. Кинетическая энергия вторичных частиц расходуется в основном на ионизацию атмосферы. Толщина земной атмосферы около 1000 г/см2. В то же время пробеги высокоэнергичных протонов в воздухе 70-80 г/см2, а ядер гелия – 20-30 г/см2. Высокоэнергичный протон может испытать до 15 столкновений с ядрами атмосферы и вероятность дойти до уровня моря у первичного протона крайне мала. Первое столкновение происходит обычно на высоте 20 км. Лептоны и фотоны образуются в результате слабых и электромагнитных распадов вторичных адронов

(главным образом, пионов) и рождения γ-квантами e−e+-пар в

кулоновском поле ядер:

π 0 → 2γ,

ядро + γ → ядро + e− + e+.

Таким образом, вместо одной первичной частицы возникает большое число вторичных частиц, которые делят на адронную, мюонную и электронно-фотонную компоненты. В результате лавинообразного нарастания числа частиц в максимуме каскада их число может достигать 106-109 при энергии первичного протона > 1014 эВ. Такой каскад покрывает площадь в несколько квадратных километров и называется широким атмосферным ливнем. После достижения максимального числа частиц происходит затухание каскада в основном за счёт потери энергии на ионизацию атмосферы. Поверхности Земли достигают в основном релятивистские мюоны и нейтрино. Сильнее поглощается электронно-фотонная компонента и практически полностью «вымирает» адронная составляющая каскада. В целом поток частиц космических лучей на уровне моря примерно в 100 раз меньше потока первичных космических лучей и составляет около 0.01 частицы/см2 с.

Радиационные пояса Земли

Для заряженной частицы с энергией, не превышающей несколько ГэВ, в магнитном поле Земли существуют магнитные ловушки — области пространства, в которые заряженные частицы не могут ни влететь извне, ни вылететь из них. Эти области имеют форму тороидов, охватывающих Землю в широтном направлении. Их удаленность от Земли зависит от энергии частицы. Чем выше энергия частицы, тем ближе они расположены к поверхности Земли. Заряженные частицы накапливаются в таких областях магнитного поля. Поэтому вблизи Земли находятся зоны с повышенной концентрацией заряженных частиц.

Вскоре после запуска первых искусственных спутников Земли такие зоны повышенного содержания заряженных частиц были обнаружены (С.Н. Вернов, А.Е. Чудаков, Д. Аллен, 1958 г.) и

получили название радиационных поясов Земли.

Внутренний радиационный пояс состоит в основном из протонов ( Ep >35 МэВ) и находится на расстоянии

нескольких тысяч километров от поверхности Земли. Основным механизмом инжекции протонов во внутренний радиационный пояс Земли является распад нейтронов, которые образуются при взаимодействии космических лучей с ядрами атмосферы Земли. Максимум потока захваченных протонов внутреннего радиационного пояса Земли

— на расстоянии ~ 1,5 радиуса Земли.

Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов с энергией от нескольких сотен кэВ до

~ 10 МэВ.