Учебное пособие Алматы 2013 ббк удк номер
Глава IX. Космические лучи
жүктеу/скачать 1,73 Mb.
|
treatise11751
| Глава IX. Космические лучи
Космические лучи – поток стабильных заряженных частиц высокой энергии, преимущественно протонов, заполняющих космическое пространство. Внутри солнечной системы КЛ попадают в основном из межзвездного пространства от источников, расположенных в пределах нашей галактики – галактические космические лучи (ГКЛ); самые энергичные частицы имеют, по-видимому, внегалактическое происхождение – метагалактические КЛ; некоторая доля КЛ приходит от Солнца после мощных солнечных вспышек – солнечные КЛ (СКЛ). Названные КЛ являются первичными. На пути к поверхности Земли КЛ должны пройти толстый ( ) слой вещества – атмосферу, в которой сталкиваясь с ядрами атомов воздуха, они образуют большое количество вторичных частиц (протонов, электронов, мезонов, фотонов и др.). Вследствие этого на поверхность Земли падает излучение, не имеющее ничего общего с существующим в космическом пространстве. Это излучение называют вторичным космическим излучением. Если отвлечься от искажающего влияния магнитных полей Земли и межпланетного пространства, то в месте нахождения Солнечной системы первичное космическое излучение изотропно по направлению и постоянно во времени. Интенсивность его равна (2÷4) частица/см-2с-1. Пространственная и временная изотропия являются, по-видимому, результатом длительного «блуждания» частиц, в процессе которого стерлась всякая пространственная и временная выделенность источников космических частиц по отношению к Земле. Общая характеристика КЛ. Существование КЛ было установлено в 1912г В. Гессом по производимой ими ионизации воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение, отклонение КЛ в магнитном поле показало, что первичные КЛ представляют собой поток заряженных частиц. КЛ напоминают сильно разряженный газ, частицы которого практически не сталкиваются друг с другом, но взаимодействуют с веществом и электро-магнитными полями межзвездного и межпланетного пространства. Ядра атомов различных элементов, входящих в состав КЛ, полностью лишены электронов и обладают огромными кинетическими энергиями (вплоть до ~1020 эВ). Хотя суммарный поток первичных КЛ на границе с атмосферой Земли невелик (~1 частица/см-2с-1), средняя плотность их энергии (~1 эВ/см3) сравнима со средней плотностью лучистой энергии звёзд в межзвездной сфере, энергии теплового движения межзвездного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также со средней плотностью энергии магнитного поля галактики. Важная особенность КЛ – нетепловое происхождение их энергии. Действительно, при температуре 109 К, характерной для звездных недр, энергия теплового движения частиц не превышает 105 эВ. Основная же масса частиц КЛ имеет энергии от 108 эВ и выше. Это означает, что КЛ приобретают энергию в специфических астрофизических процессах электромагнитной и плазменной природы. Изучение КЛ дает ценные сведения об электромагнитных условиях в различных областях космического пространства. Круг вопросов связанных с изучением происхождения КЛ, их состава, спектра, временных вариаций, их роли в астрофизических явлениях, составляет космофизический аспект КЛ. С другой стороны, КЛ незаменимы в качестве естественного источника частиц высокой энергии при изучении элементарной структуры вещества и взаимодействий между элементарными частицами. Исследования такого рода относятся к ядерно-физическому аспекту КЛ. именно детальное изучение зарядов и масс вторичных КЛ привело к открытию позитронов (1932), мюонов(1937) π- и К-мезонов (1947), а также Λо - , Σ±- гиперонов. Исследования КЛ в ядерно-физическом аспекте продолжаются в основном с целью определения характеристик элементарного акта ядерного взаимодействия при энергиях > 1015 эВ. КЛ еще долго будут оставаться уникальным источником частиц сверхвысоких энергий, так как на самых мощных современных ускорителях максимально достигнутая энергия пока не превышает 1014 эВ, Методы наблюдения КЛ. Из-за огромного энергетического диапазона КЛ (106-1020 эВ) методы их регистрации и наблюдения очень разнообразны. Это и наземные счетчиковые установки большой площади для регистрации т.н. широких атмосферных ливней, и мировая сеть нейтронных мониторов, и счетчиковые телескопы, ионизационные камеры, фотоядерные эмульсии, поднимаемые на аэростатах, геофизических ракетах, на ИСЗ и межпланетных автоматических станциях. С развитием космической техники и радиохимических методов стало возможным изучить характеристики КЛ по радиоизотопом и трекам, образуемым ими в метеоритах, лунном грунте и т.п. Используются также косвенные методы изучения КЛ – по наблюдениям радиоизлучения космических электронов, по данным о γ-изучении от распада нейтральных пионов, образуемых КЛ в межзвездном пространстве, по электромагнитному излучению солнечных вспышек, по эффектам ионизации, вызываемых КЛ в нижней части ионосферы и др. Состав космических лучей. Более 90% частиц КЛ составляют протоны, 7% - ядра He и лишь небольшая доля (~1%) приходится на ядра тяжелых элементов (эти цифры относятся к частицам с энергией ≥2,5 ГэВ/нуклон). В таблице приведен состав первичных КЛ, имеющих энергии в пределах от 2,5 ГэВ/нуклон до 1013 ГэВ/нуклон. Существующие методы не дают возможности определить атомный вес ядер в КЛ. Поэтому элементы делят на группы.
Такой состав космических лучей приблизительно соответствует средней распространенности элементов во Вселенной с двумя существенными отклонениями: в КЛ значительно больше легких ядер (Li, Be, B) и тяжелых ядер с Z≥20. Большое количество ядер Li, Be, B по сравнению со средней распространенностью ( в К в 105 раз больше элементов группы L, чем в среднем, в природе) связанно с тем, что ядра группы L образуются при столкновениях тяжелых космических частиц с межзвездным газом (реакции фрагментации). Обилие тяжелых ядер объясняется тем, что ими богаты источники космических лучей или тем, что в источниках тяжелые ядра ускоряются эффективнее, чем легкие. КЛ содержат также 1% релятивистских электронов с энергиями > 1 ГэВ, а также позитроны, причем наблюдаемое отношение их интенсивностей составляет ~0,1. Уже исходя из общих соображений, можно ожидать, что в первичных КЛ будет содержаться некоторое количество е- и е+. в самом деле, в результате столкновения космических частиц с ядрами межзвездного газа будут рождаться положительные и отрицательные пионы, при распаде которых появляется е- и е+. Кроме того, в источниках КЛ наряду с атомными ядрами могут ускоряться также е- и е+. Поскольку отношение их интенсивностей 0,1, то отсюда следует, что основная доля космических электронов не связана с распадом π-мезонов, а испускается непосредственно источниками космического излучения. В космических лучах обнаружены также γ-кванты (10 фотон/м2с с Еγ=50 МэВ) и ν. В 1979-1981 получены экспериментальное свидетельство того, что в КЛ значительное количество антипротонов (≥10-4 по отношению к протонам). Э нергетический спектр (интегральный спектр) первичных космических протонов изображен на рис. Спектр КЛ простирается до очень больших энергий. Однако число частиц со сверхвысокими энергиями (1019-1020 эВ) очень мало. Геомагнитные явления. Магнитные поля Земли и межпланетного пространства оказывают заметное влияние на первичное излучение. Магнитное поле Земли в первом приближении представляет поле магнитного диполя, Рис.9.1 наклоненного на угол 11,5о к земной оси и смещенного относительно нее и от центра Земли приблизительно на 300 км. Заряженная частица КЛ при своем движении из мирового пространства вблизи Земли испытывают отклоняющее действие её магнитного поля вследствие действия силы Лоренца и это сказывается на распределении интенсивности КЛ по земной поверхности. Если импульсы этих частиц меньше некоторой величины, отклонение будет настолько сильным, что они вообще не попадут на поверхность Земли. По мере продвижения к полюсам Земли угол между траекторией частицы, движущихся в вертикальной плоскости, и магнитными силовыми линиями Земли уменьшается и отклоняющее действие магнитного поля будет ослабевать. На полюсе частицы, идущие по вертикали вдоль силовых линий, вообще не будут испытывать никакого отклонения. Возникающая зависимость интенсивности космических лучей от геомагнитной широты места наблюдения носит название широтного эффекта. Теория Штермера дает следующую связь между геомагнитной широтой места наблюдения λ и минимальным импульсом, которым должна обладать частица, чтобы, двигаясь по вертикали, попасть в эту точку: Таким образом, на экваторе , при котором протон может войти в атмосферу (λ=0), равняется 15 ГэВ/с. Напротив, на магнитном полюсе (λ=90о), частица может достигнуть атмосферы с любым импульсом ( ). Наличие порогового значения носит название геомагнитного обрезания. На экваторе этот порог для протонов 1,5*1010 эВ. Восточно-западная асимметрия. Поток заряженных частиц отклоняется магнитным полем в направлении, перпендикулярно к полю и к направлению движения частиц. Если частицы заряжены положительно, то магнитное поле Земли отклоняет их к Востоку, если отрицательно – Западу. Это приводит к зависимости интенсивности космического излучения от ориентации регистрирующего прибора относительно стран света – эффекту азимутальной или восточно-западной асимметрии. Обнаружение восточно-западной асимметрии явилось доказательством того, что первичное космическое излучение состоит из положительно заряженных частиц. Интенсивность КЛ подвержена с течением времени слабым периодическим и непериодическим изменениям, связанных с влиянием межпланетных магнитных полей. Наиболее существенным из таких полей являются магнитные поля движущихся сгустков плазмы, которые выбрасываются с поверхности Солнца во время хромосферных солнечных вспышек (солнечный ветер), эти магнитные поля движутся в пространстве и периодически изменяют условие прохождения космического излучения. Они являются главной причиной различных временных вариаций первичного космического излучения – 11-летних, 27-дневных, эффект Форбуша и др. 11-летний цикл связан с периодичностью солнечной активности, 27-денвная вариация КЛ с амплитудой ~10% в межпланетном пространстве на орбите Земли соответствует периоду вращения Солнца и обусловлена асимметрией потока магнитных неоднородностей в солнечном ветре. Солнечно-суточная вариация с амплитудой 2% связана суточным вращением Земли и обусловлена различием свойств солнечного ветра в направлении на Солнце и антисолнечном направлении. Эффект Форбуша представляет собой кратковременное понижение интенсивности КЛ (на ~50% в межпланетном пространстве и до 25-30% на поверхности Земли), обычно связанное с геомагнитной бурей. Этот эффект вызывается рассеянием ГКЛ магнитными полями, переносимыми солнечными корпускулярными потоками после вспышек на Солнце, когда поля оказываются у Земли и как бы «закрывают» ее от КЛ. Радиационные пояса около Земли были открыты во время первых полетов искусственных спутников Земли и ракет в 1958 г. Эти пояса представляют собой окружающие Землю зоны с резко повышенной концентрацией ионизующего излучения. Из теории геомагнитных эффектов следует, что существование поясов радиации можно объяснить захватом и удержанием заряженных космических частиц магнитным полем Земли. Для заряженной частицы с любой, но не превышающих несколько ГэВ энергией, в магнитном поле Земли существуют ловушки, то есть области пространства, характеризующиеся тем, что заряженные частицы не могут ни влетать извне в них, ни вылетать из них. Эти магнитные ловушки имеют форму тороидов, охватывающих Землю в широтном направлении. Их удаленность от Земли определяется энергией частиц: чем выше энергия, тем ближе к Земле должна быть расположена ловушка. Магнитные ловушки являются естественным резервуаром для накопления заряженных частиц. Такие зоны содержат главным образом протоны и электроны. Как происходит инжекция заряженных частиц в ловушки? а) частицы могут попадать в ловушки за счет неадибатических процессов (магнитогидродинамические ударные волны и т.д.) взаимодействия выбрасываемых Солнцем сгустков плазмы с магнитным полем Земли. б) за счет распада нейтронов, происходящих либо от солнца, либо из атмосферы, где они генерируются космическими лучами. в) наконец, за счет ядерных взрывов на больших высотах. жүктеу/скачать 1,73 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|