Kosmicheskie luchi v atmosfere Zemli

Yu.I. Stozhkov

Zav. laboratoriei fiziki Solnca i kosmicheskih luchei

Fizicheskogo instituta im. P. N. Lebedeva

Rossiiskoi Akademii nauk

Laureat Leninskoi premii, professor

Konec XIX - nachalo XX veka oznamenovalis' novymi otkrytiyami v oblasti mikromira. Posle otkrytiya rentgenovskih luchei i radioaktivnosti byli obnaruzheny zaryazhennye chasticy, prihodyashie na Zemlyu iz kosmicheskogo prostranstva. Eti chasticy byli nazvany kosmicheskimi luchami. Datoi otkrytiya kosmicheskih luchei (KL) prinyato schitat' 1912 g., kogda avstriiskii fizik V.F.Gess s pomosh'yu usovershenstvovannogo elektroskopa izmeril skorost' ionizacii vozduha v zavisimosti ot vysoty. Okazalos', chto s rostom vysoty velichina ionizacii snachala umen'shaetsya, a zatem na vysotah bolee 2 km nachinaet sil'no vozrastat'. Ionizuyushee izluchenie, slabo pogloshaemoe vozduhom i uvelichivayusheesya s rostom vysoty, obrazuetsya KL, padayushimi na granicu atmosfery iz kosmicheskogo prostranstva.

    KL predstavlyayut soboi yadra razlichnyh elementov, sledovatel'no, yavlyayutsya zaryazhennymi chasticami. Naibolee mnogochislenny v KL yadra atomov vodoroda i geliya (~ 85% i ~10%, sootvetstvenno). Dolya yader vseh ostal'nyh elementov ne prevyshaet ~5%. Nebol'shuyu chast' KL sostavlyayut elektrony i pozitrony (menee 1%).V processah, proishodyashih vo Vselennoi, KL igrayut vazhnuyu rol'. Plotnost' energii KL v nashei Galaktike sostavlyaet ~0.5 eV/sm³, chto sravnimo s plotnostyami energii mezhzvezdnogo gaza i galakticheskogo magnitnogo polya. Vremya zhizni KL ravno ~3h10⁸ let. Ono opredelyaetsya libo vyhodom KL iz Galaktiki i galo, libo ih poglosheniem za schet neuprugih vzaimodeistvii s veshestvom mezhzvezdnoi sredy.

    Osnovnym istochnikom KL vnutri Galaktiki yavlyayutsya vzryvy sverhnovyh zvezd. KL uskoryayutsya na udarnyh volnah, obrazuyushihsya v etih vzryvah. Maksimal'naya energiya, kotoruyu mogut priobresti chasticy v takih processah, sostavlyaet E_mah~10¹⁶ eV. KL eshe bol'shih energii obrazuyutsya v metagalaktike. Odnim iz istochnikov KL ul'travysokih energii mogut byt' yadra aktivnyh galaktik.

    Po svoemu proishozhdeniyu KL mozhno razdelit' na neskol'ko grupp:

1. KL galakticheskogo proishozhdeniya (GKL). Istochnikom GKL yavlyaetsya nasha Galaktika, v kotoroi proishodit uskorenie chastic do energii ~10¹⁶ eV.
2. KL metagalakticheskogo proishozhdeniya. Eti chasticy obrazuyutsya v drugih galaktikah i imeyut samye bol'shie energii ot E>10¹⁶ eV do E~10²¹ eV.
3. Solnechnye KL (SKL), generiruemye na Solnce vo vremya solnechnyh vspyshek.
4. Anomal'nye KL (AKL), obrazuyushiesya v solnechnoi sisteme na periferii geliomagnitosfery.

    KL samyh malyh i samyh bol'shih energii razlichayutsya po energii v ~10¹⁵ raz. S pomosh'yu tol'ko odnogo tipa apparatury nevozmozhno issledovat' takoi ogromnyi diapazon energii, poetomu dlya izucheniya KL ispol'zuyutsya raznye metody i pribory: v kosmicheskom prostranstve - s pomosh'yu apparatury, ustanavlivaemoi na sputnikah i kosmicheskih raketah, v atmosfere Zemli - s pomosh'yu malyh sharov-zondov i bol'shih vysotnyh aerostatov, na ee poverhnosti - s pomosh'yu nazemnyh ustanovok (nekotorye iz nih dostigayut razmerov v sotni kvadratnyh kilometrov), raspolozhennyh na poverhnosti Zemli i vysoko v gorah, libo gluboko pod zemlei ili na bol'shih glubinah v okeane, kuda pronikayut chasticy vysokih energii. KL pri svoem rasprostranenii v mezhzvezdnoi srede vzaimodeistvuyut s mezhzvezdnym gazom, a pri popadanii na Zemlyu - s atomami atmosfery. Rezul'tatom takih vzaimodeistvii yavlyaetsya obrazovanie vtorichnyh chastic - protonov i neitronov, mezonov i elektronov, - kvantov i neitrino.

    KL s energiyami E<10¹² eV, prihodyashie v okolosolnechnoe prostranstvo iz nashei Galaktiki, ispytyvayut vozdeistvie mezhplanetnyh magnitnyh i elektricheskih polei, i ih dvizhenie pohozhe na besporyadochnye peremesheniya brounovskih chastic v zhidkosti. Okolosolnechnoe prostranstvo zapolneno magnitnym polem i dvizhushimsya v radial'nom napravlenii ot Solnca ionizovannym solnechnym gazom - solnechnym vetrom. Solnechnyi veter obychno imeet na orbite Zemli skorost' 400 - 500 km/sek i plotnost' chastic 5-10 sm^-3. V otlichie ot zemnoi atmosfery solnechnyi veter sostoit ne iz neitral'nyh molekul, a, v osnovnom, iz ionizovannyh atomov vodoroda i elektronov. Etot ionizovannyi, no elektricheski neitral'nyi gaz, zahvatyvaet i unosit s soboi solnechnoe magnitnoe pole, kotoroe zapolnyaet okolosolnechnoe prostranstvo i obrazuet mezhplanetnoe kvaziregulyarnoe magnitnoe pole. KL, rasprostranyayas' v takom pole, rasseivayutsya na dvizhushihsya so skorost'yu solnechnogo vetra magnitnyh neodnorodnostyah i vynosyatsya za predely geliomagnitosfery. Dolya chastic, kotoraya dohodit do orbity Zemli ot granicy geliomagnitosfery, budet tem men'she, chem men'she energiya chastic. Plotnost' magnitnyh neodnorodnostei sil'no zavisit ot urovnya solnechnoi aktivnosti. V konechnom schete, nablyudaemaya intensivnost' KL vnutri geliomagnitosfery opredelyaetsya urovnem solnechnoi aktivnosti i energiei chastic.

    Dlya izucheniya osobennostei dolgovremennogo povedeniya KL bylo organizovano ih nepreryvnoe nablyudenie. K nachalu Mezhdunarodnogo Geofizicheskogo goda (1957 g.) vo vsem mire byla sozdana set' stancii KL. V nashei strane nepreryvnye nazemnye nablyudeniya KL byli organizovany akademikom S. N. Vernovym. Pod ego rukovodstvom v seredine 50-h godov v SSSR byli nachaty unikal'nye nablyudeniya KL v atmosfere Zemli. Dolgovremennye izmereniya potokov KL priveli k otkrytiyu celogo ryada novyh yavlenii. Vo-pervyh, v KL nablyudaetsya otchetlivyi 11-letnii cikl, obuslovlennyi 11-letnim ciklom solnechnoi aktivnosti. Kogda Solnce spokoino i solnechnaya aktivnost' minimal'na, potok KL v geliosfere i na orbite Zemli dostigaet maksimal'nyh znachenii. Pri aktivnom Solnce potok KL minimalen.

    V KL nablyudayutsya sporadicheskie izmeneniya ih intensivnosti, nazyvaemye Forbush-ponizheniyami, sut' kotoryh sostoit v sleduyushem. Vnezapno v techenie neskol'kih chasov ili men'she potok KL, registriruemyi nazemnymi stanciyami, v atmosfere Zemli ili na iskusstvennyh sputnikah, nachinaet rezko padat'. V nekotoryh sluchayah amplituda etogo padeniya mozhet dostigat' desyatka procentov. Takie sobytiya proishodyat posle moshnyh vzryvov na Solnce. Poskol'ku vspyshki na Solnce proishodyat chashe vsego v gody vysokoi solnechnoi aktivnosti, to i Forbush-ponizheniya naibolee chasto nablyudayutsya v gody aktivnogo Solnca.

    Nashe Solnce samo yavlyaetsya istochnikom solnechnyh kosmicheskih luchei (SKL). SKL - eto zaryazhennye chasticy, uskorennye vo vspyshechnyh processah na Solnce do energii na mnogo poryadkov prevyshayushih teplovye energii chastic na ego poverhnosti. Zaryazhennye chasticy (SKL), uskorennye v solnechnoi vspyshke, vybrasyvayutsya v mezhplanetnoe prostranstvo, rasprostranyayutsya v nem i popadayut na nashu Zemlyu. Potok zaryazhennyh chastic, uskorennyh vo vspyshkah na Solnce, yavlyaetsya ogromnym i predstavlyaet ugrozu vsemu zhivomu. Magnitnoe pole i atmosfera spasayut Zemlyu ot etoi chudovishnoi radiacii.

    Bol'shuyu chast' svoei energii (bolee 95 %) KL teryayut v atmosfere Zemli. Hotya eta energiya nevelika i namnogo poryadkov men'she solnechnoi energii, padayushei na nashu Zemlyu, rol' KL yavlyaetsya glavnoi vo mnogih processah, nablyudaemyh v zemnoi atmosfere.

    V atmosfere Zemli KL v osnovnom teryayut svoyu energiyu na ionizaciyu atomov. Dlya kvaziravnovesnyh uslovii, kotorye vypolnyayutsya v bol'shei chasti ob'ema atmosfery, processy obrazovaniya ionov i ih rekombinacii uravnoveshivayut drug druga. S nachala nashego veka schitalos', chto uravnenie balansa ionov imeet kvadratichnyi vid: q = a n², gde q-skorost' obrazovaniya ionov, n-ih koncentraciya, a -koefficient ob'emnoi rekombinacii. Odnako sovmestnyi analiz dannyh o potokah KL i koncentracii ionov v atmosfere pokazal, chto balans ionov opisyvaetsya lineinym uravneniem: q = b n, gde b -koefficient lineinoi rekombinacii ionov v atmosfere. Ustanovlenie pravil'nogo vida uravneniya, opisyvayushego balans ionov v atmosfere, kraine vazhno dlya raschetov klimaticheskih modelei Zemli.

    Iony, obrazovannye KL, obespechivayut provodimost' atmosfery. Tok, tekushii v atmosfere, yavlyaetsya odnim iz osnovnyh elementov global'noi elektricheskoi cepi, kotoraya podderzhivaet postoyannym otricatel'nyi zaryad Zemli, ravnyi ?600 tys. kulonov. Generatorom elektricheskih zaryadov v atmosfere yavlyayutsya grozovye razryady grozovyh oblakov. Grozovye oblaka obrazuyutsya na atmosfernyh frontah, gde proishodit obrazovanie i razdelenie oblachnyh zaryadov. Istochnikom zaryadov grozovyh oblakov yavlyayutsya polozhitel'nye i otricatel'nye iony, obrazuyushiesya v nizhnei atmosfere KL i estestvennoi radioaktivnost'yu Zemli. Eti iony prilipayut k aerozol'nym chasticam, koncentraciya kotoryh velika v nizhnei atmosfere (bolee 10⁴ sm^-3. Na zaryazhennyh aerozol'nyh chasticah, postepenno po mere ih pod'ema vverh voshodyashimi potokami vozduha, vyrastayut vodyanye kapli. Razdelenie otricatel'nyh zaryadov ot polozhitel'nyh proishodit, kak pokazal rossiiskii uchenyi Rusanov A.I., vsledstvie togo, chto rost kapel' vody na otricatel'no zaryazhennyh centrah kondensacii idet v ~10 000 raz bystree, chem na polozhitel'nyh. V rezul'tate etogo processa nizhnyaya chast' oblaka zaryazhaetsya otricatel'no, a verhnyaya polozhitel'no. Molnievye razryady voznikayut togda, kogda cherez oblako prohodit tak nazyvaemyi shirokii atmosfernyi liven' - do 10⁶ zaryazhennyh chastic, obrazovannyh vysokoenergichnoi kosmicheskoi chasticei. Po ionizovannym trekam chastic shirokogo atmosfernogo livnya i proishodyat molnievye razryady. Takim obrazom, KL yavlyayutsya neobhodimoi sostavnoi chast'yu processa obrazovaniya grozovogo elektrichestva i molnievyh razryadov.

    Potoki zaryazhennyh chastic v atmosfere Zemli usilivayut ili oslablyayut process obrazovaniya oblachnosti. Vo vremya moshnyh vspyshek solnechnyh KL potok zaryazhennyh chastic v zemnoi atmosfere uvelichivaetsya i rastet plotnost' oblakov, uvelichivaetsya velichina vypadeniya osadkov. V periody Forbush-ponizhenii KL, kogda potok chastic v atmosfere umen'shaetsya, uroven' vypadeniya osadkov stanovitsya men'she. V 1998 g. datskie uchenye, ispol'zuya nablyudeniya oblachnosti so sputnikov, obnaruzhili ochen' interesnoe yavlenie: ploshad', zanyataya oblakami na nashei planete menyaetsya v sootvetstvii s izmeneniyami velichiny potoka KL, padayushego na nashu atmosferu. Potok KL ezhegodno umen'shaetsya na velichinu (0.01-0.08) % v god. Otricatel'nyi trend mozhno ob'yasnit' vzryvom blizkoi sverhnovoi. Etot vzryv imel mesto na rasstoyanii neskol'ko desyatkov parsek (1 parsek=3.08h10⁶⁸ sm) i proizoshel neskol'ko desyatkov tysyach let nazad. Sledovatel'no, ploshad', zanyataya oblakami, postepenno umen'shaetsya. Eto umen'shenie dolzhno vyzvat' postepennoe uvelichenie temperatury na nashei planete. Izvestno, chto za poslednie 100 let temperatura na poverhnosti Zemli uvelichilas' na ~0.5⁰S. Takim obrazom umen'shenie potoka KL mozhet byt' otvetstvenno za effekt global'nogo potepleniya.

    Izuchenie roli zaryazhennyh chastic v atmosfernyh processah imeet korotkuyu istoriyu, i vperedi nas zhdut novye interesnye otkrytiya. Zatronutye v etoi stat'e voprosy aktivno obsuzhdalis' na 2-oi Rossiiskoi konferencii po fizicheskoi ekologii v 1999 godu.

Publikacii s klyuchevymi slovami: kosmicheskie luchi Publikacii so slovami: kosmicheskie luchi
Sm. takzhe: Chastica s vysokoi energiei stalkivaetsya s Zemlei Kosmicheskie luchi iz Minnesoty Kosmicheskie luchi na Voyadzhere-1 Teleskop H.E.S.S. II PAMELA: slishkom mnogo pozitiva Ne temnaya li eto materiya nasledila? Kosmicheskie luchi iz yader galaktik Vse publikacii na tu zhe temu >>