1. Vvedenie

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 (KL).

Datoi otkrytiya kosmicheskih luchei prinyato schitat' 1912 god, 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 svyshe 2000 m nachinaet rezko vozrastat'. Ionizuyushee izluchenie, slabo pogloshaemoe vozduhom i uvelichivayusheesya s uvelicheniem 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 tablicy Mendeleeva 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 ~1 eV/sm³, chto sravnimo s plotnostyami energii mezhzvezdnogo gaza i galakticheskogo magnitnogo polya.

Po soderzhaniyu v KL elementov litiya, berilliya i bora, kotorye obrazuyutsya v rezul'tate yadernyh vzaimodeistvii kosmicheskih chastic s atomami mezhzvezdnoi sredy, mozhno opredelit' to kolichestvo veshestva X, cherez kotoroe proshli KL, bluzhdaya v mezhzvezdnoi srede. Velichina X primerno ravna 5-10 g/sm². Vremya bluzhdaniya KL v mezhzvezdnoi srede (ili vremya ih zhizni) i velichina X svyazany sootnosheniem X≈ρct, gde c – skorost' chastic (obychno polagayut, chto velichina c ravna skorosti sveta), ρ – srednyaya plotnost' mezhzvezdnoi sredy, sostavlyayushaya ~10^-24 g/sm³, t – vremya bluzhdaniya KL v etoi srede. Otsyuda vremya zhizni KL ~3·10⁸ 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_max~10¹⁶ eV. Krome togo, chast' KL mozhet uskorit'sya do takih zhe energii na udarnyh volnah, rasprostranyayushihsya v mezhzvezdnoi srede Galaktiki. KL eshe bol'shih energii obrazuyutsya v Metagalaktike. Odnim iz ih istochnikov mogut byt' yadra aktivnyh galaktik.

Na ris. 1 pokazany energeticheskie spektry J(E) dlya protonov N, yader geliya Ne, ugleroda S i zheleza Fe, kotorye nablyudayutsya v kosmicheskom prostranstve. Velichina J(E) predstavlyaet soboi kolichestvo chastic, imeyushih energiyu v diapazone ot E do E+δE i prohodyashih cherez edinichnuyu poverhnost' v edinicu vremeni v edinice telesnogo ugla v napravlenii, perpendikulyarnom poverhnosti. Vidno, chto osnovnuyu dolyu v KL sostavlyayut protony, zatem sleduyut yadra geliya. Dolya ostal'nyh yader nevelika.

Ris. 1. Differencial'nye spektry galakticheskih KL: protonov N, yader geliya Ne, ugleroda S i zheleza Fe

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 ~10¹⁸ eV. Spektry KL, izobrazhennye na ris. 1, otnosyatsya k GKL.

2) KL metagalakticheskogo proishozhdeniya, oni imeyut samye bol'shie energii, E>10¹⁸ eV, obrazuyutsya v drugih galaktikah.

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 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, ustanovlennoi 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 libo vysoko v gorah, libo gluboko pod zemlei, libo 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 yavlyayutsya vtorichnye chasticy – protony i neitrony, mezony, elektrony, γ-kvanty, neitrino.

Osnovnymi tipami detektorov, kotorye ispol'zuyutsya pri izuchenii KL, yavlyayutsya fotoemul'sii i rentgenovskie plenki, ionizacionnye kamery, gazorazryadnye schetchiki, schetchiki neitronov, cherenkovskie i scintillyacionnye schetchiki, tverdotel'nye poluprovodnikovye detektory, iskrovye i dreifovye kamery.

2. Galakticheskie kosmicheskie luchi

KL ispol'zuyutsya dlya izucheniya yadernyh vzaimodeistvii chastic. V oblasti vysokih energii, kotorye poka nedostizhimy na sovremennyh uskoritelyah, kosmicheskie chasticy yavlyayutsya edinstvennym sredstvom izucheniya yadernyh processov. Dlya izucheniya vzaimodeistvii KL vysokih energii ( E≈10¹⁵ eV) s veshestvom ispol'zuyutsya ionizacionnye kalorimetry. Eti pribory, vpervye predlozhennye N.L. Grigorovym s sotrudnikami, predstavlyayut soboi neskol'ko ryadov detektorov – ionizacionnyh kamer ili scintillyacionnyh schetchikov, mezhdu kotorymi raspolozhen poglotitel' iz svinca ili zheleza. Na verhnei chasti kalorimetra pomeshaetsya mishen' iz legkogo veshestva – ugleroda ili alyuminiya. Chastica, padayushaya na poverhnost' ionizacionnogo kalorimetra, vzaimodeistvuet s yadrom misheni, obrazuya vtorichnye chasticy. Ih chislo snachala vozrastaet, dostigaya nekotorogo maksimal'nogo znacheniya, i zatem postepenno ubyvaet po mere prodvizheniya v telo kalorimetra. Detektory izmeryayut ionizaciyu pod kazhdym sloem poglotitelya. Po krivoi zavisimosti stepeni ionizacii ot nomera sloya mozhno opredelit' energiyu popavshei v kalorimetr chasticy. Etimi priborami vpervye v mire byl izmeren spektr pervichnyh KL v diapazone energii ot ~10¹¹ do ~10¹⁴ eV. KL v diapazone energii 10¹¹<E<3·10¹⁵ eV imeyut galakticheskoe proishozhdenie, ih energeticheskii spektr mozhno opisat' stepennym zakonom J(E)=J₀ E^-2,75.

Dlya izucheniya harakteristik yadernyh vzaimodeistvii KL ochen' bol'shih energii neobhodimy ustanovki s bol'shoi ploshad'yu registracii, tak kak potok vysokoenergichnyh chastic kraine mal. Ih nazyvayut rentgenovskimi kamerami. Eto pribory s ploshad'yu poverhnosti do neskol'kih soten kvadratnyh metrov, sostoyashie iz ryadov rentgenovskih plenok, peremezhayushihsya sloyami svinca. V rezul'tate vzaimodeistviya KL s chasticami vozduha obrazuyutsya mezony, chast' iz kotoryh zatem razmnozhaetsya v svince, ostavlyaya pyatna na rentgenovskoi plenke. Po chislu i velichine etih pyaten, plotnosti ih potemneniya i po raspolozheniyu v raznyh sloyah opredelyaetsya energiya vzaimodeistvuyushei chasticy i napravlenie ee prihoda.

Ris. 2. Shema livnya chastic, padayushego na ustanovku pod uglom θ k vertikali

Dlya izucheniya KL s energiyami vyshe 10¹⁴ eV ispol'zuetsya svoistvo chastic vysokih energii sozdavat' ochen' mnogo vtorichnyh chastic, v osnovnom protonov i pionov, v rezul'tate vzaimodeistviya pervichnoi chasticy s yadrami atomov v atmosfere. Obladayushie dostatochno vysokoi energiei protony i piony v svoyu ochered' yavlyayutsya yaderno-aktivnymi chasticami i vnov' vzaimodeistvuyut s yadrami atomov vozduha. Kak zaryazhennye ( π^±), tak i neitral'nye ( π⁰) piony – eto nestabil'nye chasticy so vremenem zhizni t≈10^-16 s dlya pokoyashegosya π⁰ i t≈2,6·10^-8 s dlya pokoyashihsya π^±. Piony sravnitel'no malyh energii ne uspevayut vstupit' vo vzaimodeistvie s yadrom atoma vozduha i mogut raspast'sya na γ-kvanty, polozhitel'nye i otricatel'nye myuony ( μ^±), neitrino ( ν) i antineitrino (ν^-): π⁰→ γ + γ ; π^±→ μ^± + ν +ν^-. Myuony takzhe yavlyayutsya nestabil'nymi chasticami so vremenem zhizni dlya pokoyashegosya myuona t≈2,2·10^-6 s i raspadayutsya po sheme μ^±→ e^± + ν + ν^-. Gamma-kvanty i elektrony (pozitrony) za schet elektromagnitnogo vzaimodeistviya s atomami vozduha dayut novye gamma-kvanty i elektrony. Takim obrazom v atmosfere obrazuetsya kaskad chastic, sostoyashii iz protonov, neitronov i pionov (yadernyi kaskad), elektronov (pozitronov) i γ-kvantov (elektromagnitnyi kaskad). Vpervye livni nablyudal D.V. Skobel'cyn v konce 20-h godov.

Kaskady v atmosfere, vyzyvaemye chasticami bol'shih energii i zanimayushie obshirnye ploshadi, poluchili nazvanie shirokih atmosfernyh livnei. Oni byli otkryty francuzskim fizikom P. Ozhe i ego sotrudnikami v 1938 godu. Vysokoenergichnaya kosmicheskaya chastica obrazuet liven' s ogromnym chislom vtorichnyh chastic, tak, naprimer, chastica s E=10¹⁶ eV v rezul'tate vzaimodeistvii s atomami vozduha vblizi poverhnosti Zemli porozhdaet primerno 10 mln vtorichnyh chastic, raspredelennyh na bol'shoi ploshadi.

Hotya potok vysokoenergichnyh KL, padayushih na granicu zemnoi atmosfery, kraine mal, shirokie atmosfernye livni zanimayut znachitel'nye ploshadi i mogut byt' zaregistrirovany s vysokoi effektivnost'yu. Dlya etoi celi na poverhnosti zemli razmeshayutsya detektory chastic na ploshadi v desyatki kvadratnyh kilometrov, prichem registriruyutsya tol'ko te sobytiya, v kotoryh srabatyvaet srazu neskol'ko detektorov. Shirokii atmosfernyi liven' mozhno uproshenno predstavit' v vide diska chastic, dvizhushegosya v atmosfere. Na ris. 2 pokazano, kak takoi disk chastic shirokogo atmosfernogo livnya padaet na detektory registriruyushei ustanovki. V zavisimosti ot energii kosmicheskoi chasticy razmer diska (poperechnyi razmer livnya) mozhet sostavlyat' ot neskol'kih desyatkov metrov do kilometra, a ego tolshina (prodol'nyi razmer ili front livnya) – desyatki santimetrov. Chasticy v livne dvizhutsya so skorost'yu, blizkoi k skorosti sveta. Chislo chastic v livne sushestvenno umen'shaetsya pri perehode ot centra diska k ego periferii. Poperechnyi razmer shirokogo atmosfernogo livnya i chislo chastic v nem uvelichivaetsya s rostom energii pervichnoi chasticy, kotoraya obrazuet etot liven'. Samye bol'shie nablyudaemye na segodnyashnii den' livni ot pervichnyh chastic s E≈10²⁰ eV soderzhat neskol'ko milliardov vtorichnyh chastic. Izmeryaya mnogimi detektorami prostranstvennoe raspredelenie chastic v livne, mozhno naiti ih polnoe chislo i opredelit' energiyu pervichnoi chasticy, kotoraya dannyi liven' obrazovala. Potok chastic s energiyami E≈10²⁰ eV ochen' mal. Naprimer, na 1 m² na granice atmosfery za 1 mln let padaet lish' odna chastica s E≈10¹⁹ eV. Dlya registracii stol' malyh potokov neobhodimo imet' bol'shie ploshadi, pokrytye detektorami, chtoby zaregistrirovat' dostatochnoe kolichestvo sobytii za razumnoe vremya. Na gigantskih ustanovkah po registracii shirokih atmosfernyh livnei bylo "poimano" neskol'ko chastic, imeyushih energii svyshe 10²⁰ eV (maksimal'naya zaregistrirovannaya v nastoyashee vremya energiya chasticy ravna ~3·10²⁰ eV).

Sushestvuyut li KL bolee vysokih energii? V 1966 godu G.T. Zacepin, V.A. Kuz'min i amerikanskii fizik K. Greizen vyskazali predpolozhenie, chto spektr KL pri energiyah E>3·10¹⁹ eV dolzhen obrezat'sya iz-za vzaimodeistviya vysokoenergichnyh chastic s reliktovym izlucheniem Vselennoi. Registraciya neskol'kih sobytii s energiei E≈10²⁰ eV mozhet byt' ob'yasnena, esli predpolozhit', chto istochniki etih chastic udaleny ot nas na rasstoyaniya ne bolee 50 Mpk. V etom sluchae vzaimodeistvii KL s fotonami reliktovogo izlucheniya prakticheski ne budet iz-za malogo kolichestva fotonov na puti chasticy ot istochnika k nablyudatelyu.

V oblasti vysokih energii KL nablyudaetsya neskol'ko osobennostei.

1) Spektr KL ispytyvaet izlom pri E≈10¹⁵ eV. Pokazatel' naklona spektra KL do izloma γ≈2,75, dlya chastic bol'shih energii spektr stanovitsya kruche, γ≈3,0. Eta vazhnaya osobennost' v spektre KL byla otkryta S.N. Vernovym i G.B. Hristiansenom pri izuchenii spektra shirokih atmosfernyh linii. Nablyudaemyi izlom v spektre pri takih bol'shih energiyah mozhet byt' vyzvan bolee bystrym vyhodom KL iz nashei Galaktiki po sravneniyu s chasticami men'shih energii ili mozhet byt' obuslovlen izmeneniem prirody ih istochnikov. Vozmozhno takzhe izmenenie himicheskogo sostava KL v oblasti izloma.

2) Pri energii chastic E≈10¹⁸ eV spektr KL stanovitsya eshe kruche, γ≈3,3. Eto vyzvano, po-vidimomu, tem faktom, chto v dannom diapazone energii KL preimushestvenno metagalakticheskogo proishozhdeniya, ih spektr imeet drugoi naklon.

3) Spektr chastic s E>10¹⁹ eV stanovitsya bolee pologim, γ≤3,3. Etot effekt vyzvan vzaimodeistviem KL, imeyushih energii E>10¹⁹ eV, s reliktovymi fotonami, v processe kotorogo KL teryayut chast' svoei energii i perehodyat v oblast' men'shih energii, chto delaet spektr chastic bolee pologim.

4) Spektr KL s energiyami svyshe 10²⁰ eV mozhet byt' poluchen lish' posle dlitel'nyh nablyudenii, kogda budet zaregistrirovano dostatochnoe kolichestvo sobytii s takimi ekstremal'nymi energiyami. Dlya togo chtoby sushestvenno uvelichit' chislo sluchaev registracii shirokih atmosfernyh livnei ot chastic s energiyami E>10¹⁹ eV, v blizhaishie gody planiruetsya postroit' tri gigantskie ustanovki s detektorami, razmeshennymi na ploshadi bolee 1000 km². S ih pomosh'yu uchenye nadeyutsya poluchit' otvet na vopros o spektre KL v oblasti sverhvysokih energii i o maksimal'no vozmozhnoi energii kosmicheskih chastic.

KL sverhvysokih energii budut uderzhivat'sya v Galaktike ee magnitnymi polyami, esli radius krivizny traektorii chasticy mnogo men'she razmerov Galaktiki. Ispol'zuya sootnoshenie mezhdu energiei chasticy (E, eV), ee radiusom krivizny ( r≈10²² sm – razmer Galaktiki) i napryazhennost'yu magnitnogo polya ( H≈10^-6 E), E= 300Hr, poluchim maksimal'nuyu energiyu KL, kotorye mogut uderzhivat'sya v nashei Galaktike: E_max≈10¹⁸ eV. Eto govorit o tom, chto KL bolee vysokih energii mogut imet' metagalakticheskoe proishozhdenie.

3. Gamma-astronomiya vysokih i sverhvysokih energii

KL obrazuyutsya ne tol'ko pri vzryvah sverhnovyh zvezd. Istochnikami KL mogut byt' i drugie kosmicheskie ob'ekty (pul'sary, kvazary i pr.). Mozhno s bol'shoi uverennost'yu polagat', chto istochniki KL budut takzhe i istochnikami vysokoenergichnyh γ-kvantov. Gamma-kvanty, v otlichie ot zaryazhennyh chastic, ne ispytyvayut vozdeistviya kosmicheskih magnitnyh polei i rasprostranyayutsya pryamolineino ot istochnika k nablyudatelyu. Obnaruzhenie takih svetyashihsya v gamma-izluchenii kosmicheskih ob'ektov moglo by stat' neoproverzhimym dokazatel'stvom sushestvovaniya konkretnyh istochnikov KL.

Ideya eksperimentov, nachatyh v nachale 60-h godov sovetskim uchenym A.E. Chudakovym, po poisku zvezdnyh istochnikov vysokoenergichnyh γ-kvantov zaklyuchaetsya v sleduyushem. Gamma-kvant, padayushii na granicu zemnoi atmosfery, porozhdaet liven' chastic, sostoyashii iz elektronov i vtorichnyh γ-kvantov. Lyubaya zaryazhennaya chastica, dvizhushayasya so skorost'yu, prevyshayushei skorost' sveta v srede, sozdaet v nei, v dannom sluchae v zemnoi atmosfere, svetovoe izluchenie, kotoroe nazyvaetsya izlucheniem Cherenkova-Vavilova. Ideya eksperimentov sostoit v tom, chtoby sobrat' cherenkovskii svet ot livnya vtorichnyh zaryazhennyh chastic, obrazovannogo γ-kvantom vysokoi energii, padayushim na poverhnost' atmosfery iz dannogo napravleniya. Na ris. 3 shematicheski izobrazhen atmosfernyi liven', obrazovannyi takim gamma-kvantom. V ustanovkah, registriruyushih cherenkovskii svet, ispol'zuetsya ryad sfericheskih zerkal. V fokuse kazhdogo raspolozheny neskol'ko desyatkov fotoelektronnyh umnozhitelei – priborov, ochen' chuvstvitel'nyh k izmeneniyu svetovogo potoka, padayushego na zerkalo iz dannogo napravleniya. Nablyudeniya vozmozhny lish' v yasnye i bezlunnye nochi.

Ris. 3. Shema atmosfernogo livnya, obrazovannogo vysokoenergichnym gamma-kvantom. Gamma-kvant vzaimodeistvuet s chasticami v atmosfere i sozdaet elektromagnitnyi kaskad (elektrony i gamma-kvanty). Zaryazhennye chasticy ispuskayut cherenkovskoe izluchenie, kotoroe registriruetsya nazemnymi opticheskimi detektorami

Potrebovalis' bol'shie usiliya uchenyh mnogih stran mira po sovershenstvovaniyu apparatury, metodov obrabotki informacii, prezhde chem v seredine 80-h godov byl obnaruzhen potok vysokoenergichnyh γ-kvantov ot dvuh ob'ektov: Krabovidnoi tumannosti i yadra aktivnoi galaktiki Markaryan-421. Obnaruzhennye potoki γ-kvantov byli nichtozhno malymi. Naprimer, potok gamma-kvantov s E_γ>10¹² eV ot Krabovidnoi tumannosti sostavil vsego N_γ≈10^-12 kvantov·sm^-2·s^-1. V nachale 1997 goda neskol'kimi nazemnymi γ-ustanovkami byl otkryt samyi moshnyi istochnik vysokoenergichnogo γ-izlucheniya – galaktika Markaryan-501. Potok vysokoenergichnyh γ-kvantov ot etogo istochnika menyaetsya so vremenem, ego maksimal'noe znachenie v neskol'ko raz prevoshodit summarnuyu velichinu potoka γ-kvantov ot ranee izvestnyh istochnikov.

4. Modulyacionnye effekty v kosmicheskih luchah

Interes k issledovaniyu KL s energiyami E<10¹² eV svyazan s izmeneniem potokov chastic vo vremeni i prostranstve i ih zavisimost'yu ot urovnya solnechnoi aktivnosti. KL, 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/s 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 magnitnoe pole. Iz-za vrasheniya Solnca vokrug svoei osi s periodom 27 sutok eto magnitnoe pole zakruchivaetsya v spiral'. Napryazhennost' mezhplanetnogo magnitnogo polya u orbity Zemli sostavlyaet primerno 7·10^-5 E, chto na mnogo poryadkov men'she napryazhennosti magnitnogo polya na poverhnosti Zemli ( ~0,5 E).

Kvazisfericheskaya oblast' prostranstva vokrug Solnca, imeyushaya radius primerno 100 a.e., zapolnennaya dvizhusheisya solnechnoi plazmoi s vmorozhennym v nee magnitnym polem, nazyvaetsya geliomagnitosferoi.

Geliomagnitosfera razdelena neitral'nym tokovym sloem na dva polushariya, v kotoryh magnitnye polya imeyut protivopolozhnye napravleniya. Magnitnye silovye linii v geliomagnitosfere imeyut mnogochislennye izgiby i izlomy, nazyvaemye magnitnymi neodnorodnostyami, voznikayushimi iz-za neodnorodnostei solnechnogo magnitnogo polya, izmenenii skorosti i plotnosti solnechnogo vetra, a takzhe zavisimosti etih velichin ot gelioshiroty i geliodolgoty.

KL, rasprostranyayas' v geliomagnitosfere, rasseivayutsya na dvizhushihsya so skorost'yu solnechnogo vetra magnitnyh neodnorodnostyah i unosyatsya za predely geliomagnitosfery. Dlya KL bol'shih energii ( E>10¹¹ eV) processy ih rasseyaniya i konvektivnogo vynosa nesushestvenny, i iz mezhzvezdnoi sredy prakticheski vse chasticy stol' vysokih energii popadayut na orbitu Zemli. Odnako s umen'sheniem energii vse men'shee chislo chastic sposobno dostich' orbity Zemli. Dolya chastic galakticheskih KL (GKL), kotoraya dohodit do orbity Zemli ot granicy geliomagnitosfery, budet tem men'she, chem men'she energiya chastic i chem bol'she plotnost' magnitnyh neodnorodnostei mezhplanetnogo magnitnogo polya, a takzhe chem bol'she skorost' solnechnogo vetra. Plotnost' magnitnyh neodnorodnostei sil'no zavisit ot urovnya solnechnoi aktivnosti. V men'shei stepeni ot urovnya solnechnoi aktivnosti zavisit skorost' solnechnogo vetra. Tak chto nablyudaemaya intensivnost' GKL vnutri geliomagnitosfery opredelyaetsya urovnem solnechnoi aktivnosti.

Ris. 4. a – vremennye variacii srednegodovogo chisla W solnechnyh pyaten. Znaki "+" i "–" sootvetstvuyut napravleniyu magnitnyh polei v polyarnyh raionah Solnca i v geliosfere. Zheltye polosy oboznachayut periody inversii obshego magnitnogo polya Solnca. b – vremennye variacii srednegodovyh znachenii potoka GKL, imeyushih energiyu E>0,1 GeV (1) i 0,1<E<1,5 GeV (2)

Dlya izucheniya osobennostei dolgovremennogo povedeniya KL bylo organizovano ih nepreryvnoe nablyudenie. V konce 50-h godov k nachalu Mezhdunarodnogo geofizicheskogo goda vo vsem mire byla sozdana set' stancii KL. V nashei strane takuyu set' organizoval S.N. Vernov. Kazhdaya stanciya vklyuchala v sebya neitronnyi monitor – pribor, registriruyushii vtorichnuyu yaderno-aktivnuyu komponentu KL (v osnovnom neitrony), obrazuyushiesya pri vzaimodeistviyah KL s yadrami atomov vozduha. Tak kak stancii bylo sozdano dostatochno mnogo i oni byli raspolozheny bolee ili menee ravnomerno po vsemu zemnomu sharu, odnovremennye pokazaniya etih priborov pozvolili poluchat' mgnovennuyu kartinu raspredeleniya potokov KL v mezhplanetnoi srede.

Eksperimental'nye dannye pokazyvayut sleduyushee. Vo-pervyh, v KL nablyudaetsya otchetlivyi 11-letnii cikl. 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. Na ris. 4,a priveden vremennoi hod urovnya solnechnoi aktivnosti (srednegodovoe chislo solnechnyh pyaten), a na ris. 4,b – vremennoi hod potoka GKL. Vidna ciklichnost' i chetkaya protivofaznost' privedennyh krivyh. Krome togo, na ris. 4,a pokazany napravleniya polyarnyh magnitnyh polei Solnca v etot zhe period. Esli prinyat' v kachestve polozhitel'noi fazy 22-letnego solnechnogo magnitnogo cikla te epohi, kogda magnitnye polya v severnoi polyarnoi shapke napravleny naruzhu ot Solnca, a v yuzhnoi polyarnoi shapke – vnutr' Solnca, to na privedennyh krivyh vidno, chto KL vedut sebya po-raznomu v polozhitel'noi i otricatel'noi fazah 22-letnego solnechnogo magnitnogo cikla. V otricatel'nye fazy (1960-1968 gody i 1982-1989 gody) krivaya izmeneniya potoka KL imeet ostrokonechnuyu formu. V polozhitel'nye fazy (1972-1980 gody i s 1992 goda po nastoyashee vremya) vo vremennyh izmeneniyah potoka KL nablyudaetsya plato. Takoe razlichie v povedenii KL, kogda magnitnye polya v mezhplanetnoi srede razlichayutsya znakom, svyazano s razlichnym napravleniem skorosti dreifa zaryazhennyh chastic v kvaziregulyarnyh magnitnyh polyah geliomagnitosfery.

Naryadu s dolgovremennymi variaciyami KL, svyazannymi s 11- i 22-letnimi solnechnymi ciklami, KL ispytyvayut bolee korotkoperiodicheskie izmeneniya. K nim prezhde vsego otnosyatsya 27-dnevnye variacii KL, obuslovlennye vrasheniem Solnca. 27-dnevnye variacii KL otchetlivo proyavlyayutsya v periody razvitoi solnechnoi aktivnosti i slabo vyrazheny v gody spokoinogo Solnca. Kak pravilo, amplituda etih variacii ne prevyshaet 2 % ot velichiny polnogo potoka.

Sutochnye izmeneniya KL svyazany s vrasheniem Zemli i neizotropnym raspredeleniem potoka KL v geliosfere. Sushestvuet klass periodicheskih ili kvaziperiodicheskih variacii KL, svyazannyh, naprimer, s godovym vrasheniem Zemli vokrug Solnca, izmeneniem polozheniya Zemli otnositel'no ploskosti solnechnogo ekvatora i pr.

Naryadu s kvaziperiodicheskimi variaciyami KL sushestvuyut ih sporadicheskie izmeneniya, 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. Obrazovavshayasya udarnaya volna rasprostranyaetsya v mezhplanetnuyu sredu s ogromnoi skorost'yu, dostigayushei 1000 km/s i bolee. Eta udarnaya volna neset pered soboi usilennoe solnechnoe magnitnoe pole, kotoroe ne pozvolyaet zaryazhennym chasticam pronikat' vnutr' vysokoskorostnogo potoka. Poetomu, kogda Zemlya okazyvaetsya za frontom udarnoi volny etogo potoka, intensivnost' KL rezko spadaet. Poskol'ku vspyshki na Solnce proishodyat chashe vsego v gody vysokoi solnechnoi aktivnosti i sootvetstvenno v eti periody naibolee chasto generiruyutsya udarnye volny, forbush-ponizheniya naibolee chasto nablyudayutsya v gody aktivnogo Solnca. Chasto forbush-ponizheniya proishodyat v periody moshnyh vozmushenii zemnogo magnitnogo polya (vo vremya geomagnitnyh bur'), kotorye takzhe vyzyvayutsya vozdeistviem vysokoskorostnogo potoka solnechnogo vetra na magnitnoe pole Zemli.

V nachale 70-h godov izuchenie KL malyh energii, provodimoe na kosmicheskih apparatah, privelo k otkrytiyu anomal'noi komponenty KL (AKL). Ee sostavlyayut ne polnost'yu ionizovannye atomy He, C, N, O, Ne i Ar. Anomal'nost' proyavlyaetsya v tom, chto v oblasti energii ot neskol'kih edinic do neskol'kih desyatkov MeV/nuklon spektr chastic AKL sushestvenno otlichaetsya ot spektra GKL. Zdes' nablyudaetsya vozrastanie potoka chastic, svyazannoe, kak polagayut, s uskoreniem ionov v udarnoi volne na granice geliomagnitosfery i posleduyushei diffuziei etih chastic vo vnutrennie raiony geliosfery. Krome etogo, rasprostranennost' elementov AKL znachitel'no otlichaetsya ot sootvetstvuyushih velichin v GKL.

5. Solnechnye kosmicheskie luchi

Solnce samo takzhe yavlyaetsya istochnikom solnechnyh kosmicheskih luchei (SKL). SKL – eto zaryazhennye chasticy, uskorennye vo vspyshechnyh processah na Solnce do energii, vo mnogo raz prevyshayushih teplovye energii chastic na ego poverhnosti. SKL vpervye byli zaregistrirovany v nachale 40-h godov ionizacionnymi kamerami – nazemnymi priborami, kotorye registrirovali vysokoenergichnye myuony.

Chto zhe predstavlyaet soboi vspyshka SKL? Astronomy, nablyudayushie za Solncem, zametili, chto vo vremya rosta solnechnoi aktivnosti v aktivnyh oblastyah na poverhnosti Solnca, gde sosredotocheno mnogo pyaten i imeetsya slozhnaya konfiguraciya fotosfernyh magnitnyh polei, neozhidanno voznikaet yarkoe svechenie v opticheskom diapazone spektra. Primerno v eto zhe vremya nablyudaetsya uvelichenie radioizlucheniya Solnca i ochen' chasto poyavlenie rentgenovskogo i gamma-izluchenii, soprovozhdayushih vybros koronal'nogo veshestva v vide potoka uskorennyh zaryazhennyh chastic. V nastoyashee vremya polagayut, chto osnovnym istochnikom energii solnechnoi vspyshki yavlyaetsya energiya annigilyacii solnechnogo magnitnogo polya v aktivnoi oblasti i obrazovanie neitral'nogo tokovogo sloya. Zaryazhennye chasticy SKL, uskorennye v solnechnoi vspyshke, vybrasyvayutsya v mezhplanetnoe prostranstvo i zatem rasprostranyayutsya v nem.

Rasprostranenie SKL v mezhplanetnoi srede opredelyaetsya usloviyami, kotorye sushestvovali v nei do vspyshki. Esli usloviya byli spokoinymi, to est' skorost' solnechnogo vetra ne slishkom otlichalas' ot srednei i magnitnoe pole ne ispytyvalo sushestvennyh fluktuacii, to SKL budut rasprostranyat'sya v sootvetstvii s zakonom diffuzii, prichem diffuziya vdol' magnitnyh silovyh linii budet opredelyayushei. Esli pri vspyshke na Solnce generirovana moshnaya udarnaya volna, to chasticy uskoryayutsya na fronte volny pri ee rasprostranenii v korone Solnca i v mezhplanetnoi srede. Naibolee chasto SKL na orbite Zemli nablyudayutsya v teh sluchayah, kogda magnitnaya silovaya liniya, peresekayushaya mesto vspyshki, prohodit cherez Zemlyu. Statisticheskii analiz chisla zaregistrirovannyh sobytii SKL s energiyami bolee neskol'kih soten megaelektronvol't pokazyvaet, chto naibolee chasto registriruyutsya SKL, kotorye byli uskoreny vo vspyshkah, imevshih mesto na zapadnom limbe (krae) Solnca. V poslednie gody poyavilis' dokazatel'stva togo, chto uskorenie chastic mozhet proishodit' na fronte udarnoi volny vblizi Solnca. Takim obrazom, uskorennye chasticy mogut registrirovat'sya takzhe i vdali ot linii soedineniya vspyshki i nablyudatelya. Dovol'no chasto vspyshki SKL proishodyat vo vremya forbush-ponizhenii.

Potok zaryazhennyh chastic, uskorennyh vo vspyshkah na Solnce, ogromen i predstavlyaet ugrozu vsemu zhivomu. Magnitnoe pole i atmosfera spasayut Zemlyu ot etoi chudovishnoi radiacii. Odnako kosmonavtam, otpravlyayushimsya v dalekie kosmicheskie puteshestviya, naprimer k Marsu, neobhodimo imet' zablagovremennuyu informaciyu o vozmozhnosti poyavleniya takih sobytii, chtoby prinyat' zashitnye mery. Zadacha ustanovleniya osnovnyh zakonomernostei vozniknoveniya vspyshek SKL, prognozirovaniya takih sobytii reshaetsya uchenymi mnogih stran mira v techenie neskol'kih desyatkov let. K sozhaleniyu, vopros o zablagovremennom prognozirovanii SKL i opredelenii ih osnovnyh harakteristik na orbite Zemli eshe dalek ot resheniya.

6. Kosmicheskie luchi v magnitosfere i atmosfere Zemli

KL, prezhde chem dostignut' poverhnosti Zemli, dolzhny proiti zemnoe magnitnoe pole (magnitosferu) i zemnuyu atmosferu. Magnitnoe pole Zemli imeet slozhnuyu strukturu. Vnutrennyaya oblast' magnitosfery s razmerami v neskol'ko radiusov Zemli ( R_⊕=6378 km) imeet dipol'nuyu strukturu. Na storone Zemli, obrashennoi k Solncu, na rasstoyanii ~10R_⊕ solnechnyi veter i zemnoe magnitnoe pole v rezul'tate vzaimodeistviya obrazuyut stoyachuyu udarnuyu volnu. Na etom rasstoyanii solnechnyi veter obtekaet magnitnoe pole, razmykaya chast' silovyh linii na perednei (osveshennoi) granice magnitnogo polya Zemli, i perenosit ih na nochnuyu storonu Zemli, obrazuya hvost magnitosfery. Hvost magnitosfery, sostoyashii iz razomknutyh silovyh linii, prostiraetsya na rasstoyanie v neskol'ko soten radiusov Zemli. Na ris. 5 shematicheski izobrazhena zemnaya magnitosfera. KL, popadaya v geomagnitosferu, dvizhutsya v nei slozhnym obrazom, tak kak na lyubuyu zaryazhennuyu chasticu v magnitnom pole deistvuet sila Lorenca, ravnaya F=(q/c)[v×B], gde q – zaryad chasticy, c – skorost' sveta v vakuume, v – skorost' chasticy, a B – indukciya magnitnogo polya. Znaya F, mozhno opredelit' traektoriyu chasticy iz uravneniya

Ris. 5. Struktura magnitosfery Zemli. Oblasti zahvata chastic (radiacionnye poyasa) zashtrihovany

V nachale nashego veka dvizhenie zaryazhennyh chastic v pole magnitnogo dipolya bylo rassmotreno shvedskim uchenym S. Shtermerom. V magnitnom pole dvizhenie chasticy opredelyaetsya ee magnitnoi zhestkost'yu R=pc/q, gde p – impul's chasticy. Chasticy, obladayushie odinakovoi zhestkost'yu R, budut dvigat'sya v odnom i tom zhe pole odinakovo. Raschety pokazali, chto chastica popadet v dannuyu tochku magnitosfery, esli ee magnitnaya zhestkost' budet prevoshodit' nekotoruyu minimal'nuyu velichinu, nazyvaemuyu zhestkost'yu geomagnitnogo obrezaniya R_min. Chasticy, imeyushie R<R_min, popast' v dannuyu tochku magnitosfery pod dannym uglom ne mogut. Obychno velichina R vyrazhaetsya v mega- ili v gigavol'tah: MV ili GV. V polyarnye raiony geomagnitosfery, v raiony magnitnyh polyusov pronikayut chasticy s ochen' malymi znacheniyami R. Odnako po mere prodvizheniya k geomagnitnomu ekvatoru velichina R_min sushestvenno uvelichivaetsya i dostigaet znachenii ~15 GV. Takim obrazom, esli izmeryat' potok KL, dvigayas' ot polyusa k ekvatoru, to ego velichina budet postepenno umen'shat'sya, tak kak magnitnoe pole Zemli budet prepyatstvovat' ih proniknoveniyu. Eto yavlenie poluchilo nazvanie shirotnogo hoda KL. Obnaruzhenie shirotnogo hoda KL posluzhilo dokazatel'stvom togo, chto KL yavlyayutsya zaryazhennymi chasticami.

Svoistvo geomagnitosfery propuskat' v dannuyu tochku KL s zhestkost'yu lish' vyshe R_min ispol'zuetsya dlya nablyudenii KL v razlichnyh diapazonah energii. Dlya etih celei standartnymi priborami (neitronnymi monitorami, kubicheskimi teleskopami, radiozondami i pr.) izmeryayut KL v raionah polyarnyh, srednih i ekvatorial'nyh shirot, imeyushih razlichnye znacheniya R_min.

Vskore posle zapuskov pervyh iskusstvennyh sputnikov Zemli v 1958 godu amerikancem Dzh. Van Allenom i sovetskimi uchenymi S.N. Vernovym i A.E. Chudakovym byli otkryty vnutrennii i vneshnii radiacionnye poyasa Zemli. Radiacionnye poyasa yavlyayutsya magnitnymi lovushkami dlya zaryazhennyh chastic. Esli chastica popadaet vnutr' takoi lovushki, to ona zahvatyvaetsya i zhivet v nei dovol'no dolgo. Poetomu v radiacionnyh poyasah potoki zahvachennyh chastic ogromny po sravneniyu s potokami vne poyasov. Shematicheski radiacionnye poyasa pokazany na ris. 5. Vnutrennii poyas sostoit v osnovnom iz protonov i nahoditsya na rasstoyanii v neskol'ko tysyach kilometrov ot poverhnosti Zemli, esli rasstoyanie otschityvat' v ekvatorial'noi ploskosti. Osnovnym mehanizmom, kotoryi postavlyaet protony vo vnutrennii radiacionnyi poyas, yavlyaetsya mehanizm raspada medlennyh neitronov. Neitrony obrazuyutsya pri vzaimodeistvii KL s yadrami elementov vozduha. Eto nestabil'nye chasticy so vremenem zhizni ~10 minut. Chast' neitronov imeet dostatochnuyu skorost', chtoby uiti za predely atmosfery (granica atmosfery raspolozhena na vysote ~30-35 km), popast' v oblast' geomagnitnoi lovushki i tam raspast'sya: n→p+e^-+ν. Izmereniya i raschety potokov neitronov, idushih vverh iz atmosfery Zemli, pokazali, chto etot istochnik yavlyaetsya osnovnym postavshikom protonov vo vnutrennii radiacionnyi poyas. Maksimum potoka zahvachennyh protonov vnutrennego radiacionnogo poyasa (protony s E>35 MeV) zafiksirovan na rasstoyanii primerno v 1,5R_⊕.

Vneshnii radiacionnyi poyas sostoit v osnovnom iz elektronov s energiei ot neskol'kih soten kiloelektronvol't do ~10 MeV. Potok elektronov vo vneshnem radiacionnom poyase Zemli sil'no menyaetsya vo vremya geomagnitnyh vozmushenii. Vneshnii radiacionnyi poyas obrazuetsya iz chastic ionizovannoi obolochki, raspolagayusheisya vokrug Zemli, i elektronov solnechnogo vetra. Vo vremya geomagnitnyh vozmushenii maloenergichnye elektrony uskoryayutsya magnitogidrodinamicheskimi volnami (MGD-volnami), rasprostranyayushimisya ot granicy magnitosfery k poverhnosti Zemli (podrobnee o prirode MGD-voln sm. stat'yu M.I. Pudovkina "Solnechnyi veter" v etom tome).

Na ris. 5 zashtrihovannye oblasti predstavlyayut soboi oblasti zahvata chastic – radiacionnye poyasa Zemli. Magnitosfera Zemli ne simmetrichna na dnevnoi i nochnoi storonah, poetomu oblasti zahvata chastic takzhe razlichny. Eto razlichie vyzvano vozdeistviem solnechnogo vetra na geomagnitosferu i osobenno skazyvaetsya na ee vneshnih oblastyah. Poetomu sil'naya asimmetriya v raspolozhenii oblasti zahvata nablyudaetsya dlya chastic vneshnego radiacionnogo poyasa i v znachitel'no men'shei stepeni dlya chastic vnutrennego poyasa.

V poslednee vremya vse bol'shee vnimanie privlekaet rol' KL v atmosfernyh processah. Hotya plotnost' energii KL mala po sravneniyu s sootvetstvuyushimi velichinami razlichnyh atmosfernyh processov, v nekotoryh iz nih KL igrayut reshayushuyu rol'. V zemnoi atmosfere na vysotah menee 30 km KL yavlyayutsya glavnym istochnikom obrazovaniya ionov. Ot plotnosti ionov vo mnogom zavisyat processy kondensacii i obrazovaniya vodyanyh kapel'. Tak, vo vremya forbush-ponizhenii umen'shaetsya oblachnost' i uroven' vypadeniya osadkov. Posle vspyshek na Solnce i prihoda SKL na Zemlyu velichina oblachnosti i uroven' osadkov uvelichivayutsya. Eti izmeneniya kak v pervom, tak i vo vtorom sluchayah sostavlyayut znachitel'nuyu velichinu – ne menee 10 %. Posle vtorzheniya v polyarnye oblasti Zemli bol'shih potokov maloenergichnyh chastic ot solnechnyh vspyshek nablyudaetsya izmenenie temperatury v verhnih sloyah atmosfery. KL aktivno uchastvuyut v obrazovanii grozovogo elektrichestva. V nastoyashee vremya aktivno izuchaetsya vliyanie KL na koncentraciyu ozona i na drugie processy v atmosfere.

7. Zaklyuchenie

KL predstavlyayut soboi interesneishee yavlenie prirody, i, kak vse v prirode, ono tesno svyazano s drugimi processami v zvezdnyh ob'ektah, v nashei Galaktike, na Solnce, v geliomagnitosfere i v atmosfere Zemli. Chelovek uzhe mnogoe znaet o KL, no takie vazhnye voprosy, kak prichiny uskoreniya KL, v tom chisle do stol' gigantskih znachenii kak E~10²⁰ eV, himicheskii sostav KL pri E>10¹⁴ eV, kolichestvennoe opisanie processov rasprostraneniya chastic v Galaktike i v okolosolnechnom prostranstve, uskorenie chastic vo vspyshkah na Solnce i mnogoe drugoe ostayutsya poka nereshennymi.

Literatura

1. Berezinskii V.S., Bulanov S.V., Ginzburg V.L. i dr. Astrofizika kosmicheskih luchei / Pod red. V.L. Ginzburga. M.: Nauka, 1990.
2. Dorman I.V. Kosmicheskie luchi (istoricheskii ocherk). M.: Nauka, 1981.
3. Murzin V.S. Fizika kosmicheskih luchei. M.: MGU, 1970.
4. Parker E. Dinamicheskie processy v mezhplanetnoi srede / Per. s angl. M.: Mir, 1963.
5. Rossi B. Kosmicheskie luchi. M.: Atomizdat, 1966.