Вариации космических лучей

Все что приходит к нам на Землю из необъятных просторов окружающего нас пространства,— это посланцы космоса. К ним, в частности, относятся и космические лучи — потоки быстрых заряженных частиц с энергиями от нескольких миллионов до многих миллиардов электроновольт. От их смертоносного воздействия все живое на нашей планете надежно защищает толща земной атмосферы.

Физики успешно используют космические лучи для изучения элементарных частиц и их взаимодействий, то есть для исследования микромира. Но этим далеко не исчерпывается их значение. Космические лучи приносят нам ценную информацию о физических условиях в тех областях пространства, где они зародились, и о тех районах космоса, через которые они прошли на пути к нам.

На нашей планете в настоящее время работает широкая сеть более чем из сотни лабораторий, которые непрерывно, днем и ночью, с помощью различных приборов регистрируют интенсивность космических лучей, падающих на Землю. Эта регистрация проводится как с помощью стационарных приборов, установленных на различных высотах от уровня моря до 5000 м, так и с помощью приборов, которые несут на себе морские корабли, самолеты, воздушные шары, искусственные спутники Земли и космические ракеты.

О чем же рассказывают космические лучи? Все наблюдаемые изменения интенсивности космических лучей по своей природе могут быть разделены на три класса. Первый класс — это вариации, обусловленные изменениями в земной атмосфере над пунктом наблюдения. Эти вариации носят местный характер и отражают, по существу, изменение условий возникновения и распространения вторичных частиц в атмосфере. Например, увеличение барометрического давления на 1 мм ртутного столба приводит к уменьшению интенсивности космических лучей почти на 1% а повышение температуры атмосферы ведет к уменьшению мезонной компоненты (составляющей) космических лучей, так как при повышении температуры большее число мезонов распадается на пути сквозь атмосферу, и приборы отмечают уменьшение мезонной компоненты космических лучей.

Чтобы найти, какая часть наблюдаемых вариаций вызвана метеорологическими условиями, необходимо, кроме барометрического давления, знать также распределение температуры в зависимости от высоты. Для этого вблизи каждой лаборатории космических лучей регулярно, по нескольку раз в сутки, проводятся запуски метеорологических шаров-зондов. Исследование вариаций атмосферного происхождения дает информацию о том, каковы метеорологические условия в верхних слоях земной атмосферы, недоступных для шаров-зондов.

Второй класс — это вариации, обусловленные изменениями магнитного поля Земли. Как известно, магнитное поле Земли в первом приближении можно рассматривать как поле магнитного диполя. Заряженные частицы в этом поле под действием силы Лоренца отклоняются от первоначального направления движения, и часть их может вообще не попасть на Землю. В район экватора могут проникнуть только частицы с энергией больше 15 миллиардов электроновольт. Частицы с меньшей энергией магнитное поле Земли «отбросит» назад, в космос. Поэтому на экваторе наблюдается наименьшая интенсивность космических лучей. С приближением к полюсам энергия, которой должны обладать космические частицы, чтобы дойти до поверхности Земли, становится меньше, поэтому с увеличением широты места увеличивается интенсивность падающих на Землю космических лучей. Таким образом, геомагнитное поле существенно влияет на распределение интенсивности космических лучей по планете.

Когда огромные потоки плазмы, выбрасываемые Солнцем, подходят к Земле со скоростью около 1000 км/сек, происходят большие возмущения магнитного поля Земли. Они вызывают магнитные бури и полярные сияния. В эти периоды уменьшается действие геомагнитного поля на космические лучи, так как образуется токовое кольцо, ослабляющее напряженность магнитного поля Земли, и поэтому ослабляется рассеяние частиц геомагнитным полем.

Следовательно, в эти периоды к поверхности Земли будут прорываться частицы, обладающие меньшей энергией, и интенсивность космических лучей будет соответственно повышаться. Тщательные исследования вариаций этого рода позволяют изучать структуру магнитосферы Земли. В частности, было показано, что магнитосфера Земли во время магнитных бурь «выдувается» быстродвижущейся солнечной плазмой в ночную сторону. Это ведет к тому, что интенсивность космических лучей на дневной стороне Земли возрастает сильнее, чем на ночной.

Третий класс — вариации внеземного происхождения. Чтобы определить вариации этого класса, надо из данных, полученных во время наблюдений, исключить вариации первого и второго классов, а затем с помощью специальных формул, исходя из характеристик потоков вторичных частиц, которые регистрируются приборами, вычислить энергию и направление движения первичных космических лучей, ответственных за вариации внеземного происхождения.

Вариации внеземного происхождения — наиболее сложный и интересный класс вариаций, который, в свою очередь, может быть разбит на три подкласса: а) модуляционные эффекты (изменение интенсивности) галактических космических лучей под действием солнечной активности, б) возникновение на Солнце и распространение в межпланетном пространстве солнечных космических лучей и, наконец, в) вариации галактического и метагалактического происхождения, связанные с особенностью распределения источников космических лучей и магнитных полей в пространстве.

Модуляционные эффекты космических лучей, которые приходят из Галактики в нашу Солнечную систему, позволяют непосредственно «прощупывать» магнитную структуру межпланетного пространства и изменение этой структуры со временем. Особенностью этого вида вариаций является то, что они наиболее сильно проявляются на частицах малых энергий, и амплитуда вариаций уменьшается с ростом энергии первичных частиц. Для частиц с очень большой энергией (более нескольких сотен миллиардов электроновольт) модуляционные эффекты практически отсутствуют.

Следует отметить, что в течение многих лет «прощупывание» межпланетного пространства путем наблюдения за космическими лучами было почти единственным надежным способом получения информации о существующих там магнитных полях. В частности, таким способом удалось показать наличие магнитных полей в выбрасываемых из Солнца потоках плазмы. Эти магнитные поля как бы «вморожены» в потоки солнечной плазмы и движутся вместе с ними с огромной скоростью (около 300—1000 км/сек). Напряженность «вмороженных» полей оказалась в тысячи раз меньше напряженности магнитного поля около поверхности Земли. Кроме этих нерегулярных полей, было обнаружено еще более слабое Межпланетное поле, силовые линии которого почти радиальны по отношению к Солнцу и которое связано с солнечным ветром.

Все эти данные были получены при анализе наблюдений космических лучей, падающих на нашу планету. В последнее время выводы ученых были блестяще подтверждены прямыми измерениями магнитных полей, проведенными при помощи американских космических ракет. (Как после этого не восхищаться мощью науки, если по микрочастицам, падающим на нашу планету, делаются верные заключения о процессах, происходящих в миллионах километров от планеты!)

Продолжение следует.

Автор: Л. Дорман.