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!)

Наиболее сильные изменения интенсивности космических лучей происходят под действием изменения солнечной активности, причем с ростом числа солнечных пятен наблюдается существенное уменьшение интенсивности космических лучей: за время возрастания солнечной активности от минимума к максимуму поток малоэнергичных частиц с энергией в несколько сотен миллионов электроновольт уменьшается почти в 10 раз, поток частиц с энергией около одного миллиарда электроновольт — вдвое, а изменение интенсивности потока частиц с энергией в несколько десятков и сотен миллиардов электроновольт измеряется уже процентами и долями процента. Причина этих вариаций — в движении магнитных полей, «вмороженных» в выбрасываемые из Солнца сгустки плазмы. Эти магнитные поля стремятся рассеять космические частицы, приходящие из Галактики в Солнечную систему, вытолкнуть их обратно в Галактику и уменьшить энергию тех частиц, которым все же удается прорваться к нашей планете.

Активные области на Солнце, являющиеся источником плазменных сгустков, расположены неравномерно по гелио долготе. Поэтому потоки магнитных полей неодинаковы: в одних направлениях они больше, в других — меньше. Соответственно в первой области интенсивность космических лучей будет несколько меньше, чем во второй. Это различие в интенсивности может сохраняться в течение длительного времени. При своем движении вокруг Солнца Земля будет попадать в области пространства то с пониженной, то с повышенной интенсивностью космических лучей (относительно некоторой средней), и при длительном существовании асимметрии в активности Солнца будут наблюдаться вариации космических лучей с периодом, близким к периоду вращения Солнца,— так называемые 27-дневные вариации. Амплитуда их в десятки раз меньше, чем амплитуда 11-летних вариаций.

Солнечные космические лучи отличаются от галактических меньшей энергией составляющих их частиц. Но не только этим. Есть еще одно существенное отличие. Дело в том, что регистрируемые на Земле галактические космические лучи были образованы в среднем десятки и сотни миллионов лет назад. Прежде чем попасть к нам на Землю, они долго блуждали по Вселенной и сталкивались с атомами межзвездной среды. В результате этих взаимодействий тяжелые ядра превращались в более легкие. В космических лучах появлялись ядра лития, бериллия, бора, которых раньше там не было.

Солнечные космические лучи приходят к нам всего лишь через несколько минут, часов или суток (это зависит от энергии частиц и электромагнитной обстановки в межпланетном пространстве) после своего рождения. За это время они встречают настолько мало атомов в межпланетной среде, что ядерные взаимодействия практически не происходят. Поэтому состав солнечных космических лучей близок к химическому составу солнечной атмосферы: в них, в частности, отсутствуют ядра лития, бериллия и бора.

Доля космических лучей, рождающихся на звездах типа Солнца, ничтожна в общем потоке галактических космических лучей. Последние возникают в более мощных процессах: при вспышках сверхновых звезд, возможно, при взрывах ядер галактик и т. п. Тем не менее, в непосредственной близости от Солнца (или в окрестностях других звезд) роль местных космических лучей может быть весьма значительна. В частности, поток солнечных космических лучей в районе земной орбиты может во время отдельных мощных вспышек в тысячи раз превышать поток галактических частиц. Поэтому солнечные космические лучи могут представить серьезную радиационную опасность для здоровья и жизни космонавтов.

Эта опасность резко возрастет с увеличением длительности полетов. Детальное изучение энергетических и пространственно-временных характеристик солнечных космических лучей позволяет разрабатывать необходимые меры по предотвращению этой опасности (экранировка кабины космонавтов, прогнозирование «солнечной погоды», выбор времени полета и т. д.). Это одна из причин, почему исследованиям солнечных космических лучей уделяется столь большое внимание. Другая причина состоит в том, что солнечные космические лучи в комплексе с данными оптической астрономии и радиоастрономии дают ценную информацию о процессах, протекающих в глубине солнечной атмосферы и короны (в частности, о механизме выброса потоков плазмы; о механизме ускорения заряженных частиц, о механизме возникновения солнечного радиоизлучения и т. п.).

Изучение характера распространения солнечных космических лучей дает дополнительную информацию о сверхкороне Солнца.

Расскажем теперь о последнем, но очень важном типе вариаций космических лучей — вариациях галактического и метагалактического происхождения. Их изучать особенно трудно, так как в области сравнительно небольших энергий (до нескольких десятков и сотен миллиардов электроновольт) на эти вариации накладываются модуляционные эффекты значительно большей амплитуды, которые могут создавать кажущиеся, ложные галактические вариации. Необходим весьма тонкий анализ с детальным учетом эффектов атмосферного и межпланетного происхождения, чтобы избавиться от этих ложных вариаций. Кроме того, наличие магнитных полей в межпланетном пространстве производит дополнительное перемешивание частиц, что приводит к потере информации о характере движения космических лучей за пределами Солнечной системы.

Казалось бы, единственная возможность преодоления этой трудности — проведение измерений при помощи космических ракет на больших расстояниях от Солнца (за пределами межпланетных магнитных полей). Однако существуют периоды особенно глубоких минимумов солнечной активности, когда на Солнце в течение длительного времени не появляются пятна и вспышки и когда межпланетное пространство становится свободным от рассеивающих магнитных полей. В эти периоды резко ослабляются как модуляционные эффекты, так и перемешивающее действие магнитных полей.

Еще сложнее исследовать вариации третьего класса в области сверхвысоких энергий. Благоприятным обстоятельством здесь является то, что на частицы с энергией больше многих тысяч миллиардов электроновольт межпланетные магнитные поля практически не действуют. Однако поток частиц столь больших энергий настолько мал, что для его регистрации с достаточной точностью необходимы грандиозные дорогостоящие установки. Полученные к настоящему времени результаты пока незначительно выходят за пределы экспериментальных ошибок и не могут считаться надежными. Вместе с тем исследование галактических и метагалактических вариаций в широком интервале энергий исключительно важно для изучения структуры магнитных полей в Галактике, распределения и мощности источников космических лучей в Галактике и Метагалактике и т. п. Можно надеяться, что большие усилия, прилагаемые учеными в этом направлении, приведут к важным открытиям в дальнейшем.

Автор: Л. Дорман.