Варіації космічних променів

Все що приходить до нас на Землю з неосяжних просторів Всесвіту, що оточує нас, — це посланці космосу. До них, зокрема, відносяться і космічні промені — потоки швидких заряджених частинок з енергіями від декількох мільйонів до багатьох мільярдів электроновольт. Від їхнього смертоносного впливу все живе на нашій планеті надійно захищає товща земної атмосфери.

Фізики успішно використовують космічні промені для вивчення елементарних частинок і їх взаємодій, тобто для дослідження мікросвіту. Але цим далеко не вичерпується їх значення. Космічні промені приносять нам цінну інформацію про фізичні умови в тих областях простору, де вони зародилися, і про ті райони космосу, через які вони пройшли на шляху до нас.

На нашій планеті в даний час працює широка мережа більш ніж з сотні лабораторій, які безперервно, вдень і вночі, з допомогою різних приладів реєструють інтенсивність космічних променів, що падають на Землю. Ця реєстрація проводиться за допомогою стаціонарних приладів, встановлених на різних висотах від рівня моря до 5000 м, так і з допомогою приладів, які несуть на собі морські кораблі, літаки, повітряні кулі, штучні супутники Землі і космічні ракети.

Про що ж розповідають космічні промені? Всі спостережувані зміни інтенсивності космічних променів за своєю природою можуть бути розділені на три класи. Перший клас — це варіації, обумовлені змінами у земній атмосфері над пунктом спостереження. Ці варіації носять місцевий характер і відображають, по суті, зміну умов виникнення і розповсюдження вторинних частинок в атмосфері. Наприклад, збільшення барометричного тиску на 1 мм ртутного стовпа, призводить до зменшення інтенсивності космічних променів майже на 1%, а підвищення температури атмосфери веде до зменшення мезонної компоненти (складової) космічних променів, так як при підвищенні температури більше число мезонів розпадається на шляху крізь атмосферу, і прилади відзначають зменшення мезонної компоненти космічних променів.

Щоб знайти, яка частина спостережуваних варіацій викликана метеорологічними умовами, необхідно, крім барометричного тиску, знати також розподіл температури залежно від висоти. Для цього поблизу кожної лабораторії космічних променів регулярно, по кілька разів в добу, проводяться запуски метеорологічних куль-зондів. Дослідження варіацій атмосферного походження дає інформацію про те, які метеорологічні умови у верхніх шарах земної атмосфери, недоступних для куль-зондів.

Другий клас — це варіації, обумовлені змінами магнітного поля Землі. Як відомо, магнітне поле Землі в першому наближенні можна розглядати як поле магнітного диполя. Заряджені частинки в цьому полі під дією сили Лоренца відхиляються від первісного напрямку руху, і частина їх може взагалі не потрапити на Землю. В район екватора можуть проникнути тільки частинки з енергією більше 15 мільярдів электроновольт. Частинки з меншою енергією магнітне поле Землі «відкине» назад, у космос. Тому на екваторі спостерігається найменша інтенсивність космічних променів. З наближенням до полюсів енергія, якою повинні володіти космічні частинки, щоб дійти до поверхні Землі, стає менше, тому із збільшенням широти місця збільшується інтенсивність падаючих на Землю космічних променів. Таким чином, геомагнітне поле істотно впливає на розподіл інтенсивності космічних променів по планеті.

Коли величезні потоки плазми, що викидаються Сонцем, підходять до Землі зі швидкістю близько 1000 км/сек, відбуваються великі збурення магнітного поля Землі. Вони викликають магнітні бурі і полярні сяйва. У ці періоди зменшується дія геомагнітного поля на космічні промені, так як утворюється струмове кільце, що ослаблює напруженість магнітного поля Землі, і тому послаблюється розсіяння частинок геомагнітним полем.

Отже, в ці періоди до поверхні Землі будуть прориватися частинки, що володіють меншою енергією, і інтенсивність космічних променів буде підвищуватися відповідно. Ретельні дослідження варіацій цього роду дозволяють вивчати структуру магнітосфери Землі. Зокрема, було показано, що магнітосфера Землі під час магнітних бур «видувається» швидко рухомою сонячною плазмою в нічну сторону. Це веде до того, що інтенсивність космічних променів на денній стороні Землі зростає сильніше, ніж на нічній.

Третій клас — варіації неземного походження. Щоб визначити варіації цього класу, треба з даних, отриманих під час спостережень, виключити варіації першого і другого класів, а потім за допомогою спеціальних формул, виходячи з характеристик потоків вторинних частинок, які реєструються приладами, обчислити енергію й напрямок руху первинних космічних променів, відповідальних за варіації неземного походження.

Варіації позаземного походження — найбільш складний і цікавий клас варіацій, який, у свою чергу, може бути розбитий на три підкласи: а) модуляційні ефекти (зміна інтенсивності) галактичних космічних променів під дією сонячної активності, б) виникнення на Сонці і поширення в міжпланетному просторі сонячних космічних променів і, нарешті, в) варіації галактичного і метагалактичного походження, пов’язані з особливістю розподілу джерел космічних променів, магнітних полів в просторі.

Модуляційні ефекти космічних променів, які приходять з Галактики в нашу Сонячну систему, дозволяють безпосередньо «промацувати» магнітну структуру міжпланетного простору і зміну цієї структури з часом. Особливістю цього виду варіацій є те, що вони найбільш сильно проявляються на частинках малих енергій, і амплітуда варіацій зменшується з ростом енергії первинних частинок. Для часток з дуже великою енергією (більше декількох сотень мільярдів электроновольт) модуляційні ефекти практично відсутні.

Слід зазначити, що протягом багатьох років «промацування» міжпланетного простору шляхом спостереження за космічними променями було майже єдиним надійним способом отримання інформації про існуючі там магнітні поля. Зокрема, таким способом вдалося показати наявність магнітних полів у потоках плазми, що викидаються із Сонця. Ці магнітні поля як би «вморожені» в потоки сонячної плазми і рухаються разом з ними з величезною швидкістю (близько 300-1000 км/сек). Напруженість «вмороженності» полів опинилася в тисячі разів менше напруженості магнітного поля біля поверхні Землі. Крім цих нерегулярних полів, було виявлено ще більш слабке Міжпланетне поле, силові лінії якого майже радіальні по відношенню до Сонця, яке пов’язане із сонячним вітром.

Всі ці дані були отримані при аналізі спостережень космічних променів, падаючих на нашу планету. Останнім часом висновки вчених були блискуче підтверджені прямими вимірами магнітних полів, проведеними за допомогою американських космічних ракет. (Як після цього не захоплюватися міццю науки, якщо за мікрочастинками, падаючими на нашу планету, роблять вірні висновки про процеси, що відбуваються в мільйонах кілометрів від планети!)

Найбільш сильні зміни інтенсивності космічних променів відбуваються під дією зміни сонячної активності, причому зі зростанням числа сонячних плям спостерігається істотне зменшення інтенсивності космічних променів: за час зростання сонячної активності від мінімуму до максимуму потік малоенергичних частинок з енергією в декілька сотень мільйонів електроновольт зменшується майже в 10 разів, потік частинок з енергією близько одного мільярда електроновольт — вдвічі, а зміна інтенсивності потоку частинок з енергією в декілька десятків і сотень мільярдів електроновольт вимірюється вже відсотками і частками відсотка. Причина цих варіацій — в русі магнітних полів, «вмороженістю» у згустки плазми, що викидаються з Сонця. Ці магнітні поля прагнуть розвіяти космічні частинки, що приходять з Галактики в Сонячну систему, виштовхнути їх назад в Галактику і зменшити енергію тих частинок, яким все ж таки вдається прорватися до нашої планеті.

Активні області на Сонці, що є джерелом плазмових згустків, розташовані нерівномірно по геліо довготі. Тому потоки магнітних полів неоднакові: в одних напрямках вони більше, в інших — менше. Відповідно у першій області інтенсивність космічних променів буде дещо менше, ніж у другій. Це розходження в інтенсивності може зберігатися протягом тривалого часу. При своєму русі навколо Сонця Земля буде потрапляти в області простору то із зниженою, то з підвищеною інтенсивністю космічних променів (відносно деякої середньої), при тривалому існуванні асиметрії в активності Сонця будуть спостерігатися варіації космічних променів з періодом, близьким до періоду обертання Сонця, — так звані 27-денні варіації. Амплітуда їх в десятки разів менше, ніж амплітуда 11-річних варіацій.

Сонячні космічні промені відрізняються від галактичних меншою енергією складових частинок. Але не тільки цим. Є ще одна істотна відмінність. Справа в тому, що реєструються на Землі галактичні космічні промені були утворені в середньому десятки і сотні мільйонів років тому. Перш ніж потрапити до нас на Землю, вони довго блукали по Всесвіту і стикалися з атомами міжзоряного середовища. У результаті цих взаємодій важкі ядра перетворювалися в більш легкі. У космічних променях з’являлися ядра літію, берилію, бору, яких раніше там не було.

Сонячні космічні промені приходять до нас лише через кілька хвилин, годин або діб (це залежить від енергії частинок і електромагнітної обстановки в міжпланетному просторі) після свого народження. За цей час вони зустрічають настільки мало атомів у міжпланетному середовищі, що ядерні взаємодії практично не відбуваються. Тому склад сонячних космічних променів близький до хімічного складу сонячної атмосфери: у них, зокрема, відсутні ядра літію, берилію і бору.

Частка космічних променів, що народжуються на зірках типу Сонця, незначна в загальному потоці галактичних космічних променів. Останні виникають у більш потужних процесах: при спалахах наднових зірок, можливо, при вибухах ядер галактик і т. п. Тим не менш, в безпосередній близькості від Сонця (або поблизу інших зірок) роль місцевих космічних променів може бути дуже значна. Зокрема, потік сонячних космічних променів в районі земної орбіти може під час окремих потужних спалахів в тисячі разів перевищувати потік галактичних частинок. Тому сонячні космічні промені можуть представляти серйозну радіаційну небезпеку для здоров’я і життя космонавтів.

Ця небезпека різко зросте із збільшенням тривалості польотів. Детальне вивчення енергетичних і просторово-часових характеристик сонячних космічних променів дозволяє розробляти необхідні заходи щодо запобігання цієї небезпеки (екранування кабіни космонавтів, прогнозування «сонячної погоди», вибір часу польоту і т. д.). Це одна з причин, чому дослідженням сонячних космічних променів приділяється така велика увага. Інша причина полягає в тому, що сонячні космічні промені в комплексі з даними оптичної астрономії та радіоастрономії дають цінну інформацію про процеси, що протікають в глибині сонячної атмосфери і корони (зокрема, про механізм викиду потоків плазми; про механізм прискорення заряджених частинок, про механізм виникнення сонячного радіовипромінювання тощо).

Вивчення характеру поширення сонячних космічних променів дає додаткову інформацію про надкорону Сонця.

Розповімо тепер про останній, але дуже важливий тип варіацій космічних променів — варіації галактичного і метагалактичного походження. Їх вивчати особливо важко, так як в області порівняно невеликих енергій (до декількох десятків і сотень мільярдів електроновольт) на ці варіації накладаються модуляційні ефекти значно більшої амплітуди, які можуть створювати уявні, помилкові галактичні варіації. Необхідний досить тонкий аналіз з детальним урахуванням ефектів атмосферного і міжпланетного походження, щоб позбутися від цих помилкових варіацій. Крім того, наявність магнітних полів в міжпланетному просторі виробляє додаткове перемішування частинок, що призводить до втрати інформації про характер руху космічних променів за межами Сонячної системи.

Здавалося б, єдина можливість подолання цієї труднощі — проведення вимірювань за допомогою космічних ракет на великих відстанях від Сонця (за межами міжпланетних магнітних полів). Однак існують періоди особливо глибоких мінімумів сонячної активності, коли на Сонці протягом тривалого часу не з’являються плями і спалахи і коли міжпланетний простір стає вільним від розсіюючих магнітних полів. У ці періоди різко послаблюються як модуляційні ефекти, так і дія магнітних полів.

Ще складніше дослідити варіації третього класу в області надвисоких енергій. Сприятливою обставиною тут є те, що на частинки з енергією більше багатьох тисяч мільярдів електроновольт міжпланетні магнітні поля практично не діють. Однак потік частинок настільки великих енергій настільки малий, що для його реєстрації з достатньою точністю необхідні грандіозні дорогі установки. Отримані до теперішнього часу результати поки незначно виходять за межі експериментальних помилок і не можуть вважатися надійними. Разом з тим дослідження галактичних та метагалактичних варіацій у широкому інтервалі енергій виключно важливо для вивчення структури магнітних полів у Галактиці, розподілу і потужності джерел космічних променів у Галактиці і Метагалактиці і т. п. Можна сподіватися, що великі зусилля, прикладені вченими в цьому напрямку, призведуть до важливих відкриттів у подальшому.

Автор: Л. Дорман.