Солнечные космические лучи

Солнечные космические лучи связаны с деятельностью солнца и появляются в межпланетном пространстве в виде интенсивных потоков заряженных частиц после хромосферных вспышек.Состав СКЛ в основном соответствует распространенности элементов на солнце: около 80% - ядра водорода (протоны), до 15% - альфа частицы. Остальное- более тяжелые ядра. В период максимума солнечной активности, который повторяется через 11 лет ( последний был в 1992-1993 годах), происходит около 10 крупных вспышек в год; в период минимума - не более одной. Все они, возникнув, развиваются в каждом случае своеобразно, различаясь мощностью, длительностью, а также составом и формой энергетического спектра СКЛ. Слабые солнечные вспышки проходят в среднем один раз в день.

Энергия частиц СКЛ не превышает 10¹⁰ эВ, что значительно ниже, чем в ГКЛ. Например , после сильной вспышки 4 августа 1972 года она составила 7*10⁴ см^-2 с^-1 ср^-1 для Е >= 107 эВ. На рисунке для сравнения показаны спектры нескольких крупных вспышек. Значительные потоки СКЛ вызывают дополнительную ионизацию в ионосфере Земли, создавая радиопомехи и затрудняя связь в диапазоне коротких волн. СКЛ представляет основную опасность для межпланетных полетов.

Радиационные пояса Земли. Магнитное поле Земли, взаимодействуя с потоками заряженных частиц первичных КЛ, захватывает некоторую их часть и удерживает в ограниченных областях, называемых радиационными поясами. Захваченные частицы под действием силы Лоренца движутся по спиральным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля ( рис. 2).

Рассмотрим подробнее характер этого движения. Сила Лоренца , как известно, обусловлена поперечной (перпендикулярной к силовой линии) составляющей скорости частицы V_перп и является центростремительной силой: F_л = q*V_перп *B= m*V_перп ² / R_перп , откуда

V перп= q*R*B/m (1)

Здесь q и m - заряд и масса частицы; B= м_0* H - магнитная индукция. Радиус спирали R выразим из условия постоянства момента импульса: L = m*V_перп *R

R= L/(m*V_перп ) (2)

Из (1) и (2) можно легко видеть, что

V_перп ² /B = q*L/m= const (3)

По мере приближения частиц к Земле и увеличения В поперечная скорость V_перп , как следует из (3), возрастает. Это происходит из-за уменьшения продольной составляющей скорости V_прод , поскольку кинетическая энергия частицы, равная m*(V_перп ² + V_прод ² )/2 в силу законов сохранения энергии в стационарном магнитном поле не меняется. Отсюда следует существование некоторой точки, называемой зеркальной, где V_прод обращается в нуль и меняет направление. В этой точке частица "отражается", т.е. начинает двигаться обратно, к противоположному магнитному полюсу. Там есть другая зеркальная точка, где снова происходит отражение, и т.д. Период таких колебаний составляет несколько десятых долей секунды.

Форма РПЗ определяется магнитным полем Земли. Различают внутренний и внешний РПЗ. В экваториальной области внутренний РПЗ расположен на высоте примерно от 600 км до 6...7 тысяч км, внешний-от 9...10 до 40...50 тыс. Км. Чем выше энергия частицы, тем более сильное поле требуется для ее удержания. Поэтому частицы со сравнительно высокой энергией сосредоточены во внутреннем РПЗ (протоны с энергией до 10⁹ эВ, электроны - до 10⁶ эВ). Внешний РПЗ состоит из протонов и электронов меньшей энергии (соответственно - до 10⁷ и до 10⁵ эВ).

Интенсивность потока протонов в РПЗ соизмерима с интенсивностью потока СКЛ сильных вспышек, а электронов еще выше. Потоки протонов РПЗ представляют серьезную опасность как для живых организмов, так и для аппаратуры. Магнитное поле в значительной степени экранирует Землю от первичных КЛ. До плотных слоев атмосферы доходят лишь те частицы, энергия которых превышает определенный порог. Данный эффект называют "геомагнитным обрезанием". Он объясняется тем, что у частиц высокой энергии радиус кривизны траектории слишком велик для того, чтобы они удержались в РПЗ. Пороговая энергия максимальна для экваториальных областей (1,5*10¹⁰ эВ) и уменьшается до нуля у магнитных полюсов, где частицы движутся вдоль силовых линий и сила Лоренца на них не действует. На широте Москвы пороговая энергия равна 2,5*10⁹ эВ. Вследствие геомагнитного обрезания поток КЛ у границы атмосферы максимален вблизи полюсов.

Взаимодействие космических лучей в атмосфере

Летящие частицы КЛ, взаимодействуя с атомами атмосферы, вызывают процессы образования и распада практически всех известных элементарных частиц. Мы кратко рассмотрим наиболее часто происходящие процессы.

Во-первых, все энергичные заряженные частицы способны выбивать из атомов быстрые электроны (б-электроны).
Во-вторых, первичные протоны и ядра могут разрушать атомные ядра, выбивать из них нуклоны (протоны, нейтроны) и рождать пионы.

В верхних слоях атмосферы преобладает образование пионов: П⁰ , П⁺ , П^- в результате взаимодействия протонов КЛ с нуклонами ядер. Интенсивность потока первичных протонов падает, и на высоте 10 км образование пионов практически прекращает