§ 55. ПЕРВИЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ У ЗЕМЛИ

Согласно экспериментальным данным средняя энергия первичных космических частиц имеет порядок энергия же отдельных очень редких частиц достигает возможно, даже больше. Поток первичных космических лучей на границе асмосферы на высоких широтах равен сек. Общий поток энергии, приносимый космическими лучами на Землю, ничтожно мал в сравнении с энергией, получаемой Землей от Солнца и сравним с энергией видимого света звезд

Геомагнитные явления. В выяснении природы первичного космического излучения чрезвычайно важную роль сыграли так называемые геомагнитные эффекты, т. е. зависимость интенсивности космических лучей и их энергетического спектра от геомагнитных координат точки наблюдения, а также зенитной и азимутальной ориентации регистрирующих приборов.

Магнитное поле Земли в первом приближении представляет поле магнитного диполя с магнитным моментом гаусс-см, наклоненного на угол 11,5° к земной оси и смещенного относительно нее и от центра Земли приблизительно на

Заряженные частицы космических лучей при своем движении из мирового пространства вблизи Земли испытывают отклоняющее действие ее магнитного поля и это сказывается на распределении интенсивности космических лучей по земной поверхности.

Теория движения заряженных частиц в магнитном поле Земли первоначально разрабатывалась Штермером и в дальнейшем была развита Лемертом и Валлартой. Задача сводилась к вычислению траектории заряженных частиц с различными импульсами в поле магнитного диполя Земли при различных начальных условиях.

Широтный эффект. Заряженные частицы, идущие от внеземного источника, будут испытывать максимальное отклонение в магнитном поле Земли, когда они подходят к Земле в плоскости геомагнитного экватора.

Если импульсы этих частиц меньше некоторой величины, отклонение будет настолько сильным, что они вообще не попадут на поверхность Земли. По мере продвижения к полюсам Земли угол между траекторией частиц, движущихся в вертикальной плоскости, и магнитными силовыми линиями Земли уменьшается (рис. 106) и отклоняющее действие магнитного поля будет

ослабевать. На полюсе частицы, идущие по вертикали вдоль силовых линий, вообще не будут испытывать никакого отклонения.

Вытекающая отсюда естественная зависимость интенсивности космических лучей от геомагнитной широты места наблюдения носит название широтного эффекта (рис. 107).

Рис. 106. Магнитное силовое поле Земли

Рис. 107. Зависимость числа тройных совпадений в минуту у поверхности Земли от геомагнитной широты

Теория Штермера дает следующую связь между геомагнитной широтой места наблюдения К и минимальным импульсом, которым должна обладать частица, чтобы, двигаясь по вертикали, попасть в эту точку:

Таким образом, на экваторе минимальный импульс приходящих частиц на широте

Широтный эффект подробно был изучен с помощью шаров-зондов, запускаемых в стратосферу. Поднимать аппаратуру на большую высоту было необходимо потому, что на уровне моря широтный эффекг сильно маскируется различными вторичными процессами.

В результате изучения широтного эффекта было получено несколько фундаментальных результатов.

1. Было показано, что первичная компонента на 90% состоит из заряженных частиц (а не фотонов, как считали вначале) с импульсом, большим

2. Сопоставление данных, полученных на нескольких широтах, позволило определить вид энергетического спектра первичных частиц космического излучения.

В дальнейшем энергетический спектр уточнялся по изучению широких атмосферных ливней (см. § 45) и в работах на спутниках. Было установлено, что поток космических лучей в области

кинетических энергий на нуклон монотонно и довольно быстро падает с ростом энергии (рис. 108). Интегральный энергетический спектр имеет вид

где — поток частиц с атомным весом А и полной энергией, приходящейся на один нуклон, большей . В среднем во всей области энергий до лежит вблизи

Для относительно мягких частиц с энергией на нуклон спектр уже не определяется выражением (118). Поток перестает расти с уменьшением энергии. Этот эффект — отсутствие в первичных космических лучах у Земли частиц с малой энергией — носит название высокоширотного обрезания спектра; он обусловлен магнитными полями в солнечной системе.

Рис. 108. Энергетический спектр первичного космического излучения в числе частиц на сек в стер)

Восточно-западная асимметрия. Поток заряженных частиц отклоняется магнитным полем в направлении, перпендикулярном к полю и к направлению движения частиц. Если частицы заряжены положительно, то магнитное поле Земли отклоняет их к Востоку, если отрицательно — к Западу (рис. 109). Следовательно, если большинство частиц имеет положительный заряд, то находящийся на Земле наблюдатель обнаружит более высокую интенсивность космических лучей, идущих с запада, чем с востока. Этот эффект должен быть более заметен в районе экватора.

В 1949 г. проводились измерения на шарах-зондах в районе экватора. Для фиксации направления на восток использовалась специальная фотоэлектрическая система, следившая за Солнцем. Телескоп был наклонен под углом 60° к вертикали. Обнаруженная асимметрия в распределении частиц показала, что большинство первичных частиц заряжено положительно.

Химический состав первичного излучения. Состав первичного излучения изучался непосредственно с помощью ионизационных камер, счетчиков и ядерных эмульсий, поднятых на воздушных шарах и ракетах. Эти исследования показали, что 90% первичных частиц являются протонами, около 7% составляют -частицы и только 3% приходится на долю всех тяжелых ядер. В табл. 11 приведен состав первичных космических лучей, имеющих энергии в пределах от на нуклон до на нуклон.

Существующие методы не дают возможности определить атомный вес ядер в космических лучах. Поэтому, строго говоря, групп в таб. 11 объединяет протоны, дейтоны и ядра трития, группа а

состоит из и . В группе легких ядер объединены ядра лития, бериллия и бора. Средние ядра объединяют ядра углерода, кислорода, азота, фтора; ядра с порядковым номером составляют группу тяжелых ядер. Потоки перечисленных групп ядер приведены в табл. 11.

Таблица 11 (см. скан)

Рис. 109. Воздействие магнитного поля Земли на заряженные космические частицы

Химический состав космических лучей имеет две важные особенности: во-первых, в космических лучах в 105 раз больше элементов группы чем в среднем, в природе, — эти элементы быстро «выгорают» в звездах. Во-вторых, космические лучи значительно богаче тяжелыми и очень тяжелыми элементами, чем небесные тела. Объяснить эти две особенности можно, предполагая, что космические лучи до Земли проходят расстояние порядка см за время порядка лет и ядра группы возникают из-за расщепления более тяжелых ядер при столкновении с ядрами атомов межзвездной среды. Можно предположить, что обилие тяжелых ядер объясняется тем, что ими богаты источники космических лучей или тем, что в источниках тяжелые ядра ускоряются эффективнее, чем легкие.