9. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ

9.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Рассмотрим наблюдаемые свойства космических лучей в верхних слоях атмосферы, т. е. в отсутствие вторичных частиц, рожденных в атмосфере. Рассмотрим сначала дифференциальные энергетические спектры ядер водорода и гелия.

На рис. 9.1 показаны характерные спектры ядер водорода и гелия от нерелятивистского до релятивистского диапазона энергий. Эти спектры получены, по измерениям во время минимума солнечной активности, поэтому они меньше всего подвержены влиянию солнечной модуляции При релятивистских энергиях спектр степенной, причем, согласно экспериментам, степенной вид спектра сохраняется до энергий В релятивистской

Рис. 9.1. (см. скан) Энергетические спектры протонов и ядер гелия [1].

Рис. 9.2. (см. скан) Энергетические спектры: а — бериллия, бора углерода, азота и кислорода [1].

области спектр довольно хорошо аппроксимируется дифференциальной степенной функцией вида

В некоторых последних работах указывается, что наклон спектра несколько меньше, но для наших целей и это соотношение вполне удовлетворительно.

Образование спектра при низких энергиях нужно исследовать более тщательно. Это явление в основном обусловлено влиянием солнечного ветра, который мешает космическим лучам низких энергий достигать Земли.

Спектры других элементов похожи по форме на спектры ядер водорода и гелия. На рис. 9.2 приведены несколько примеров таких спектров. Все эти спектры имеют одинаковую форму: обрезание при низких энергиях и степенной вид в релятивистской области. Сначала предполагалось, что

Рис. 9.3. Ранние эксперименты по измерению вариаций относительных суммарных распространенностей углерода, азота и кислорода как функции энергии на нуклон. Разные символы означают данные различных экспериментов [1].

энергетические спектры всех элементов можно представить таким же образом.

На рис. 9.3 приводится пример сравнения распространенности различных элементов в ранних экспериментах. В области нерелятивистских энергий до изменения относительной распространенности углерода, азота и кислорода по отношению к гелию малы.

Однако детальное сравнение относительных содержаний усложняется различным зарядовым разрешением при различных энергиях. В лучших современных экспериментах совершенно четко разделяются различные элементы, вплоть до железного пика (см. рис. 7.6). В целом до относительное содержание элементов, по-видимому, не меняется с энергией. Выше этой энергии есть некоторые указания на их изменение (см. ниже). Эти данные окажутся очень интересными, когда мы рассмотрим распространение космических лучей в Галактике (см. разд. 20.2 и гл. 21).

При очень низких энергиях, около кажется, что спектры протонов и ядер гелия поднимаются вверх. Это было подтверждено наблюдениями Симпсон с сотрудниками показали, что не только спектры протонов и ядер гелия имеют этот подъем, так же ведут себя и более тяжелые элементы. Дело в том, что в области таких низких энергий солнечные космические лучи могут вносить вклад в общий поток, но поток солнечных космических лучей очень непостоянен.

События, изучавшиеся Симпсоном и его сотрудниками, регистрировались в период спокойного Солнца, поэтому они считают, что это и есть типичный спектр галактических космических лучей. В пользу этого утверждения свидетельствует тот факт, что в состав этих низкоэнергетических космических лучей входят такие редкие элементы, как в пропорциях, более свойственных космическим лучам, чем Солнцу.