Космические лучи ультравысоких энергий

Энергия некоторых частиц превышает Предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина — теоретический предел энергии для космических лучей 6×1019 эВ. Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA (англ.)русск.. Эти наблюдения ещё не имеют достаточно обоснованного научного объяснения.

Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях, чаще всего — газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу, или в космическое пространство. Но данный метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.

Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см², рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые в свою очередь рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.

Космонавты МКС, когда закрывают глаза, не чаще, чем раз в 3 минуты, видят вспышки света[4], возможно, это явление связано с воздействием частиц высоких энергий, попадающих в сетчатку глаза. Однако экспериментально это не подтверждено, возможно, что этот эффект имеет под собой исключительно психологические основы.

Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к иным планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей — учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.

Гелиосфера движется через местное межзвёздное облако, которое согласно косвенным наблюдениям представляет собой частично ионизованную среду с плотностью 0.2 см − 3 и температурой 104 К. Нейтральная компонента беспрепятственно проникает вовнутрь гелиосферы и достигает области вблизи Солнца, где начинается эффективная ионизация при взаимодействии с солнечным излучением и перезарядка при взаимодействии с солнечным ветром и солнечными космическими лучами. Незначительная часть нейтральной компоненты связана с потерей атомов планетами и другими телами солнечной системы.

Пылевая компонента межпланетной среды состоит в основном из частиц от 1 нм до 100 мкм, которые обладают зарядом и образуют плазменно-пылевую среду (или пылевую плазму). Более крупные частицы ведут себя как пробные частицы и их рассматривают как «частицы в плазме». Пылевая компонента заполняет всю гелиосфреру крайне неравномерно и сосредоточена в основном вблизи Солнца во внутренней гелиосфере и вблизи плоскости эклиптики, причем ее распределение сильно зависит от размера пылинок, так как их траектория описывается балансом разных сил, существенно зависящих от размеров. Пылевая компонента является источником таких явлений, как F-корона Солнца и зодиакальный свет. Основным источником пыли являются ядра комет и астероиды, наиболее мелкие частицы пыли под действием эффекта Пойнтинга—Робертсона приближаются к Солнцу и приобретают заряд. Вблизи Солнца из-за высокой температуры важным является процесс сублимации.

Межпланетное пространство заполнено электромагнитным излучением, в основном солнечного происхождения. Это излучение играет существенную роль в формировании других компонент межпланетной среды и является источником вторичного излучения, которое служит источником экспериментальных данных о межпланетной среде. Более слабые потоки электромагнитных волн генерируют планеты солнечной системы, границы гелиосферы и другие объекты Вселенной.

Межпланетная среда — вещество и поля, заполняющие пространство внутри Солнечной системы от солнечной короны до границ гелиосферы за исключением планет и тел Солнечной системы. Межпланетная среда в основном включает солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, космические лучи (заряженные частицы высокой энергии), нейтральный газ, межпланетную пыль и электромагнитное излучение. Межпланетная среда играет ключевую роль в солнечно-земной физике и ее практической части — космической погоде.

Движение заряженных частиц направляется магнитным полем. Для того чтобы проследить, как заряженные частицы, входящие в состав солнечного ветра, двигаются от Солнца к Земле, надо прежде всего рассмотреть свойства преодолеваемого ими пространства (межпланетного пространства). Основное свойство его — это наличие в этом пространстве магнитного поля.

Мы видели, что магнитное поле Солнца отличается от магнитного поля Земли. Оно весьма беспорядочно, хаотично и не поддается такому простому описанию, как дипольное поле Земли. Строго говоря, Солнце в целом обладает магнитным полем дипольного типа, которое направлено противоположно земному диполю. Измерения дают величину магнитного поля Солнца около 1 Гс. Это вдвое больше магнитного поля Земли. Но общее магнитив поле на Солнце является далеко не единственным. На него накладываются магнитные поля, которые связаны с солнечными пятнами. Эти местные поля имеют величину в несколько тысяч гаусс. Поэтому дипольным полем Солнца можно пренебречь.

Мы видели, что магнитные поля солнечных пятен направлены не произвольно, а подчиняются определенным законам. В Северном полушарии силовые линии магнитного поля выходят из восточного пятна и входят в западное пятно. В Южном полушарии, наоборот, силовые линии выходят из западного пятна и входят в восточное. По истечении солнечного цикла, т. е. через 11 лет, все направления магнитных полей меняются на обратные. А еще через 11 лет они снова станут такими же, как и 22 года назад. Т. е. если основные характеристики активности Солнца меняются с периодом в 11 лет, то направление магнитных полей солнечных пятен меняется с периодом в 22 года.

Из области солнечных пятен выбрасывается солнечная плазма, которая устремляется с поверхности Солнца в радиальном направлении. Поскольку Солнце вращается, то потоки плазмы закручиваются подобно струям воды, истекающим из вращающегося поливального устройства.

Движущаяся от Солнца плазма (солнечный ветер) уносит магнитное поле солнечного пятна в межпланетное пространство. Плазма представляет собой хороший проводник электрического тока. Из физики известно, что особенностью всех хороших проводников является их противодействие изменениям магнитного поля. При изменении магнитного поля в проводнике будут создаваться (индуцироваться) токи, которые направлены так, что их магнитное поле противодействует этому изменению.

В солнечной короне и межпланетном пространстве потери энергии на нагревание очень малы, и плазма ведет себя как идеальный проводник. Поэтому она противодействует любому изменению магнитного потока. В таких случаях говорят, что диффузия магнитного поля в плазму или из плазмы отсутствует.

Межпланетное пространство занято солнечной плазмой, которая является идеальным проводником. Этот проводник «выметает» на своем пути любые встречающиеся магнитные поля (они не могут проникнуть внутрь потока плазмы), и в межпланетном пространстве остается только то магнитное поле, которое солнечная плазма тянет от Солнца.

Так как же выглядит межпланетное магнитное поле? Если магнитные поля солнечных пятен направлены по-разному (и к Солнцу и от него), то это поле, вытянутое потоком солнечной плазмы, в межпланетном пространстве будет в разных местах направлено по-разному (или к Солнцу или от Солнца). Для нас важно, каким оно является в плоскости эклиптики. В первом приближении, оно имеет форму спиралей Архимеда, как это показано на рис1.

Рис1. Спиральное солнечно-межпланетное поле в плоскости солнечного экватора (или в плоскости эклиптики) для спокойного Солнца. Предполагается, что солнечный ветер движется радиально от Солнца со скоростью 300 км/с

Исходя из величины скорости плазмы, магнитного поля на Солнце, расстояния от Солнца до Земли и др., можно оценить: угол наклона потока плазмы и магнитного поля к солнечному радиусу вблизи орбиты Земли составляет около 45°. (Скорость солнечной плазмы на расстоянии орбиты Земли равна примерно 440 км/с.)

На рис1 показана только форма магнитных силовых линий в межпланетном пространстве. Направление их противоположно в различных секторах. На рис2 показано направление межпланетного магнитного поля на орбите Земли, измеренное на спутнике за время трех оборотов. Границы между секторами проведены в виде спиралей Архимеда.

Рис2. Секторная структура межпланетного магнитного поля, измеренная на спутнике. Показано характерное распределение полярности.

То, что магнитное поле межпланетного пространства имеет секторную структуру, очень важно для возникновения и протекания магнитных бурь на Земле и даже для формирования погоды. Измерения с помощью ракет показали, что скорость солнечного ветра и плотность частиц систематически изменяются. На границе секторов эти параметры резко увеличиваются. В конце второго дня после прохождения границы сектора плотность плазмы очень быстро увеличивается, а затем через два или три дня начинает медленно уменьшаться. Скорость солнечного ветра медленно уменьшается на второй или третий день после достижения максимума.

Секторная структура межпланетного магнитного поля и указанные выше изменения скорости и плотности солнечной плазмы тесно связаны с магнитосферными возмущениями. Эта структура устойчива. Она вращается с Солнцем по крайней мере в течение нескольких солнечных оборотов, проходя над Землей приблизительно через каждые 27 дней. Схема межпланетного магнитного поля, показанная на рис1, идеализирована. На самом деле реальное распределение скоростей потока солнечной плазмы и форма силовых линий магнитного поля очень неоднородны.

Измерения с помощью спутников показали, что на спиральное магнитное поле наложены значительные нерегулярности. Если измерения кратковременны (не превышают по крайней мере нескольких дней), то трудно выявить спиральную структуру межпланетного магнитного поля. Эта нерегулярность межпланетного магнитного поля очень сильно влияет на весь комплекс солнечно-земных связей.

Измерения, проведенные на спутниках, показали, что магнитная буря наступает тогда, когда в межпланетном пространстве магнитное поле больше в десятки раз и имеет более нерегулярный характер, чем в спокойные периоды. Это происходит в результате усиления солнечного ветра. Потоки плазмы уносят из возмущенных областей Солнце в межпланетное пространство более интенсивные и более нерегулярные поля, что и приводит к появлению нерегулярностей в спокойном магнитном межпланетном поле. Это было подтверждено спутниковыми измерениями.

Экспериментально установлено, что имеется самая тесная связь между характером межпланетного магнитного поля (его величиной и степенью нерегулярности) и солнечной активностью. По величине этой связи можно оценить среднюю скорость распространения возмущения. Она оказалась равной около 1000 км/с.

Полярное сияние наблюдаемое с борта шаттла «Дискавери». Май 1991 года.

Космическая погода (англ. Space weather) — в широком употреблении термин появился в 90-х годах XX века, как охватывающий наиболее практически важные аспекты науки о солнечно-земных связях. Раздел научных знаний, называемый «Солнечно-земные связи», посвящен изучению совокупности всех возможных взаимодействий гелио- и геофизических явлений. Эта наука лежит на стыке физики Солнца, солнечной системы и геофизики и занимается исследованием влияния солнечной переменности и солнечной активности через межпланетную среду на Землю, в частности на магнитосферу, ионосферу, атмосферу Земли. В строго научном смысле к космической погоде относится динамическая (с характерными временами — сутки и менее) часть солнечно-земных связей, а по аналогии с земными процессами более стационарная часть часто называется «Космическим климатом». В практическом смысле к тематике космической погоды относятся, например, вопросы прогноза солнечной и геомагнитной активности, исследования воздействия солнечных факторов на технические системы (радиопомехи, радиационная обстановка и пр.), воздействия на биологические системы и людей. Одним из первых употребил понятие и словосочетание «космическая погода» А. Л. Чижевский в одной из своих публикаций начала XX века. Его доклад на биофизическом конгрессе был официальным признанием нового научного направления. Успехи в разработке основ гелиобиологии послужил избранием его в 1927 году почетным членом Академии наук США, как основателя изучения влияния космической погоды на биосферу и ноосферу (психофизиологию и социальные процессы).

К геомагнитным эффектам космической погоды в основном относятся магнитные суббури и магнитные бури.

Радиация (часто также используется термин «ионизирующее излучение») — потоки элементарных частиц, ядер и электромагнитных квантов в широком диапазоне энергий, взаимодействие которых с веществом вызывает ионизацию его атомов и молекул, разрушение атомной и молекулярной структуры вещества. Радиация приводит к негативным последствиям как в различных технических устройствах, так и в биологических объектах. Основные практически важные источники космической радиации это галактические космические лучи (энергетический спектр до 1019 эВ/нуклон), солнечные космические лучи (в диапазоне энергий до 1000 МэВ), электроны (до 10 МэВ) и ионы (до 400 МэВ) радиационных поясов Земли, а также солнечные кванты рентгеновского и гамма излучений. Наиболее радиационно-опасными являются частицы с энергиями более 30-50 МэВ. Для большинства типов космической радиации основным механизмом передачи энергии веществу являются ионизационные потери, то есть вырывание электрона с внешней оболочки атома за счёт передачи ему части энергии налетающей частицы или генерация электронно-дырочных пар в веществе. Кроме этого для частиц с энергией, превышающей несколько 100 Мэв/нуклон, возможны ядерные реакции, порождающие значительное вторичное излучение (нейтроны, мезоны, гамма-кванты и фрагменты ядер), которое также следует учитывать при анализе радиационной обстановки.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: