Космическое излучение

1. Виды космического излучения.

 До 40-х  годов нашего столетия почти  все сведения о небесных телах  были получены с помощью оптического  метода исследования. Дело в том,  что атмосфера Земли пропускает  только электромагнитные волны  длиной от 0,3 мкм до нескольких  микрометров и еще радиоволны  от нескольких сантиметров до  десятков метров, Для остальной  части шкалы электромагнитных  волн атмосфера непрозрачна, Между  тем во Вселенной излучаются  электромагнитные волны всех  диапазонов - от радиоволн до гамма-излучения.

Космическое радиоизлучение впервые было обнаружено в 30-х годах при изучении грозовых помех, В 40-х-50-х годах начались поиски и изучение источников космического радиоизлучения, Для этой цели использовали радиолокаторы, затем начали строить  радиотелескопы с огромными чашеобразными  антеннами и чувствительными  приемниками излучения. Быстрое  развитие радиоастрономии привело  к целому ряду важнейших открытий.

Было  обнаружено, что нейтральный холодный водород, который составляет основную массу межзвездного газа и в оптическом диапазоне невидим, испускает монохроматическое  радиоизлучение с длиной волны 21 см. Это помогло изучить распределение  водорода в нашей звездной системе - Галактике, включая даже далекие  области, закрытые пылевыми облаками, которые, однако, для радиоволн прозрачны.

Далее были открыты галактики, мощность радиоизлучения которых в миллионы раз больше, чем у нашей галактики (их назвали  радиогалактиками). Оказалось, что такое  мощное радиоизлучение имеет нетепловую природу. Оно вызвано гигантскими  взрывами, при которых выбрасываются  огромные массы вещества, в миллионы раз большие массы Солнца. Выброшенные  при взрыве быстро летящие заряженные частицы в межзвездном магнитном  поле движутся по криволинейным траекториям, т. е.  с ускорением. Ускоренное же движение заряда сопровождается излучением электромагнитных волн. Это нетепловое излучение называют магнитотормозным или синхротронным (оно наблюдается  в синхротронах-ускорителях заряженных частиц). Изучение синхротронного излучения  дает ценные сведения о движении потоков  космических частиц и о межзвездных  магнитных полях, Обычно излучаются радиоволны, но если частицы движутся с очень большими скоростями или  в достаточно сильном магнитном  поле, то они испускают видимое, ультрафиолетовое и даже рентгеновское излучение.

Для регистрации  космического излучения (от инфракрасного  до рентгеновского) очень широко используется фотографический метод. Кроме того, в качестве приемников излучения применяются термопары, термосопротивления, а также фотоэлектрические устройства, принцип действия которых рассматривается в следующей главе.

Как отмечалось выше, атмосфера сильно поглощает  коротковолновое излучение. До поверхности  Земли доходит только ближнее  ультрафиолетовое излучение, да и то сильно ослабленное. Поэтому коротковолновое космическое излучение можно изучать только с помощью ракет и спутников. Такие исследования позволили изучить ультрафиолетовую область спектра Солнца, а также исследовать очень горячие звезды с температурой до 30 000 К, сильно излучающие в ультрафиолетовой области.

Поскольку температура солнечной короны составляет около 10⁶ К,  то в соответствии с законами теплового излучения корона должна быть источником рентгеновского излучения. Первые же опыты с помощью ракет подтвердили это. Оказалось, что рентгеновское излучение Солнца непостоянно. При хромосферных вспышках наблюдаются всплески рентгеновского излучения. Это объясняется тем, что выброшенные при вспышке быстро летящие электроны испускают рентгеновское излучение при столкновении с другими частицами солнечной атмосферы, а также при торможении в сильном магнитном поле активных областей (синхротронное излучение), Заметим, что рентгеновское излучение Солнца - важнейший источник ионизации верхнего слоя атмосферы Земли - ионосферы,

С помощью  космических аппаратов было обнаружено рентгеновское излучение различных  далеких объектов (ядер галактик, нейтронных звезд и др)[1].

 

1.1. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Исследования которые сейчас можно с удобствами производить в космосе, доказывают, что на нашу Землю непрерывно падает поток ядерных частиц, движущихся со скоростями, практически равными скорости света, Их энергия лежит в пределах 10⁸-10²⁰ эВ. Энергия порядка 10²⁰ эВ превосходит на восемь порядков энергии, которые можно создать в самых мощных ускорителях[1]!

В основном первичные космические лучи состоят  из протонов (около 90%); кроме протонов в них присутствуют и более  тяжелые ядра. Разумеется, сталкиваясь  с другими молекулами, атомами, ядрами, космические лучи способны создать  элементарные частицы всех типов. Но астрофизиков интересует первичное  излучение. Как создаются потоки частиц, обладающих такой энергией? Где лежат источники этих частиц?

Достаточно  давно было доказано, что не Солнце является основным источником космического излучения. Но если так, то ответственность  за создание космических лучей нельзя переложить и на другие звезды, поскольку  в принципе они ничем не отличаются от Солнца. Кто же виноват?

В нашей  Галактике существует Крабовидная туманность, которая образовалась в результате взрыва звезды в 1054 г, (не надо забывать что ученые следят за звездным небом не одну тысячу лет). Опыт показывает, что она является источником радиоволн и источником космических частиц. Это совпадение дает разгадку огромной энергии космических протонов. Достаточно допустить, что электромагнитное поле, образовавшееся в результате взрыва звезды, играет роль синхротрона, и тогда огромная энергия, которая набирается частицей, путешествующей по спирали вокруг линий магнитной индукции на протяжении тысяч световых лет, может достигнуть тех фантастических цифр, которые мы привели[2].

Расчеты показывают, что, пролетев расстояние, равное поперечнику нашей Галактики, космическая частица не может  набрать энергии больше чем 10¹⁰ эВ. Видимо, частицы с максимальной энергией приходят к нам из других галактик,

Разумеется, нет никакой необходимости полагать, что только взрывы звезд приводят к появлению космических частиц. Любые звездные источники радиоволн  могут быть одновременно источниками  космических лучей.

Существование космических лучей было обнаружено еще в начале нашего века. Установив  электроскопы на воздушном шаре, исследователь  замечал, что разрядка электроскопа на больших высотах идет значительно  быстрее, чем если этот старинный прибор, оказавший физикам немало услуг, помещен на уровне моря.

Стало ясным, что всегда происходящий спад листочков  электроскопа не является следствием несовершенства прибора, а есть результат  действия каких-то внешних факторов.

В 20-х  годах физики уже понимали, что  ионизация воздуха, которая снимала  заряд с электроскопа, несомненно внеземного происхождения. Милликен первый уверенно высказал такое предположение и дал явлению его современное название: космическое излучение.

В 1927 г, советский ученый Д. В. Скобельцын первый получил фотографию следов космических лучей в ионизационной камере.

Обычными  способами, которые мы описывали  ранее, была определена энергия космических  частиц. Она оказалась огромной[2].

Изучая  природу космических лучей, физики сделали ряд замечательных открытий. В частности, существование позитрона  было доказано именно этим путём. Такие  же точно и мезоны - частицы с  массой, промежуточный между массами протона и электрона, были впервые обнаружены в космических лучах.

Исследования  космических лучей продолжают оставаться одним из увлекательных занятий  физиков.

В настоящее  время установлено, что первичное  космическое излучение состоит  из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных  направлениях в космическом пространстве. Интенсивность космического излучения  в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1 см² за 1 с, Оно состоит в основном из протонов (~91 %) и α-частиц (6,6%); небольшая часть приходится на ядра других элементов (менее 1%) и электроны (~1,5%).

Среднее значение энергии космических частиц - около 10⁴ МэВ, а энергия отдельных частиц достигает чрезвычайно высоких значений – 10¹² МэВ и более. Где возникают космические частицы и как они ускоряются до таких огромных энергий, еще точно неизвестно. Предполагают, что они выбрасываются при взрывах новых и сверхновых звезд и ускоряются при взаимодействии с неоднородными магнитными полями в межзвездном пространстве.

Солнце  периодически (во время вспышек) испускает  солнечные космические лучи, которые  состоят в основном из протонов и  α-частиц, имеют небольшую энергию, но высокую интенсивность, что приходится учитывать при планировании космических полётов.

Вторичные частицы также обладают очень  высокой энергией и при столкновении с ядрами вызывают дальнейшее размножение  частиц,

На рис. 1 показана зафиксированная на толстослойной  фотопластине увеличенная картина разрушения атомного ядра при попадании в него частицы большой энергии (около 2·10³ МэВ).

След  ударившей в ядро частицы невидим (по-видимому, это нейтрон). Ядро распалось  на 17 частиц, разлетевшихся в разные стороны.

В результате лавинообразного размножения  частиц в верхних слоях атмосферы  образуется каскадный ядерный ливень. На рис. 2 изображен искусственный  каскадный ливень, полученный в камере Вильсона, перегороженной свинцовыми пластинами, Частица высокой энергии, проходя через слой свинца, создает  ливень частиц, которые при прохождении  следующих слоев свинца создают  новые ливни,

 

 

 

 

 

 

 

                    Рис1                                                                   Рис2

Ядерный ливень в атмосфере затухает, когда  энергия частиц снижается до нескольких десятков мегаэлектронвольт. Остаток энергии протоны тратят на ионизацию воздуха; нейтроны поглощаются ядрами, вызывая различные ядерные реакции, а пионы, составляющие основную часть ливневых частиц, распадаются. Образующиеся в большом количестве фотоны и электроны сильно поглощаются атмосферой.

Каждый  нейтральный пион очень быстро превращается в два фотона высокой энергии. При распаде заряженных пионов образуются новые частицы - µ-мезоны, или мюоны, которые были открыты К. Андерсоном в 1935 г, при изучении космических лучей, задолго до открытия пионов, Масса мюона в 207 раз больше массы электрона, т.е, составляет около 3/4 массы пиона, Существуют мюоны только двух видов - положительно и отрицательно заряженные; они обозначаются µ+ и µ-, При распаде π+-мезонов образуются µ+-мезоны, а при распаде π-мезонов µ-мезоны.

Оказывается, что, в отличие от пионов, мюоны  не участвуют в ядерных взаимодействиях  и расходуют энергию только на ионизацию. Поэтому они обладают высокой проникающей способностью и составляют так называемую жесткую компоненту космического излучения. Мюоны пролетают сквозь атмосферу, и их обнаруживают даже на значительной глубине под поверхностью Земли.

Мюоны нестабильны, они существуют всего несколько  микросекунд и распадаются на другие частицы.

На уровне моря космическое излучение имеет  примерно в сто раз меньшую  интенсивность, чем на границе атмосферы, и состоит в основном из мюонов. Остальную часть составляют электроны  и фотоны и незначительное количество ливневых частиц. Из первичного космического излучения только отдельные частицы, с исключительно высокой энергией (более 10⁷  МэВ), пробиваются сквозь атмосферу.

В космических  лучах мюоны, как и пионы, летят  со скоростями, близкими к скорости света, и поэтому благодаря релятивистскому  замедлению времени успевают до своего распада пролететь большие расстояния[1].

2. Влияние Солнца на экологические процессы Земли

Из всех элементов электромагнитного  излучения для биосферы наиболее опасно ультрафиолетовое излучение, поскольку, воздействуя на живое на Земле, подвергает его опасности уничтожения. Биологическое действие ультрафиолетового излучения, обусловленное химическими изменениями поглощающих его молекул нуклеиновых кислот и белков, выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и гибели клеток. Задерживается ультрафиолетовое излучение слоем озона. В стратосфере озон (трехатомный кислород) образуется из кислорода. Распределение озона над поверхностью Земли неравномерно. Озон разрушается окислами азота, образующимися в камерах сгорания твердотопливных ракет (ТРД), а также фреонами, которые в стратосфере выделяют активный хлор, вступающий в реакцию с озоном. Выведение каждой тонны груза ракеты сопровождается потерями 8 млн т озона.

Кроме волнового излучения на Землю  поступает корпускулярное (корпускула - частица) излучение Солнца. Если электромагнитное излучение стабильно, то корпускулярное излучение очень изменчиво, его  энергия меньше электромагнитного. Но от корпускулярного излучения  сильно зависят процессы в биосфере. Энергия этих частиц возрастает с  увеличением площади пятен на Солнце. Количество солнечных пятен  меняется циклически, длина цикла 11 лет.

Хроники сообщают, что, когда на Солнце были видны огромные пятна, на Земле  происходили колоссальные катастрофы: засухи, землетрясения, извержения вулканов и другие бедствия. Они сопровождались гигантскими эпидемиями и пандемиями, уносящими сотни тысяч жизней. Солнечные пятна являются феноменом, влияющим на биосферу Земли. Земля защищена от воздействия корпускулярной радиации своим электромагнитным полем. Если у планеты нет электромагнитного поля, то существование атмосферы и жизни там невозможно. Магнитное поле защищает биосферу Земли от потоков заряженных частиц, т.е. корпускулярной радиации. Если бы радиация достигла бы поверхности Земли, то она разложила бы все атомы и молекулы атмосферы на ионы и электроны, т.е. уничтожила бы ее. В экологическом плане для существования биосферы магнитное поле Земли довольно стабильно и неизменно.