Ғарыштық сәулелер мен Жер

Жерге бағытталған ғарыштық сәулелер, өз жолында, жердің магнит өрісіне тап болады. Егер магнит өрісінің аясынан шыға алса (магнит өрісін жарып отырып), онда атмосфераға тап болады. Жер ядросындағы электр тоғы мен күн желі магнит өрісін құрайды. Әлдеқайдан келетін ғарыштық сәулелер, магнит өрісінде күрделі траекториядан өтеді, мүмкін энергиясы төмен болса атмосфераға жетпей қалуы. Магнитосферадағы сүзгіш (фильтр), нейтронды монитор көмегімен, кезкелген орында ғарыштық сәулелердің спектрі мен ұшып келу бағытын анықтаудын мүмкіндігін береді.

Ғарыштық сәулелер Жер атмосферасына тап болғанда, азот пен оттегінің, атомдары мен моллекулалармен соқтығысады. Соқтығыс екінші ретті энергиясы әртүрлі бөлшектерді тудырады. Олардың кейбіреулері Жерге келіп жетеді. Біз оларды өлшеп, бірінші ретті ғарыштық сәулелердің қасиеттері туралы тұжырым жасаймыз. Нейтронды мониторлар осы тәсілмен жұмыс істейтін, аспаптар тегіне жатады.

Ғарыштық сәулелер мен Магнитосфера

Жердің магнитосферасы

Жердің магнит өрісі бар, оны ядроның магнит өрісі тудырады. Егер жер бос кеңістікте болса, магнит өрісі өз денесінің сыртында болғандай, стерженді магнит, диполь, жер центірінен азырақ алыстау және айналу өсіне иілгендей болар еді. Жердің центірінен бес радиусындай қашықтықтағы, магнит өрісін жоғарыдағы сурет бейнелейді. Жер үздіксіз күн желінің зарядталған бөлшектер әсеріне ұшырайды. Бұл ағым магнит өрісінің күш сызықтарын, жердің күнге қараған бағытындағысын қысады да, түн жағын ұзақ магнит құйрығындай созады. Суретте күш сызықтары қалың көгілдір жолақтармен белгіленген. Олар (формасы бар) тұйық жүйе құрайды, оның айналасында күн желінің ағымдары қозғалады, ол жарық жолақтармен көрсетілген. Күн желіндегі жердің магнит өрісін құрайтын жолақ , магнитосфера д.а. (Жердің диполінің иілгендігі суретте көрсетілмегендігін ескертеміз).

Жердің Күнге қараған бетіндегі, магнитосфера шекарасы 10-12 радиус қашықтықта, жердің жер центірінен, ал магнитосфера құйрығы, 100 жер радиусындай. Бұл конфигурация Күн желінің ағымымен анықталады. Жер денесі өзінің тәуліктік айналымын магнитосфераға қатысты жергілікті тал түс болғанда, біздің үстімізде күнге қарағанда магнитосфера шекарасы бар, сондықтан біз түн ортасында көлеңке бағытқа қарай аламыз. Жердің дипольды өсі, оның айналу өсіне енкейгендіктен, магнит өрісі күрделі түрде өзгереді, белгіленген географиялық жағдайда, күн желі тұрақты болса да, айнымалы күн желі қосымша өзгерістер әкеледі (болашақта), оны біз төменірек көреміз.

Зарядталған бөлшектер мен магнит өрісі

Магнит күші магнит өрісінің сызықтары мен бөлшектер жылдамдығына перпендикуляр. Сондықтан магнит өрісі мен зарядталған бөлшектің тура сызығы бар болса, күш сызықтарының бойымен қозғалатын, онда ешқандайда күш бірге жатпайды. Егер бөлшек жазықтықта, күш сызықтарына перпендикуляр бағытта таралса, онда ол орбита шеңберінің бойымен қозғалуға мәжбүр болады.Жалпы, протон магнит өрісінің сызықтарына параллель немесе перпендикуляр қозғалатын болса, онда оның траекториясы магнит өрісі бойымен бірқалыпты қозғалыс ретінде және айналмалы қозғалыс оған перпендикуляр өтеді. Бұл бұрандалы траектория.

Сұлбалық түрде протонның орбитада магнит өрісінің сызықтарының айналасында қалай қозғалатындығын көруге болады. Орбитаның радиусы, магнит өрісі мен бөлшектің энергиясына байланысты: магнит өрісі күшті болған сайын және бөлшек энергиясы әлсіз болса, соғұрлым орбита радиусы аз. Егер магнит өрісі әлсіз болып, бөлшек энергиясы өте жоғары болса (жоғарғы энергиялы бөлшек), бөлшек магнит өрісін елемейді де, түзу сызық бойымен таралады. Электрондарда магнит күштеріне әсерін тигізеді, бірақ теріс зарядтары, оларды қарсы мағнада протонға айналдырады. Сондай-ақ массалары аз болғандықтан, олардың орбита радиустары протонға қарағанда аз. Егер магнит өрісі зарядталған бөлшектердің траекториясын қалай өзгертетінің көргіңіз келсе, келесі сайтта боулинг ойының ойнап көріңіз:.

CЗарядталған бөлшетер мен Жердің магнитосферасы

Ғарыштық сәуле бөлшектері, жердің магнитосферасына жақындағанда өздерін қалай ұстайды. Оны солтүстік үйектегі бақылау нәтижелерінен, жоғарыдағы Жердің сұлба кескінінен көруге болады. Біз жердің магнит өрісінің ерекшеліктерінің негізі ретінде қарастырмаймыз, бізге керегі оның Ғарыштық сәулелерге қалай әсер ететіндігі. Мына суретте магнит өрісі (көк шеңберлер), сурет жазықтығында, көрерменге бағытталады. Біз қарапайым тұжырымдарға жүгініп, ғарыштық сәулелер бөлшектері, бос кеңістіктен өтеді деп ойлаймыз, магнит өрісі жоқ, әсіресе Жерден біршама қашықтықта магнитосферамен соқтығысқанға дейін. Әрине планетааралық кеңістікте магнит өрісі болса да, олар өте әлсіз, сондықтан біз оларды ескермейміз.

Атмосфераға енген бөлшектердің энергиясына қарай үш түрі орбитасы бар:

• Ғарыштық сәуле протонының энергиясы жоғары болса, ол түзу сызық бойымен төмен атмосфераға өтеді.
• Егер ол әлсіз болса, энергиясы(Е<Е0 ), протонның траекториясы, магнит өрісінің әсерінен, жарты шеңберге, кіші радиусқа, қыйсаяды, протон атмосфераға өтпейді. Ол орбитаны өрістін күш сызықтарының бойымен , содан кейін магнитосферадан тыс кетеді. Бұл дегеніміз қайта планетааралық кеңістікте шағылу.
• Осы аралық энергияда, бөлшектер атмосфераға бүгілген жолмен өтеді. Энергия төмен болған сайын қисықтық күштірек, геомагниттік Е0 қырқылғанға дейін, E0 онда бөлшек үшін атмосфераға жол жоқ.

Шындығында қалай болады, ғарыштық сәулелер магнитосферамен кездесетін, көлбеу еніне байланысты: үйек маңында кішкене аймақ бар, онда күш сызықтары болар-болмас радиалды. Егер ұшып келген бөлшектер радиал болса, ол кедергісіз атмосфераға өтеді. Егер ол экватор жазықтығында магнитосфераға түссе, ол магнит өрісіне енеді, онда экрандалу әлде қайда эффективті және қырқу энергиясы Е0 жоғары.Ондай бөлшектер атмосфераға өткенге дейін күрделі орбита бойымен қозғалады. Суретте компьютер кескіндемесі әртүрлі энергия үшін, траекториясын есептейді, оларды маркерленген қыйсықпен салыстырғанда аз (1)-ден (5)-ке дейін. Соңғы қыйсық бөлшектін күрделі магнитосфералық траекториясы, қырқу маңындағыны кескіндейді.

Жердегі аспаптар, нейторнды мониторлар (НМ), зарядталған бөлшектерді тіркегенде, мынаны есте ұстау керек: бөлшектердің магнитосферадағы траекториясының күрделі екндігін. Энергиясы Е0 жоғары барлық бөлшектердің орналасуы мен геомагниттік өрісінің күйін анықтайды. Ең негізгісі ол атмосфераның жоғары қабатына, вертикал бағытта келген бөлшектер. Ал белгілі бір бұрыш жасап келген бөлшектер, екінші ретті бөлшектерді тудырады, оларды жерде байқай аламыз, өйткені олар атмосфера арқылы жол жүріп, күштірек жұтылады. Суретте магнитосферадан тыс, ұшып келген бөлшектердің бағыты, атмосфераның жоғары шекарасында, олардың энергиясына байланысты: неғұрлым энергиясы аз болса, соғұрлым оның келу бағыты алысқа созылады, жергілікті және радиалды. Экваторлы жазықтықта, бөлшектер шығыс бағытта ұшып келеді, сондықтан энергиясы азаяды.осында.

Берн университетінде http://cosray.unibe.ch/ , қырқу энергиясының реалды уақытта есептелген картасын, жоғарыдағы суретте көрсетілген. Картаның шекарасындағы қызыл түсті тұтылу, ол энергиясы 125 МэВ –тан төмен протондар аймағы, олар атмосфераға өте алады ( жер бетінен 20 км. биіктікте), энергиясы 15 ГэВ-тан жоғары (тұйық контур ішіндегі жасыл түс)протондар, оңтүстік Азиядан жоғары экватор ауданында өту үшін керек. Жердің магнит өрісінің өсі айналу өсіне енкейген, себебі қырқу энергияы мен қыйсықтығының контурлары тең. Негізінде мынаны айта кетуге болады, магнит экваторға жақындаған сайын, соғұрлым ғарыштық сәулелердің минимал энергиясы жоғары болу қажет, сонда атмосфераға жетеді. Оңтүстік Азия территориясының үстіндегі тұйық контур аясындағы, қырқу энергиясы жоғары, себебі жердің диполі кішкене болсада центрден тыс, оңтүстік Азияға жақын, жердің қарама-қарсы жағындағы, Атлант мұхитының батыс бөлігіне қарағанда.

Жердің магнитосферасы, екі түрлі эффектіні көрсетеді, олар НМ үшіш өте маңызды:

• қырқу энергиясының әлсіздігі,
• келетін бөлшектердің ұшу бағытының асимтотикалығы.

Екеуіде НМ географиялық орналасыуна байланысты. Жердегі әртүрлі НМ бақылауларды құрастыра отырып, келетін ғарыштық сәулелердің энергетикалық спектрі туралы және Жер магнитосферасымен соқтығыспай тұрғандағы, кеңістікте таралу бағытының ақпаратын аламыз.

Магнитосфераның варияциясы (түрленуі мен өзгеруі)

Осыған дейінгі, қаншама мәліметтерден біздің білетініміз, Күн желінің ағымы стационар емес екендігін, бірақ оның шапшаң және баяу компоненталарының бар екендігін, сондай-ақ тәжден лақтырылған масса әсерінен қосымша ұйтқулардың болатындығын. Осы мүмкіндіктердің барлығы Жердің магнитосферасына әсерін тигізетіндігін, себебі әртүрлі күн желінің жер магнит өрісіне қысым тудыратындықтан. Бәсен уақытта магнитосфера шекарасы күн жақтағы, шамамен жердің он радиусына тең болғанда, ол шамамен алты радиус қашықтықта өзгереді, егер планетааралық оқиғаларға байланысты магнитосфера қозған болса. Әлсіз планетааралық магнит өрісі, Жердікінен өзгеше, кейбір белгілі шарттарда, Жердің магнит өрісіне әсер ете алады, сол кезде күн желінің бөлшектері магнитосфераға өте алады. Күн желінің өзгеріп тұратын шарттары, магнитосфераның конфигурациясын өзгертеді, сондай-ақ ғарыштық сәулелердің атмосфераға ену (өту) шартында өзгертеді.

Ғарыштық сәулелер және атмосфера

Ғарыштық сәуле Жердің атмосферасына енген кезде, ол атомдар мен молекулалардың көбеюімен кездеседі, әсіресе азот және оттегі. Ерте ме, кеш пе ғарыштық сәуле олардың бірімен соқтығысады. Электрондық бұлтпен өзара (олардың диаметрі 10^-10 м атом үшін) және әлдеқайда кішкентай ядролармен әрекеттесе алады (диаметрі 10^-14 м).

Әртүрлі өлшемдер мен өзара әрекеттесу ауқымына байланысты, ең көп кездесетін соқтығысу электрондық бұлтты қамтиды. Электрондар ғарыш сәулесінің электр өрісі арқылы жыртылады, ал атом немесе молекула ионизацияланған болады. Электромагниттік күштер үлкен қашықтықта әрекет ететіндіктен, иондалуы жиі кездеседі, алайда кіріс протонының энергияны жоғалтуы жеке өзара әрекеттесуде аз, және жоғары атмосферада рөл ойнайды.

Атом ядросының жоғары энергетикалық нуклонының әрекеттесуі

Атом ядросымен әрекеттесу құбылыстардың байлығы мен жаңа бөлшектер тудырады, олар ғарыштық сәулелерді зерттеу барысында байқалды, енді кесек бөлшектерде үдеткішке айналуы мүмкін. Ядролық әрекеттесу ауқымы, ядро өлшемімен салыстырғанда, аса үлкен емес, және ионизацияға қарағанда сирек болады. Бірақ олардың келетін бөлшектер мен ядро-нысанаға әсері байқалатындай. Фотографиялық эмульсияның арнайы түріндеде, зарядталған бөлшек трегін бақылау, әсерлесудің көрінуінің жақсы бір тәсілі. Иондаушы бөлшек өзінің жолында соқтығысатын, күміс бромының моллекулаларын қоздырады.

Бұл суретті мысал ретінде қарастыруға болады (E. Fermi, Ядролық Физика, сурет X.4a, Чикага Университеті, 1950ж.). Суретте әртүрлі іздер, бір нүктеден шығады, ол объект ядро. Бірінші ретті нуклон бұл жағдайда, энергиясы 5 ГэВ протон, жарық жылдамдығының 98% жылдамдықпен қозғалады. Оның ізі суреттің жоғарғы бөлігіндегі, вертикал сызық «А» деп белгіленген. Жіңішке сызықтар ядро-нысанадан төмен бағытталған, түсетін жоғары энергетикалық протон бағытының айналасындағы жіңішке конустағы бөлшектер ізі. Тректер (жолдар) пион мен жоғары энергетикалық протонның ядро-нысанамен соқтығысқанда пайда болады. Олар өте жылдам болғандықтан, белсенді күміс бромының молекуллаларының ара қашықтықтары үлкен болғандықтан, фотосуреттегі іздер, бұлынғыр болып көрінеді. Үш толық қара сызықтармен баяу протондар жолы белгіленген, қарама-қарсы бағытта шығарылатын.

Бұл үлгіде екі түрлі әрекеттесу көрсетілген:

• Егер түсетін бөлшектер энергиясы, әлде қайда үлкен болса, ол ядро-нысандағы бір немесе екі жеке нуклонға түседі. Әрбір тыс жердегі, сотығыс (сыртындағы), жылдам түрде нуклонды ығыстырады (нуклондарды көбейтеді), немесе басқа бөлшек пион тудырады. Бұл бөлшектер ұшып келгендер энергиясына шамалас энергияға ие болып, ядроны тастап кетеді. Егер соқтығыс ядроның «алдынғы шетіне» болса, және энергиясы жеткілікті шамадан көп болса, олар сыртындада ары қарай нуклондар тудырады: ядроның мини-каскадың құрайды. Бұл бөлшектер нәтижесінде, алғашқы жоғары энергетикалық бөлшек (импулстің сақталуы) бағытында қозғалады. Осның бәрі лезде болады, келіп кіретін бөлшек, ядроға еніп, (ядроның диаметірің ескерсек, 10^-14 м, жылдамдығы шамамен 3x10⁸ м/с, қайтадан шығуына жұмсалатын уақыт 10^-22 с), мұны каскадты фаза д.а.
• Ғарыштық сәулелердің алғашқы нуклоны немесе оның үзінділері, ядрода қалып қоятын, бірінші соқтығыстан кейінгі энергиясы шамалы қалады, оны ядроның қалған компоненталарымен бөліседі. Ядро-нысана (ядроның күрделі құраушысы) қозған күйге өтеді. Ол өзінің артық энергиясын 10-16 секкунттан (каскадты фаза кезіндегі бірнеше бөлшектердің соқтығысуына қажет уақыттан миллион есе көп) соң гамма-сәулесін (электромагнитті сәуле) шығару арқылы немесе ары қарай нуклон тудыру арқылы босатады. Алғашқы жеке элементке , қалдық ядроның, энергия құтылып шығу үшін жеткіліксіз болғанда, бөлшектердің баяулатылған лақтырылуы болады. Бірақ олар бір-бірімен үнемі энергия алмасып тұрады, газдардағы немесе ыстық сұйықтардағы моллекулалар бір-бірімен алмасқандай. Бұл процесс кезінде, бір элементт шамалы уақытқа ұшып шығуы үшін, жеткілікті энергияға ие болуы әбден мүмкін. Бұл жеңіл ядро немесе нуклон өшірілудің қайнауы немесе баяулатылу д.а. Баяулатылған нуклондар ядроны кезкелген бағытта тастап шығады, көбісінің энергиясы бірнеше МэВ. Бұл ядролық әрекеттесудің екінші бөлімі, фазаның қозу немесе баяулату фазасы д.а.

Жер атмосферасындағы ғарыштық сәулелер каскады

Түсетін ғарыштық сәулелер бөлшектері ауаның атомы және моллекуласымен соқтығысатындықтан, олар көптеген екінші ретті бөлшектер тудырады. Егер ауыр иондар туралы айтсақ, олар жеңіл ядро, протон мен нейтронға бөлінеді. Бұл бөлшектердің барлығы төмен қарай жылжи отырып, ауаның басқада молекулаларымен әсерлеседі, егер энергиялары жеткілікті болса. Бұл ғарыштық сәулелер каскадың тудырады. Бөлшектер неғұрлым терең кірген сайын, олар соғұрлым энергиясынан көбірек айрылады. Алғашқы ғарыштық сәулелердің минимал энергиясы 450 МэВ болуы керек, сонда саны бірталай екінші ретті бөлшектер алынады да, олар теңіз деңгейіне жетеді. Бірінші ретті энергиясы төмен ғарыштық сәулелер ізін табу үшін, биік тауларға шығу керек, немесе ұшақтарды пайдалану керек, әуе шар – зонды мен ғарыш аспаптарын пайдалану қажет.

Ғарыштық сәулелердің каскады келесі суретте көрсетілген. Симпсонның және т.б. каскадының сүлбе кескіні (1953, Phys. Review 90, 934). Жеке реакцияларды, бірінші соқтығыстан бастап, ыдырау нәтижелерінің жерге жеткенге дейінгі:

• Бірінші ретті ғарыштық сәулелер әрекеттесуінен пайда болатын бөлшектер ішінде, (π ±) мен нейтрал (π 0) пиондар, массалары электрон мен протон арасында, бұл бөлшектер тұрақсыз: нейтрал (π 0) пиондар ыдырауы гамма-сәуле фотонға (γ), ол электрон-позитрон жұбын тудыра алады (E ±); зарядталған пионның мюонға (μ ±) ыдырауы, олда электрон мен позитрон тудыра алады. Кейбір мюондар ядролық әсерге ұшырап, нейтрон (n) пайда болады.
• Реакцияның басқа тізбегі (бұтағы) жылдам нуклон құрайды, нейтрон (N) мен протон (P), энергиялық спектрі жалпақ, түсетін нуклон энергиясына таралады. Егер олар жеткілікті энергиялы болса, олар ауаның басқа ядрларымен әрекеттесе алады. Әрбір нуклон буланатын реакциядан тағы сондай, энергиясы шамамен бірнеше МэВ нейтрон мен протон пайда болады.

Бұл каскадта пайда болатын бөлшектер, атмосферамен шамалы немесе күшті әрекеттеседі, мюондар ең аз дәрежеде әсерлеседі, сондықтан олар екінші ретті ғарыштық сәулелерде теңіз деңгейіндегі, көп таралған. «Буланған» нейтрон мен протон ауа ядросымен соқтығысып, энергиясынан айрылады. Протондар атмосфералық атомдардан электрондарды ұшырғанда, ионизация энергиясынан айрылады, бірақ нейтрондар ионизацияға ұшырамайды. Сондықтан протондар ауада, нейтронға қарағанда, энергиясын көп жұмсайды және энергиясы 2ГэВ төмен болғанда, теңіз деңгейінде нейтронға қарағанда әлде қайда сирек.

Электромагниттік толқындар мен электрондар, жерде бақылана алатын ғарыштық сәулелердің үшінші копонентасы.

Жердегі ғарыштық сәулелер детекторларын өлшейтін компоненталарына байланысты екі топшаларға бөлуге болады: нуклондар (протон мен нейтрон)мен мезондар (мюондар) және электромагнитті (фотон, электрон т.б.). Нейтронды мониторлар (НМ) негізінен нуклонды компонентаны тіркейді, яғни нейтрон мен протонды (екінші ретті бөлшектерді). Негізгі өндіруші арқылы өндірілген келесі нейтрон мен протонды. Нуклонның (нейтрон мен протонның) баяулатылуы атмосферада нейтронды монитор айналасында болады, олардың детекторға түсуін болдырмау масқсатында.