Вариации космических лучей

ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ - временные и пространственные изменения потока космических лучей (КЛ) галактич. и солнечного происхождения, непрерывно бомбардирующих земную атмосферу.

На поверхности Земли интенсивность космич. лучей зависит от темп-ры н давления воздуха, широты пункта наблюдения и состояния геомагн. поля, эл.-магн. обстановки в Солнечной системе и физ. условий в Галактике. В соответствии с этим В. к. л., обусловленные изменением указанных факторов, делят на три класса. Вариации I и II классов (метеорологнч. происхождения и обусловленные изменениями магн. поля Земли) с помощью спец. методики могут быть исключены из данных наблюдении, что позволяет в чистом виде находить вариации III класса, т. е. вариации первичных КЛ, к-рые представляют наибольший интерес. К III классу В. к. л. относятся, в частности, внезапные мощные возрастания потока КЛ, связанные с солнечными вспышками (см. Солнечные космические лучи).

Амплитуда вариаций первичных КЛ зависит от энергии частиц и напряженности межпланетных магн. полей. Поэтому исследование В. к. л. явл. эффективным средством зондирования межпланетного пространства как вблизи земной орбиты, так и в масштабах Солнечной системы н Галактики.

Рис. 1. Схема солнечного межпланетного магнитного поля при вспышке на Солнце. Стрелками показано направление силовых линий поля.

Большинство вариации III класса (периодич. 11-летние, 27-дневные, солнечно-суточные, а также т. н. эффект Форбуша и др.) обусловлено "выметанием" КЛ из Солнечной системы неоднородными магн. полями ("магнитными облаками", рис. 1; см. также рис. 6 в ст. Космические лучи), движущимися от Солнца вместе с солнечным ветрам (потоком плазмы из атмосферы Солнца). Солнечная активность изменяется с периодом ок. 11 лет. Аналогичным образом колеблются мощность солнечного ветра н количество "магнитных облаков". Интенсивность КЛ колеблется с близким периодом (11-летняя вариация), причем интегральный поток галактич. КЛ вблизи орбиты Земли уменьшается примерно вдвое при переходе от минимума к максимуму солнечной активности. "Выметание" КЛ из околоземного пространства в максимуме солнечной активности наиболее эффективно для частиц с энергией эВ. Существенную роль в 11-летней В. к. л. играют крупномасштабная структура и динамика гелиомагнитосферы.

27-дневная В. к. л. с амплитудой 10% в межпланетном пространстве на орбите Земли соответствует периоду вращения Солнца и обусловлена асимметрией потока магн. неоднородностей в солнечном ветре.

Рис.2. Экспериментальные записи вариаций космических лучей и магнитного поля во время геомагнитной бури. На верхней записи стрелкой отмечен момент, когда интенсивность геомагнитного поля минимальна; на этот же момент призодится эффект Форбуша (DB - изменение индукции магнитного поля).

Эффект Форбуша (его впервые отметил в 1937 г. амер. физик С. Форбуш) представляет собой кратковременное понижение интенсивности КЛ (на 50% в межпланетном пространстве и до 25-30% на поверхности Земли), обычно связанное с геомагн. бурей (рис. 2). Этот эффект вызывается рассеянием галактич. КЛ магн. полями, переносимыми солнечными корпускулярными потоками (т. е. солнечным ветром, усиленным вспышками на Солнце), когда поля оказываются у Земли и как бы защищают ее от КЛ. Особенно глубокие понижения интенсивности КЛ наблюдались в июле 1959 г., в ноябре 1960 г., в августе 1972 г., в феврале и мае 1978 г., в августе - сентябре 1979 г., в мае и октябре 1981 г., в июле 1982 г.

Солнечно-суточная вариация с амплитудой 2%, связанная с суточным вращением Земли, соответствует анизотропии потока первичных КЛ, к-рая обусловлена различием св-в солнечного ветра в направлении на Солнце и в противоположном направлении.

Исследования вариаций III класса и вспышек солнечных КЛ позволили оценить напряженность квазирегулярного межпланетного магн. поля (нижний предел 5-10^-6 Гс, ср. значение на орбите Земли ~10^-5 Гс, что согласуется с результатами прямых измерений на КА). Неоднородности межпланетного поля имеют характерные размеры ~10¹⁰-10¹¹ см (напомним, что диаметр Земли равен 1,28^.10⁹ см), напряженность поля в них колеблется в пределах 10^-5-10^-4 Гс. Было установлено также, что в передней части солнечных корпускулярных потоков плотность межпланетной плазмы и напряженность магн. поля увеличены, как правило, примерно в 4 раза ("магнитный поршень"), а иногда и значительно сильнее.

В. к. л. дают уникальную возможность исследовать св-ва солнечного ветра перпендикулярно плоскости эклиптики на больших расстояниях от Солнца. Для прямых измерений доступна лишь область вблизи плоскости эклиптики, где проходят трассы КА, направляемых к далеким планетам Солнечной системы. Исследование градиента космич. лучей перпендикулярно плоскости эклиптики показывает, что форма полости, заполненной солнечным ветром, мало отличается от сферической.

Изучение В. к. л. дает независимый метод исследования общего магн. поля Солнца как звезды. Оценки этого поля, по данным об 11-летних В. к. л., дают величину ок. 2 Гс. Как показали измерения на КА за орбитой Юпитера, высокоширотное поле Солнца вытягивается на очень большие расстояния по обе стороны от экватора, образуя обширную гелиомагнитосферу. Вблизи плоскости солнечного экватора линии противоположного направления, вытянутые солнечным ветром, по-видимому, "соприкасаются" и образуют нейтральный плазменный слой довольно сложной ("гофрированной") формы. Прохождение Земли через этот слой проявляется в виде наблюдаемой знакопеременности секторной структуры межпланетного магнитного поля.

С повышением точности наземной и внеатмосферной регистрации возросла роль исследования В. к. л. как метода изучения св-в земной магнитосферы (определение параметров кольцевого тока, возникающего при развитии геомагн. бури, см. Магнитосферы планет), ионосферы (образование ионизованного слоя за счет галактич. КЛ и усиленная ионизация в полярной ионосфере во время вспышек солнечных КЛ), озоносферы (опустошение озонного слоя) и др.

Лит.: Дорман Л. И., Вариации космических лучей и исследование космоса, М., 1963; его же, Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей, М., 1975; Мирошниченко Л. И., Космические лучи в межпланетном пространстве, М., 1973; Топтыгин И. Н., Космические лучи в межпланетных магнитных полях, М., 1983.

(Л.И. Мирошниченко)