Солнечные космические лучи связаны с деятельностью солнца и появляются в межпланетном пространстве в виде интенсивных потоков заряженных частиц после хромосферных вспышек.Состав СКЛ в основном соответствует распространенности элементов на солнце: около 80% - ядра водорода (протоны), до 15% - альфа частицы. Остальное- более тяжелые ядра. В период максимума солнечной активности, который повторяется через 11 лет ( последний был в 1992-1993 годах), происходит около 10 крупных вспышек в год; в период минимума - не более одной. Все они, возникнув, развиваются в каждом случае своеобразно, различаясь мощностью, длительностью, а также составом и формой энергетического спектра СКЛ. Слабые солнечные вспышки проходят в среднем один раз в день.

Энергия частиц СКЛ не превышает 1010 эВ, что значительно ниже, чем в ГКЛ. Например , после сильной вспышки 4 августа 1972 года она составила 7*104 см-2с-1ср-1 для Е >= 107 эВ. На рисунке для сравнения показаны спектры нескольких крупных вспышек. Значительные потоки СКЛ вызывают дополнительную ионизацию в ионосфере Земли, создавая радиопомехи и затрудняя связь в диапазоне коротких волн. СКЛ представляет основную опасность для межпланетных полетов.

Радиационные пояса Земли. Магнитное поле Земли, взаимодействуя с потоками заряженных частиц первичных КЛ, захватывает некоторую их часть и удерживает в ограниченных областях, называемых радиационными поясами. Захваченные частицы под действием силы Лоренца движутся по спиральным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля ( рис. 2).

Рассмотрим подробнее характер этого движения. Сила Лоренца , как известно, обусловлена поперечной (перпендикулярной к силовой линии) составляющей скорости частицы Vперп и является центростремительной силой: Fл = q*Vперп*B= m*Vперп2 / Rперп, откуда

V перп= q*R*B/m (1)

Здесь q и m - заряд и масса частицы; B= м0*H - магнитная индукция. Радиус спирали R выразим из условия постоянства момента импульса: L = m*Vперп*R

R= L/(m*Vперп) (2)

Из (1) и (2) можно легко видеть, что

Vперп2 /B = q*L/m= const (3)

По мере приближения частиц к Земле и увеличения В поперечная скорость Vперп , как следует из (3), возрастает. Это происходит из-за уменьшения продольной составляющей скорости Vпрод, поскольку кинетическая энергия частицы, равная m*(Vперп2 + Vпрод2 )/2 в силу законов сохранения энергии в стационарном магнитном поле не меняется. Отсюда следует существование некоторой точки, называемой зеркальной, где Vпрод обращается в нуль и меняет направление. В этой точке частица "отражается", т.е. начинает двигаться обратно, к противоположному магнитному полюсу. Там есть другая зеркальная точка, где снова происходит отражение, и т.д. Период таких колебаний составляет несколько десятых долей секунды.

Форма РПЗ определяется магнитным полем Земли. Различают внутренний и внешний РПЗ. В экваториальной области внутренний РПЗ расположен на высоте примерно от 600 км до 6 .7 тысяч км, внешний-от 9 .10 до 40 .50 тыс. Км. Чем выше энергия частицы, тем более сильное поле требуется для ее удержания. Поэтому частицы со сравнительно высокой энергией сосредоточены во внутреннем РПЗ (протоны с энергией до 109 эВ, электроны - до 106 эВ). Внешний РПЗ состоит из протонов и электронов меньшей энергии (соответственно - до 107 и до 105 эВ).

Интенсивность потока протонов в РПЗ соизмерима с интенсивностью потока СКЛ сильных вспышек, а электронов еще выше. Потоки протонов РПЗ представляют серьезную опасность как для живых организмов, так и для аппаратуры. Магнитное поле в значительной степени экранирует Землю от первичных КЛ. До плотных слоев атмосферы доходят лишь те частицы, энергия которых превышает определенный порог. Данный эффект называют "геомагнитным обрезанием". Он объясняется тем, что у частиц высокой энергии радиус кривизны траектории слишком велик для того, чтобы они удержались в РПЗ. Пороговая энергия максимальна для экваториальных областей (1,5*1010 эВ) и уменьшается до нуля у магнитных полюсов, где частицы движутся вдоль силовых линий и сила Лоренца на них не действует. На широте Москвы пороговая энергия равна 2,5*109 эВ. Вследствие геомагнитного обрезания поток КЛ у границы атмосферы максимален вблизи полюсов.

Взаимодействие космических лучей в атмосфере

Летящие частицы КЛ, взаимодействуя с атомами атмосферы, вызывают процессы образования и распада практически всех известных элементарных частиц. Мы кратко рассмотрим наиболее часто происходящие процессы.

Во-первых, все энергичные заряженные частицы способны выбивать из атомов быстрые электроны (б-электроны). Во-вторых, первичные протоны и ядра могут разрушать атомные ядра, выбивать из них нуклоны (протоны, нейтроны) и рождать пионы.

В верхних слоях атмосферы преобладает образование пионов: П0, П+, П- в результате взаимодействия протонов КЛ с нуклонами ядер. Интенсивность потока первичных протонов падает, и на высоте 10 км образование пионов практически прекращается. Образовавшиеся пионы быстро распадаются. Нейтральный пион П0 примерно через 10-16 с распадается на два гамма-кванта. Из гамма-квантов в поле ядер рождаются электронно-позитронные пары.

Рождение пар происходит в соответствии с законом Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии: Е = m*c2. Пара "частица - античастица" может возникнуть, если энергия исходного гамма-кванта превышает общую энергию покоя образующихся частиц. Электроны и позитроны при резком ускорении в электрическом поле ядер, в свою очередь, испускают гамма - кванты, из которых рождаются пары, и т.д. Образуется электронно - позитронный ливень.

Развитие ливня продолжается до тех пор, пока энергия гамма-квантов не снизится настолько, что образование пар станет невозможным. Заряженные пионы через 2,6*10-8 с распадаются на мюоны и нейтрино (либо антинейтрино):

П+ ---> м+ + V ; П- ---> м- + V~.

Собственное время жизни мюона составляет T0 = 2*10-6 с, а скорость B = v/c близка к 1. Свет проходит за это время лишь 600 м, и, однако, в силу релятивистской зависимости времени от скорости : T=T0/(1-B2)1/2, мюоны, рожденные в верхних слоях атмосферы, успевают пролететь десятки километров и достигают земной поверхности. В конце жизни мюоны распадаются по схеме: м+---->е+-+V+V~.

Рассмотренные процессы меняют состав КЛ. На рис. показано изменение интенсивности потока протонов , мюонов и электронов в зависимости от толщины пройденного слоя воздуха. Здесь под толщиной слоя G понимается произведение расстояния x на плотность пронизываемого вещества: G=x*p. Величина G измеряется в кг*м-2. Толщина всего слоя атмосферы эквивалентна примерно 10 м воды.

Частицы КЛ принято разделять по их проникающей способности на две компоненты - "жесткую" и "мягкую". Мюоны, а также протоны и нейтроны высокой энергии слабо поглощаются веществом и составляют так называемую жесткую компоненту. Электроны, позитроны и фотоны поглощаются намного сильнее и относятся к мягкой компоненте.