Космические излучения

Космические лучи были открыты немецким физиком В. Гессом

(1912) при исследовании роста радиоактивного фона с высотою над по-

верхностью Земли (барометрический эффект).

Космическое излучение включает излучение частиц, захваченных

магнитным полем Земли, галактическое космическое излучение и излуче-

ние Солнца [19].

Частицы, захваченные магнитным полем Земли, состоят в основном

из протонов и электронов. Захваченные частицы создают два радиацион-

ных пояса по обе стороны сферы радиусом, равным 2,8 радиуса Земли.

Верхний пояс имеет большую интенсивность и энергию излучения, чем

нижний. Энергия частиц: у электронов – до единиц МэВ, у протонов – до

нескольких сот МэВ. Различие в энергиях частиц определяется силой Ло-

ренца, удерживающей частицы в радиационных поясах Земли, зависящей

от скорости частиц. При одинаковых скоростях более массивные протоны

имеют большую энергию. Захваченные частицы доз на поверхности Земли

не создают.

Галактическое космическое излучение в основном состоит из попа-

дающих на Землю из Космоса протонов (79 %) и альфа-частиц (20 %) и не-

большого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжелых

ядер, наибольшее значение из которых имеют ионы железа с относительно

высокими интенсивностью и атомным числом. Источниками галактиче-

ского космического излучения являются процессы, проходящие в дальнем

Космосе: звездные вспышки, взрывы сверхновых звезд и галактических

ядер, пульсарное ускорение и т. д. Диапазон энергий частиц галактическо-

го излучения составляет от 102 до 105 МэВ.

Входя в атмосферу, излучение взаимодействует с атомами азота, ки-

слорода, аргона. Взаимодействие с электронами атомов происходит чаще,

чем с ядрами, но при этом высокоэнергетичные частицы теряют мало

энергии. При столкновении с ядрами частицы выбывают из потока пер-

вичного излучения, поэтому ослабление первичного потока обусловлено

ядерными реакциями.

Вторичные частицы сами обладают высокими энергиями и вызыва-

ют такие же ядерные реакции, т. е. формируется каскад реакций с образо-

ванием широких атмосферных ливней, являющихся вторичным кос-

мическим излучением, которое проникает в нижние слои атмосферы. Одна

первичная частица с высокой энергией (более 100 ТэВ) может вызвать ли-

вень, включающий до десяти поколений реакций, сопровождающихся ро-

ждением миллионов новых частиц.

Таким образом, на высоте 25–30 км и выше (в стратосфере) преоб-

ладает первичное космическое излучение, а ниже в тропосфере (высота

10–15 км) – в основном вторичное.

Образование новых ядер и нуклонов происходит чаще всего в верх-

них слоях атмосферы. В нижних слоях поток ядер и протонов сильно ос-

лабляется за счет ядерных взаимодействий и последующей ионизации. В

общей дозе на уровне моря этот поток весьма мал (единицы %).

Преобладание в ливневых потоках -мезонов (около 80 %, осталь-

ное – К -мезоны) сопровождается быстрым распадом нейтральных пионов на

два гамма-кванта с последующим образованием электрон-позитронных пар,

комптоновских электронов и далее с рождением новых гамма-квантов.

При достижении вторичными электронами критической энергии (77 МэВ) и

преобладании ионизационных потерь процесс каскадных распадов прекра-

щается. Заряженные пионы могут участвовать в столкновениях с ядрами, в

противном случае они распадаются с испусканием заряженных -мезонов.

-мезоны имеют большое время жизни, как лептоны, не участвуют в силь-

ных взаимодействиях, рождаются с большими энергиями (0,2–20 ГэВ), об-

ладают малыми сечениями взаимодействия с ядрами и малыми радиацион-

ными и ионизационными потерями. Поэтому основная часть образовав-

шихся -мезонов достигает поверхности Земли и составляет на уровне мо-

ря основную часть космического излучения.

Мощность вторичного космического излучения у поверхности Земли

изменяется в зависимости от высоты над уровнем моря: чем выше распо-

ложена территория, тем меньше слой экранирующей атмосферы и, соот-

ветственно, выше мощность вторичного космического излучения. Это яв-

ление называется барометрическим эффектом. По данным Э.Дж. Холла,

население Земли, проживающее на уровне моря, получает от космического

излучения эффективную эквивалентную дозу порядка 300 мкЗв в год, жи-

вущие на высоте выше 2000 м – в несколько раз больше. Еще более интен-

сивному, хотя и непродолжительному облучению подвергаются экипажи и

пассажиры самолетов [2].

Изменение мощности вторичного космического излучения происходит

и при удалении от экватора, т. к. уменьшается толщина тропосферы и ее эк-

ранирующее действие. Кроме того, траектория заряженных частиц космиче-

ского излучения больше искривляется геомагнитным полем Земли в области

экватора, поэтому здесь к поверхности могут проникать только высокоэнер-

гетичные частицы, а в полярных областях – и частицы сравнительно невысо-

кой энергии. Это явление носит название широтного эффекта. Излучение

Солнца по своему составу аналогично галактическому излучению. Частицы

малых энергий генерируются на Солнце постоянно. В периоды вспышек ге-

нерируются мощные потоки более энергетичных (1–100 МэВ) частиц. В пе-

риоды солнечной активности интенсивность солнечного излучения превы-

шает интенсивность галактического излучения. В этот период возросшее

магнитное поле Солнца отклоняет низкоэнергетическую компоненту га-

лактического потока. В основном энергия солнечных частиц мала для про-

хождения через магнитное поле Земли, поэтому их вклад в излучение в ат-

осфере меньше галактического даже в периоды солнечной активности