 |
|
|
|
()ModernLib.Net / / / () - (. 279)К. з., запущенные к Венере и Марсу, позволили получить экспериментальные данные о ближайших окрестностях и атмосферах этих планет; с помощью К. з. получены фотографии поверхности Луны и Марса, изучены физические характеристики лунного грунта. Последние исследования осуществлялись как непосредственно на Луне, так и на образцах лунного грунта, доставленных на Землю. Существует международная система регистрации и обозначения К. з. (см. в ст. Искусственные спутники Земли ) .В национальных программах космических исследований сериям К. з. часто даются собственные названия: серии «Луна», «Зонд», «Маринер» и т. п. Лит.:Dictionary of technical terms for aerospace use, Wash., 1965. М. Г. Крошкин. «Космические исследования» «Косми'ческие иссле'дования»,научный журнал Академии наук СССР, издаваемый в Москве. Основан в августе 1963 на базе непериодического сборника «Искусственные спутники Земли» (всего 17 выпусков); периодичность 6 номеров в год. В «К. и.» публикуются оригинальные исследования по динамике полёта космических аппаратов, результаты исследований в области космической физики и астрономии, в том числе теоретические работы, описания приборов для космических исследований и конструкций космических аппаратов, исследования в области космической биологии и медицины. Публикуются также обзоры по основным проблемам космических исследований и хроника. Тираж (1971) около 1700 экз. «К. и.» на английском языке издаются в США. Космические лучи Косми'ческие лучи',поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы. К. л. - уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий, позволяющих изучать процессы превращения элементарных частиц и их структуру. Наряду с этим К. л. дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы большого масштаба, связанные с ускорением и распространением частиц космического излучения в межпланетной, межзвёздной, а возможно, и в межгалактической среде. Большинство частиц первичного космического излучения имеет энергию больше 10 9 эв(1 Гэв) ,а энергия отдельных частиц достигает 10 20-10 21 эв(а может быть, и выше). До создания мощных ускорителей заряженных частиц К. л. были единственным источником частиц высоких энергий. В К. л. были впервые обнаружены многие неизвестные ранее элементарные частицы и получены первые данные об их распадах и взаимодействиях с атомными ядрами. Хотя современные ускорители (в особенности ускорители на встречных пучках) позволяют проводить тщательное изучение процессов взаимодействия частиц вплоть до энергий 10 11-10 12 эв,К. л. по-прежнему являются единственным источником сведений о взаимодействиях частиц при ещё более высоких энергиях. Подавляющая часть первичных К. л. приходит к Земле извне Солнечной системы - из окружающего её галактического пространства ( Галактики ) ,т. н. галактические К. л., и лишь небольшая их часть, преимущественно умеренных энергий (<1 Гэв) ,связана с активностью Солнца, т. н. солнечные К. л. Однако в периоды высокой солнечной активности могут происходить кратковременные сильные возрастания потоков солнечных К. л. в межпланетном пространстве. Частицы самых высоких энергий (>10 17 эв) имеют, возможно, внегалактическое происхождение (приходят из Метагалактики ) . Общий поток энергии, приносимой К. л. на Землю (~0,01 эргна 1 см 2в 1 сек) ,чрезвычайно мал по сравнению с излучаемым на Землю потоком солнечной энергии и сравним с энергией видимого излучения звёзд. Однако не исключено, что в далёком прошлом К. л. сыграли определённую роль в ускорении эволюции жизни на Земле. В масштабах всей Галактики средняя плотность энергии К. л. велика (~ 1 эв/см 3) - порядка плотностей всех других видов энергии: энергии тяготения (гравитации), магнитных полей, кинетической энергии движения межзвёздного газа, энергии электромагнитного излучения звёзд. Поэтому К. л. могут оказывать заметное влияние на эволюцию Галактики в целом. В физике К. л. четко выделяются 2 основных направления исследований: ядерно-физическое (взаимодействие К. л. с веществом; генерация, свойства и взаимодействия элементарных частиц) и космо-физическое (состав и энергетический спектр первичных К. л.; генерация и распространение солнечных и галактических К. л.; изменение во времени интенсивности К. л. и взаимодействие К. л. с магнитосферой Земли,с солнечным ветром и ударными волнами в межпланетном пространстве и др.). По мере развития техники ускорителей область исследований на первом направлении постепенно сдвигается в сторону высоких энергий. Всё более глубокое изучение ближнего космоса прямыми методами с помощью спутников и космических ракет перемещает центр тяжести второго направления на более далёкие космические объекты. Поэтому научные результаты, получаемые с помощью К. л., носят, как правило, разведывательный, первооткрывательский, характер и имеют фундаментальное значение как для развития физики микромира (в области характерных размеров Ј10 -13 см) ,так и для развития физики космоса (10 8-10 28 см) . Открытие и основные этапы исследования К. л.Существование К. л. было установлено в 1912 В. Гессом по производимой ими ионизации молекул воздуха; возрастание ионизации с высотой доказывало их внеземное происхождение. Наблюдения следов частиц К. л. в Вильсона камере,помещенной в поле лабораторного магнита (Д. В. Скобельцын,1927), и отклонения их в магнитном поле Земли с помощью газоразрядных счётчиков, поднимаемых в стратосферу на баллонах (С. Н. Вернов и Р. Милликен,1935-37), доказали, что первичные К. л. представляют собой поток заряженных частиц, в основном протонов (ядер атомов водорода). При этом были измерены и энергии большей части К. л. (до 15 Гэв) .С помощью ядерных фотографических эмульсий,поднятых на высоту ~ 30 км(Б. Питерс и др., 1948), в составе первичных К. л. были обнаружены следы ядер более тяжёлых элементов, чем водород, вплоть до ядер железа ( рис. 1 ). Детальное изучение зарядов и масс частиц вторичных К. л. привело к открытию многих новых элементарных частиц, в частности позитрона, мюона, пи-мезона, К-мезона, L- гиперона(1932-49). В 1932 П. Блэкетт и Дж. Оккиалини впервые обнаружили в камере Вильсона группы близких по направлению генетически связанных частиц космического излучения - т. н. ливни. В опытах 1945-49 на высокогорных станциях К. л. (В. И. Векслер,Н. А. Добротин и др.) и в стратосфере (С. Н. Вернов и др.) было установлено, что вторичное космическое излучение образуется в результате взаимодействия первичных К. л. с ядрами атомов воздуха. Позднее Г. Т. Зацепин показал, что тот же механизм, но при более высоких энергиях (³10 14 эв) объясняет развитие открытых ранее в К. л. (П. Оже,1938) широких атмосферных ливней - потоков из многих миллионов частиц, покрывающих на уровне моря площади порядка 1 км 2и более. Для правильного подхода к проблеме происхождения К. л. большую роль сыграли успехи радиоастрономии.Связанное с К. л. нетепловое космическое радиоизлучение позволило обнаружить их возможные источники. В 1955 В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский на основе радио-астрономических наблюдений и энергетических оценок впервые количественно обосновали гипотезу о сверхновых звёздах как одном из основных галактических источников К. л. Базой для космофизического направления исследований явилась созданная в 50-60-е гг. обширная мировая сеть станций К. л. (свыше 150), на которых проводится непрерывная регистрация космического излучения. Многие станции находятся высоко в горах, на некоторых станциях проводятся подземные наблюдения, регулярно посылаются в стратосферу баллоны с приборами автоматической регистрации К. л. Новые возможности прямого изучения первичных К. л. в очень широком диапазоне энергий открылись в связи с подъёмом регистрирующей аппаратуры на искусственных спутниках Земли и межпланетных автоматических станциях. В частности, с помощью калориметра ионизационного на спутниках серии «Протон» был впервые непосредственно измерен энергетический спектр первичных К. л. до энергии ~10 15 эв(советский физик Н. Л. Григоров и др., 1965- 1969). Позднее с помощью искусственных спутников Луны и Марса, а также на советском «Луноходе-1» (1970-71) были проведены длительные измерения вариаций состава и интенсивности К. л, за пределами магнитосферы Земли, Первичные галактические К. л. Геомагнитные эффекты. Все экспериментальные данные согласуются с тем, что поток первичных К. л., летящих к Земле из Галактики, с высокой степенью точности (~0,1%) изотропен, т. е. не зависит от направления. Попадая в магнитное поле Земли, заряженные частицы космического излучения отклоняются от первоначального направления (в результате действия на них Лоренца силы ) .Поэтому интенсивность К. л. и их энергетический спектр в околоземном пространстве зависят как от геомагнитных координат места наблюдения, так и от направления прихода К. л. Отклоняющее действие геомагнитного поля проявляется тем сильнее, чем больше угол Jмежду направлением движения частицы и направлением силовой линии поля, т. е. чем меньше геомагнитная широта jместа наблюдения. Т. о., при одной и той же энергии частиц отклонение максимально в экваториальных областях и минимально вблизи магнитных полюсов. У экватора этот «геомагнитный барьер» не пропускает к Земле летящие перпендикулярно её поверхности протоны с энергией меньше ~15 Гэви ядра с энергией ~7,5 Гэвна нуклон (протон пли нейтрон). С увеличением геомагнитной широты пороговая энергия частиц быстро уменьшается ( ~cos 4j) ,и в полярных областях геомагнитный барьер практически отсутствует. Наряду с регулярной широтной зависимостью на интенсивности К. л. заметно сказываются аномалии геомагнитного поля (особенно в районе Южной Атлантики). В результате распределение интенсивности К. л. по земному шару имеет довольно сложный характер ( рис. 2 ). В полярных областях (j³ 60°) интенсивность К. л. у границы атмосферы составляет в годы минимума солнечной активности около 0,4 частицы на 1 см 2в 1 секв единице телесного угла. С ростом энергии К. л. их интенсивность сначала медленно, а затем всё более резко уменьшается ( рис. 3 , а). При энергиях 10 10-10 15 эвпоток частиц с энергией выше некоторой заданной энергии E(интегральный спектр) падает по закону ~ E -1,7( рис. 3 , б). В области энергий > 10 15 эвединственным источником сведений об энергетическом спектре К. л. ( рис. 3 , е) являются данные по широким атмосферным ливням (см. ниже): этот спектр уже нельзя представить единым степенным законом, что может объясняться примесью метагалактических К. л. Более 90% частиц первичных К. л. всех энергий составляют протоны, примерно 7% - a-частицы и лишь небольшая доля (~ 1%) приходится на ядра элементов более тяжёлых, чем водород и гелий. Несмотря на это, ядра с Z> 1 несут около 50% всей энергии К. л. Уменьшение распространённости с ростом атомного номера элемента в К. л. идёт медленнее, чем для вещества небесных тел во Вселенной вообще. Особенно велико в К. л. содержание ядер лёгких элементов Li ,Be, В, естественная распространённость которых чрезвычайно мала (Ј 10 -7%). Имеется также избыток тяжёлых ядер ( Z³ 6). Из этого следует, что в источниках К. л. преобладает ускорение тяжёлых ядер, а более лёгкие ядра возникают за счёт расщепления тяжёлых ядер (фрагментации) при их взаимодействии с межзвёздным веществом. В период 1966-71 с помощью ядерных фотоэмульсий и твердотельных детекторов заряженных частиц в К. л. обнаружены ядра значительно тяжелее железа - вплоть до урана, а возможно и ещё более тяжёлые, причём их потоки падают с ростом Zпримерно как Z -7- Z -8.В наиболее изученной области энергий (>2,5 Гэвна нуклон) ядерный состав К. л. таков: протоны - около 92%, a-частицы - около 7%, ядра с Z =3-5 - около 0,1-0,15%, с Z= 6-9 - около 0,5% с Z= 10-15 - около 0,1-0,15%, с Z= 16-25- около 0,04%, с Z =26 (железо) - 0,025%, с Z> 30- ~10 -5%. По содержанию в К. л. Li, Be, В, которых нет в источниках (эти элементы быстро выгорают в результате протекающих в звёздах термоядерных реакций) и которые образуются только в результате фрагментации, было оценено среднее количество вещества, через которое проходят К. л. на пути от источников до Земли; оно оказалось равным 3-5 г/см 2.Отсюда, если известна средняя плотность вещества в Галактике, можно оценить путь, проходимый К. л. в Галактике, и среднее время жизни К. л. (см. ниже). В состав первичных К. л. входят также электроны и позитроны (~1%) и фотоны высоких энергий - g-кванты (~0,01% при энергиях > 100 Мэв) .Несмотря на незначительную долю в К. л., g-кванты представляют особый интерес, поскольку, не отклоняясь магнитными полями межзвёздного пространства, они позволяют обнаруживать отдельные квазиточечные источники К. л. Найдено уже около 20 таких источников. Из них наиболее интересен пульсар NP 0532 в Крабовидной туманности, дающий поток g-квантов 0,1-0,5 на 1 м 2в 1 секи являющийся одновременно мощным пульсирующим источником рентгеновского излучения. Кроме того, обнаружен диффузный поток -l квантов из центра Галактики с интенсивностью ~ 1 частица на 1 м 2в 1 секв расчёте на единицу телесного угла. Внутри магнитосферы Земли, на высотах ³ 1000 кмот земной поверхности, помимо потока К. л., присутствуют гораздо более интенсивные потоки протонов и электронов, захваченные геомагнитным полем и образующие радиационный пояс Земли.Происхождение внутренней области радиационного пояса объясняется в основном обратным потоком (альбедо) нейтронов, выбиваемых К. л. из ядер атомов, составляющих атмосферу Земли: нейтроны распадаются на протоны и электроны, которые удерживаются в естественной магнитной ловушке магнитосферы Земли. Солнечные К. л.Наиболее сильные возрастания интенсивности К. л. в виде нерегулярных кратковременных всплесков связаны с хромосферными вспышками на Солнце. При таких вспышках происходит ускорение заряженных частиц. солнечной плазмы электромагнитными полями (по-видимому, у границ солнечных пятен), т. е. генерация солнечных К. л. Предложен, в частности, весьма вероятный механизм ускорения частиц электрическими полями, индуцируемыми при быстром сближении областей солнечной плазмы с противоположно направленными магнитными полями (советский физик С. И. Сыроватский, 1965). Потоки солнечных К. л. во время некоторых хромосферных вспышек в сотни раз превышают потоки галактических К. л. Так, при рекордном всплеске 23 февраля 1956 наблюдалось 300-кратное возрастание потока К. л. с энергией > 3 Гэв,что могло бы представлять серьёзную угрозу безопасности космических полётов. Поэтому очень важны систематические наблюдения хромосферных вспышек, всплесков радио- и рентгеновского излучения и др. проявлений солнечной активности, позволяющие в тесной связи с измерениями интенсивности К. л. прогнозировать радиационную обстановку на трассах космических полётов. В среднем вклад солнечных К. л. в общую интенсивность космического излучения составляет несколько процентов. Химический состав солнечных К. л. очень близок к составу солнечной атмосферы. В отличие от галактич. К. л., в них отсутствуют ядра Li, Be, В. Это показывает, что количество вещества, проходимое солнечными К. л., чрезвычайно мало (< 0,1 г/см 2) и что их генерация не может происходить в глубине солнечной атмосферы, где плотность вещества слишком велика (вероятнее всего ускорение происходит в верхней хромосфере и нижней короне Солнца). Частицы солнечных К. л. по сравнению с галактическими обладают более низкими энергиями (их энергетический спектр более мягкий). Энергии протонов обычно ограничиваются долями Гэв,и лишь при очень редких мощных хромосферных вспышках генерируются протоны с энергиями до 100 Гэв;нижняя граница энергии регистрируемых электронов солнечных К. л. составляет десятки кэв(т. е. близка к энергии частиц солнечного ветра). Солнечные К. л. малой энергии оказывают существенное воздействие на состояние ионосферы Земли в высоких широтах, вызывая дополнительную ионизацию её нижних слоев. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179, 180, 181, 182, 183, 184, 185, 186, 187, 188, 189, 190, 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 199, 200, 201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 219, 220, 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 234, 235, 236, 237, 238, 239, 240, 241, 242, 243, 244, 245, 246, 247, 248, 249, 250, 251, 252, 253, 254, 255, 256, 257, 258, 259, 260, 261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268, 269, 270, 271, 272, 273, 274, 275, 276, 277, 278, 279, 280, 281, 282, 283, 284, 285, 286, 287, 288, 289, 290, 291, 292, 293, 294, 295, 296, 297, 298, 299, 300, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 309, 310, 311, 312, 313, 314 |