13. Последнее пристанище странников

    Космические лучи, рождаясь и распространяясь во Вселенной, попадают и в Солнечную систему – среду, где их параметры могут изменяться. Что именно происходит с космическими лучами в окрестности Солнца – предмет рассмотрения данной главы.

13.1. Солнечная метла

    Обратите внимание на рис. 12.3. Cпринклер – архимедовы спирали солнечной плазмы с вмороженным в них магнитным полем – будут, безусловно, взаимодействовать с заряженными частицами, попадающими в гелиосферу из внешнего пространства. Межпланетное магнитное поле будет искривлять траектории галактических космических лучей, стремясь уменьшить интенсивность входящих в это пространство частиц. Известно, что на частицу, попавшую в магнитное поле, будет действовать сила Лоренца, величина которой зависит от её скорости. Для описания движения частиц в магнитном поле используется величина жёсткости R, являющейся отношением импульса частицы (mv) к её заряду (Q). Частицы с одинаковой жёсткостью имеют одинаковые траектории в магнитном поле.С увеличением скорости частицы, или её энергии, сила Лоренца уменьшается. Поэтому, чем больше энергия частицы, или её жёсткость, тем менее эффективно воздействует магнитное поле на частицу. Следовательно, для галактических космических лучей можно ожидать ослабление их потока только в низкоэнергичной части спектра

Рис. 13.1. Модуляция космических лучей (нижняя панель) по наблюдениям на станциях расположенных в экваториальной и в полярной (где пороговая жёсткость частиц меньше) областях. Вверху показано изменение солнечной активности (по числам Вольфа) за тот же период времени

    Чем вам не метла? Это явление называется модуляцией космических лучей. Эффективность модуляции зависит не только от расстояния до Солнца, но и от солнечной активности. В периоды более сильной активности Солнца, когда потоки плазмы более мощные, а магнитное поле более неоднородное в пространстве, мы будем наблюдать менее интенсивные потоки галактических космических лучей внутри гелиосферы. И, наоборот, в минимуме цикла солнечной активности потоки космических лучей будут максимальны. Это наглядно демонстрируется сравнением кривых, отображающих число солнечных пятен и потоков космических лучей (рис.13.1). Они, как говорят физики, находятся в “противофазе”: минимум солнечной активности соответствует максимуму потока космических лучей и наоборот.
    Эффективность модуляции потока зависит от расстояния. Чем дальше от Солнца, тем меньше будут изменения потоков космических лучей.
    Именно анализируя такие данные, т.е. зависимость степени модуляции галактических космических лучей от радиального расстояния, исследователи приходят к оценкам положения внешней границы области модуляции на расстояниях менее 100 а.е. Поэтому где-то в этом месте должна располагаться и пограничная ударная волна гелиосферы и гелиопауза.
    Теперь попытаемся вообразить трёхмерную, объёмную картину области эффективной модуляции космических лучей. Мы мало об этом знаем. Предполагается, что эта область имеет форму эллипсоида, приплющенного в перпендикулярных от плоскости эклиптики направлениях. Вблизи Солнца такая структура эллипсоида диктовалась предположением существования более однородного магнитного поля Солнца вблизи его полюсов. Так было до начала миссии космического аппарата “Ulysses”, запущенного в начале 90-х.
    Это был первый космический аппарат, вылетевший за пределы плоскости эклиптики. Дело в том, что аппараты, запущенные в космическое пространство со 2-й космической скоростью, будут лететь, как и все планеты, в плоскости эклиптики. Для того, чтобы космическому аппарату вылететь из неё, нужен дополнительный импульс. Его можно создать двигателем, а можно… гравитационным манёвром. Именно так был “запрограммирован” “Ulysses”. Его запустили не в сторону Солнца, а в обратном направлении. Долетев до Юпитера, самой массивной планеты Солнечной системы, он резко изменил траекторию своей орбиты, “вылетел” из плоскости эклиптики и полетел в сторону Солнца. Он несколько раз пролетел над полюсами Солнца, предоставив учёным уникальную информацию о структуре плазмы, магнитных полей и космических лучей вне плоскости эклиптики.

Рис. 13.2. Структура магнитного поля Солнца по данным космического аппарата Ulуsses, облетевшего Солнце через Южный и Северный полюса. Модуляция космических лучей вне плоскости эклиптики оказалась такой же, как и в ней – из-за хаотичной структуры магнитного поля

Рис. 13.3. Примерная форма энергетических спектров солнечных и галактических космических лучей (для всех частиц) и аномальной компоненты (для кислорода). Аномальная компонента видна только в минимуме солнечной активности

    Оказалось, что степень модуляции космических лучей над полюсами вовсе не такая эффективная, как это предполагалось ранее (рис.13.2). Модуляционная картина галактических космических лучей оказалась мало отличающейся от той, которая наблюдается в плоскости эклиптики. А это значит, что упомянутый выше модуляционный эллипсоид не такой уж и приплюснутый…
    Если теперь обратиться к энергетическому спектру галактических космических лучей (см. рис.13.3), то можно видеть характерный максимум в спектре при энергии около 400 МэВ/нукл. Его появление как раз и связано с модуляцией космических лучей внутри гелиосферы: частицы с энергиями меньшими ~ 400 МэВ/нукл “выметаются” из cолнечной системы нашей звездой. В годы максимума солнечной активности падение потоков слева от максимума спектра больше, а в минимумах меньше. Вот так наша звезда защищает нас от потока ускоренной во Вселенной межзвёздной пыли…

13.2. Аномальные частицы в гелиосфере

    Гелиосфера заполнена разнообразными частицами – это и галактические частицы, проникающие в неё извне, из межзвёздного пространства, и солнечные: плазма солнечного ветра и солнечные космические лучи. Однако есть ещё один компонент, открытый в начале 70-х годов.
    Исследователи космических лучей обратили внимание на то, что в энергетическом спектре частиц имеется характерная особенность – локальный максимум при энергиях 10-15 МэВ/нуклон (рис. 13.3). Интересным оказался факт его существования не для всех частиц, а только для кислорода, гелия, неона и ряда других элементов. Т.е. химический состав этих частиц существенно отличался от состава других частиц (как солнечного, так и галактического происхождения). Было также обнаружено, что эта компонента космических лучей подвергается солнечной модуляции, однако гораздо более мощной, чем в случае “обычных” галактических частиц. Именно в силу этих обстоятельств такие частицы получили название “аномальных космических лучей” (АКЛ). Встал вопрос об их происхождении.

Рис. 13.4. Механизм образования аномальных космических лучей по Л.Фиску

    Американский астрофизик Л. Фиск вскоре после их экспериментального обнаружения предложил весьма оригинальную гипотезу (рис. 13.4) их происхождения. Она состояла в том, что эти частицы рождаются из межзвёздной пыли, “подхватываемой” нашей гелиосферой из межзвёздного пространства. Эти частицы проникают в гелиосферу, т.к. она движется в галактическом пространстве со скоростью 25 км/сек, и та часть нейтральных пылинок, которая достигает окрестности Солнца – ионизируется за счёт его ультрафиолетового излучения и обмена зарядами с плазмой солнечного ветра. Частицы становятся заряжёнными. Но их энергия пока очень мала по сравнению с аномальными космическими лучами (сопоставима с энергией частиц солнечного ветра). Эти частицы надо ускорить.
    Л. Фиск предположил, что вместе с плазмой солнечного ветра они начинают путешествие к внешним областям гелиосферы вдоль архимедовых спиралей. Ну, а там, на границе, их ожидает ударная волна. Логика мыслей очевидна: если есть ударная волна, то следует ожидать ускорения частиц. Однако проблема заключается в том, что надо доказать существование самой ударной волны на границе гелиосферы (как об этом упоминалось выше, здесь есть пока разные точки зрения), смоделировать взаимодействие частиц с ней и попытаться получить ту форму энергетического спектра и те энергии частиц, которые реально наблюдаются в эксперименте. Пока здесь есть ряд вопросов, ответы на которые ещё не получены. Однако, в целом концепция Л. Фиска, пожалуй, верна. Это следует из того, что экспериментально доказано, что эти частицы, в отличие от галактических и солнечных, имеют заряд, близкий к 1+. Это означает, что атомы элементов, входящих в состав АКЛ, “ободраны” не полностью – практически все их электронные оболочки сохранены, не хватает лишь одной или двух…
    И это весьма важно, т.к. может произойти лишь в одном случае: если источники этих частиц где-то совсем близко от нашей гелиосферы. Расчёты показывают, что они должны располагаться не далее 0.2 парсека. Это - совсем рядом. Именно нейтральная пыль межзвёздного газа из этой области и пополняет околосолнечное пространство “аномальными частицами”.
    Как было доказано, что эти частицы имеют такое низкий заряд? Для этого использовали магнитное поле Земли в качестве “сепарирующего детектора” частиц с разными зарядами. К этому вопросу мы вернёмся ниже в связи с рассмотрением проблемы проникновения космических лучей в магнитное поле Земли.
    Итак, частицы высокой энергии, заполняющие гелиосферу, имеют различное происхождение. Некоторые из этих частиц – галактического и внегалактического происхождения, рождающиеся при взрывах сверхновых звёзд или в других астрофизических объектах Вселенной. Помимо этих источников, Солнце, в периоды усиления своей активности, генерирует энергичные частицы, которые могут иногда достигать энергий галактических. И, наконец, локальная межзвёздная среда забрасывает нам пыль, из которой рождаются новые энергичные частиц.
    Мы живём на небольшой планете, и космические лучи, оказавшиеся внутри гелиосферы, могут достигнуть и её окрестностей. Давайте вместе с космическими лучами начнём приближаться к Земле…

13.3. Магнитная “броня” планеты Земля

Приближаясь к Земле, космические лучи встречают два мощных препятствия. Одно из них – атмосфера планеты. Взаимодействие космических лучей с атмосферой было рассмотрено в главе 3. Лишь незначительная доля первичных частиц достигает Земли. Как правило, космические лучи образуют широкие атмосферные ливни вторичных частиц, которые в основном гибнут в атмосфере, выделяя при этом энергию.
   Однако есть ещё одна преграда для заряжённых частиц, несущихся в сторону Земли. Это её магнитное поле.
    …У английской королевы Елизаветы был придворный врач У. Гильбер. Он впервые доказал, что Земля является вращающимся магнитом.

Рис. 13.5. Проникновение космических лучей в дипольное магнитное поле Земли. Частицы с большей жесткостью R проникают глубже внутрь поля, и часть их достигает атмосферы. Вблизи полюсов, где поле ослаблено, проникают частицы в широком диапазоне R. Внутри поля возможно формирование замкнутых траекторий частиц (захват частиц

Рис. 13.6. Магнитосфера Земли – полость в космическом пространстве, формируемая воздействием солнечного ветра на магнитное поле Земли

    Форма магнитного поля Земли очень близка к дипольной (рис. 13.5), т.е. оно весьма неоднородно в пространстве: вблизи полюсов поле ослаблено (что демонстрируется разрежением магнитных силовых линий) по сравнению с экваториальными областями на тех же расстояниях r от центра Земли и уменьшается с расстоянием согласно закону r^-3. Напряжённость магнитного поля определяется магнитным моментом нашей планеты. Интересно заметить, что величина магнитного момента медленно меняется со временем (это – так называемые вековые вариации). В настоящее время эта величина уменьшается. Расчёты показывают, что к концу четвёртого тысячелетия (в 3991 г.) Земля может остаться на какое-то время без магнитного поля. Ещё одним интересным фактом является инверсия направления магнитного поля Земли (переполюсовка): в течение последних 600 миллионов лет это происходило около 1000 раз! Причём время инверсии достаточно длительное: от тысячи до нескольких тысяч лет. В эти периоды времени поле практически исчезает и … Земля становится беззащитной от космических заряженных частиц. Пока вопрос о последствиях этого явления недостаточно изучен.
   Теорий, касающихся возникновения магнитного поля, несколько: от вращающегося расплавленного шара до термоядерного реактора, наподобие солнечного в центре нашей планеты. Разнообразие теорий указывает на нерешённость данной проблемы.
    Магнитное поле Земли существует не в вакууме, а в среде, наполненной потоками солнечной плазмы и межпланетным магнитным полем. Безусловно, они взаимодействуют друг с другом. Для солнечного вещества и магнитного поля Земля с её собственным магнитным полем представляет собой реальную преграду: они вынуждены “обтекать” её. В результате такого “обтекания” магнитное поле Земли, изначально имевшее дипольную форму, превращается в сложную структуру, названную магнитосферой (рис.13.6).
    Открытию магнитосферы мы обязаны исследованиям на спутниках Земли. Именно благодаря космическим экспериментам было обнаружено, что земное магнитное поле имеет полоидальную форму с направленной на Солнце лобовой частью, постоянно омываемой солнечным ветром. На ночной стороне Земли силовые линии вытягиваются в антисолнечном направлении, образуя хвост магнитосферы. Открытие его в 60-х годах американским физиком Н. Нессом на спутниках IMP, имевших апогеи на ~20 радиусах Земли на ночной стороне, сыграло в дальнейшем выдающуюся роль в космической физике. Ему отводится роль накопителя солнечной энергии, которая высвобождается при явлениях, названных магнитными бурями. Мы ещё к ним вернёмся, а пока проследим судьбу космических лучей, оказавшихся внутри магнитосферы Земли.

13.4. Земная ловушка для космических странников

    В середине прошлого века магнитное поле Земли сыграло решающую роль в определении природы космического излучения. Безусловно, исследователей космических лучей с самого начала волновал вопрос о том, какая доля первичного космического излучения проходит через магнитное поле, и от каких факторов зависят условия проникновения частиц.
    Подробно движение заряженных частиц в магнитном поле изучал К. Штёрмер. Именно он определил основные особенности их траекторий в магнитном поле Земли (см. рис.13.5). Им были определены основные закономерности вариаций потоков частиц с изменением широты, долготы и высоты точки их наблюдения. Эти расчёты помогли исследователям правильно интерпретировать экспериментальные данные.
    Заряжённые частицы, попадая внутрь магнитного поля Земли, испытывают воздействие силы Лоренца, зависящей от заряда частицы (Q), её скорости (v) и величины напряжённости магнитного поля (В). Сила Лоренца увеличивается как с увеличением Q, так и с увеличением произведения v^.B. Можно показать, что радиус кривизны траектории частицы с равными величинами mv/Q (m – масса частицы), называемой жёсткостью (R), имеют одинаковые траектории. Ясно, что такими частицами могут быть любые – и протоны, и электроны, и ядра.
    Именно поэтому в физике космических лучей удобно пользоваться величиной жёсткости для описания движения частиц в магнитных полях. Таковы основные закономерности движения галактических космических лучей вблизи Земли.
   Так, например, азимутальный эффект прохождения частиц разного знака через магнитное поле (напомним, что частицы разного знака, например, протоны и электроны имеют траектории, направленные в противоположные стороны) помог пионерам исследования космических лучей понять их природу, а именно, доказать, что они состоят из положительно заряжённых частиц. Расчёты показывают, что на экватор могут проникать только частицы с энергией, превышающей 15-17 ГэВ.

Рис. 13.7. Реальные траектории протонов в магнитном поле Земли

    Движение заряжённых частиц в магнитном поле описывается уравнениями, в основе которых лежат законы Ньютона и сила Лоренца. Для вычисления траекторий частиц по этим уравнениям нужны модели магнитного поля и параметры первичных космических лучей. Мы видели (см. рис. 13.6), что магнитное поле Земли – магнитосфера – это существенно искажённый магнитный диполь под воздействием солнечного ветра. Поэтому траектории частиц в реальном поле далеки от плавной кривой для частиц, изображённой на рис. 13.5. Скорее, они напоминают запутанные спиралевидные линии с уменьшающимися радиусами кривизны по мере продвижения частицы к Земле (рис. 13.7). Однако в этой сложной картине можно выделить три основные закономерности.
    Частицы с малой жёсткостью будет отражаться от магнитной брони нашей Земли, частицы с большой жёсткостью будут проникать внутрь поля, и они либо погибнут в атмосфере, либо уйдут вновь в космическое пространство. А для некоторой доли частиц – с промежуточными величинами жёсткости магнитное поле представляет собой ловушку – частицы окажутся захваченными в нём (см.рис. 13.5).
    Магнитное поле Земли сослужило большую роль в определении природы аномальной компоненты космических лучей. Эксперимент, выполненный российско-американской коллаборацией в начале 90-х годов с использованием спутников Земли, по своей идее был достаточно прост. Для определения заряда частиц АКЛ – кислорода – использовались одновременные измерения частиц как на борту американского спутника IMP-8, летавшего за пределами магнитосферы, и нашего – “Космоса”, орбита которого была расположена вблизи Земли на низких высотах.
    Частицы разного заряда имеют разные траектории в магнитном поле. Расчёты показали, что на орбиту “Космоса” могут проникнуть ионы кислорода лишь с зарядом 1+ и не могут с большими зарядами. Совместные эксперименты показали полную идентичность вариаций потоков АКЛ вне и внутри магнитосферы и позволили точно определить заряд частиц АКЛ. Он действительно оказался близким к 1+. Это и послужило доказательством справедливости гипотезы Л. Фиска о происхождении АКЛ.
    Но, ведь есть ещё солнечные космических лучи, – энергичные частицы, ускоренные во время солнечных вспышек. Как они ведут себя в магнитном поле Земли?
    Энергия этих частиц, как правило, значительно меньше, чем частиц ГКЛ (см. рис. 13.3). Поэтому для них весьма проблематичным выглядит возможность достижения низких высот или атмосферы Земли. Лишь во время экстремальных солнечных событий энергия этих частиц приближается к галактическим. Именно во время таких событий спутники на низких орбитах могут зарегистрировать частицы солнечного происхождения. Однако, для этих частиц (как, впрочем, и для всех других) в магнитном поле Земли существует “дыра”, куда частицы могут проникать практически беспрепятственно. Это полярные области, так называемые северные и южные полярные шапки. Здесь магнитное поле ослаблено, и солнечные буревые частицы могут достичь границы атмосферы. Нетрудно сообразить, что в связи с этим явлением могут возникнуть проблемы с трансатлантическими авиалайнерами, залетающих на полярные широты. Потоки солнечных космических лучей достаточно большие, чтобы вызвать заметное увеличение доз радиации у экипажа и пассажиров этих самолётов. К этому вопросу мы вернёмся позже, а пока зададимся вопросом: насколько картина проникновения частиц космических лучей, нарисованная выше, стабильна во времени?
    Ведь наша магнитная броня находится под постоянным воздействием давления солнечного ветра, которое иногда может испытывать существенные пространственные деформации. Представьте себе столкновение ударной волны плазменного облака – СМЕ, летящего со скоростью 2000 км/с и несущего в себе мегатонны солнечного вещества, с магнитосферой Земли. Безусловно, магнитное поле на дневной, обращённой к Солнцу стороне, сплющится и очень сильно. Эксперименты показывают, что в такие моменты времени дневная граница магнитосферы, обычно находящаяся на расстоянии около 10 радиусов Земли, может приблизиться к Земле на расстояние до 3-х радиусов! На ночной стороне также произойдёт сильная деформация поля. Безусловно, для таких периодов времени расчеты проникновения космических лучей, выполненные для стационарных условий, когда солнечный ветер имеет скорость, близкую к 400 км/сек, становятся несостоятельными. Надо использовать модели возмущённой магнитосферы.

Рис. 13.8. Пространственная структура кольцевого тока – плазменного тора, сформированного во время магнитной бури. Такой плазменный тор создаёт понижение напряжённости магнитного поля Земли (нижняя панель)

Рис. 13.9. Изменение границ проникновения солнечных частиц: в условиях магнитной бури (возмущённая магнитосфера) границы смещаются к экватору

    Что такое возмущённая магнитосфера? Оказывается, это не только та деформация поля, которая вызывается набегающим на Землю потоком солнечной плазмы. Как правило, после этого вблизи Земли происходит грандиозное явление, называемое магнитной бурей. Рассмотрение этого очень интересного геофизического явления выходит за рамки этой книги. Здесь лишь отметим, что магнитная буря – глобальное искажение магнитного поля Земли - обусловлена генерацией электрических токов внутри самой магнитосферы через некоторое время (минуты-десятки минут) после первоначального толчка облака солнечной плазмы. Именно электрические токи, связанные с движением заряженных частиц плазмы внутри магнитосферной полости, вызывают искажение естественного магнитного поля Земли. Почему? Из физики известно, что ток, текущий по проводнику, генерирует вокруг себя магнитное поле (его называют индукционным). То же самое происходит и в магнитосфере. Индукционное поле создаётся токами и в области его локализации общее, суммарное магнитное поле, конечно, будет отличаться от естественного.
    Где в магнитосфере текут эти токи? Оказывается, наиболее мощный ток во время магнитных бурь формируется вблизи Земли, на расстоянии 3-х - 4-х радиусов от её поверхности. Это так называемый “кольцевой ток”. Он состоит как из частиц солнечной плазмы, так и и земной: ионосферной (рис. 13.8). Кольцевой ток во время бурь генерирует мощное индукционное поле в этой области и вызывает уменьшение, депрессию, общего магнитного поля Земли на низких и средних широтах. Это и есть магнитная буря.
    Но какое отношение магнитная буря имеет к космическим лучам? Самое непосредственное. Искажение магнитного поля, его ослабление на расстояниях менее 5-6 радиусов Земли (там, где расположен кольцевой ток) существенно меняет траектории космических лучей, проникающих в магнитосферу. Ранее упоминалось о заполнении высокоширотных областей солнечными энергичными частицами во время вспышек. Очень часто генерация частиц на Солнце (точнее, их приход к Земле) совпадает с магнитными бурями. Магнитное поле в эти моменты ослабевает и позволяет частицам проникать глубже в магнитосферу. Для “полярных” частиц это проявляется в виде смещения низкоширотной границы проникновения ближе к экватору: зона заполнения солнечными частицами полярных областей во время магнитных бурь становится более обширной, сдвигаясь к экватору (рис. 13.9).
    Такова, в основном, картина проникновения галактических и солнечных космических лучей в магнитное поле Земли. Безусловно, частицы космических лучей, достигшие верхних границ атмосферы, не исчезают бесследно в её недрах. Они оставляют “следы”. Причём, как мы теперь понимаем, очень значимые как для среды обитания человека, технологий, созданных человеком, так и для самого человека, как, впрочем, и любых других биологических структур на Земле…