Космическое излучение
Космическое излучение (космические лучи) — ионизирующие потоки частиц или электромагнитные волны космического происхождения и разных энергий, не воспринимаемые органами чувств человека, хотя и воздействующие на живое вещество клеток. Эти потоки движутся в мировом пространстве от источников излучения, звезд и галактик, достигая околоземного космического пространства, области магнитосферы Земли, а иногда и земной поверхности.
Доступные таким образом астрофизическому изучению лучи служат, наравне с видимым светом, носителями обширной информации о физических процессах в Солнечной системе и далеком космосе, а также об общих свойствах материи в бесконечном пространстве-времени Вселенной.
Существование космических лучей впервые было предположено австрийским физиком В. Гессом в 1913 г. Этим явлением ученый пытался объяснить феномен электропроводности воздуха. В результате своих экспериментов Гесс доказал приход на Землю из космоса проникающего излучения, которое ионизирует молекулы воздуха, вызывая явление электропроводности.
Выводы австрийского физика подтвердил советский ученый Д.В. Скобельцын в 1927, во время опытов с камерой Вильсона. В магнитном поле камеры были зарегистрированы следы заряженных частиц с высокой энергией, около нескольких миллиардов эВ. Такие частицы обладают большой скоростью и вызывают странное поведение вещества при взаимодействии с ними.
Благодаря дальнейшим работам в этом направлении — поиску с камерой Вильсона — американцем К. Андерсоном были открыты частицы, составляющие космические лучи. В 1932 американский физик открыл позитрон, а спустя 4 года мюон. В 1947 англичанин С. Пауэлл обнаружил пион, являющийся прародителем мюона. В дальнейшем последовали открытия гиперонов и мезонов.
Благодаря космическим исследованиям ядерная физика обогатилась новыми представлениями о свойствах материи, что позволило после исследований 1953 года создать теорию слабых взаимодействий, прежде находившуюся в зачаточном состоянии (теория Ферми). Дальнейшие исследования позволили выяснить закономерности сильных взаимодействий. За 1940-50-е гг. исследования астрофизиков выявили строение спектра космических излучений и происхождение большинства частиц.
Энергия потока в целом составляет от 0,000 01 до 100 квинтиллионов эВ. Слагающие поток частицы относятся к т.н. галактическому космическому излучению (ГКИ), представленное ядрами гелия и протонами — ядрами водорода. ГКИ полностью поглощается свинцовым экраном 15-метровой толщины. Проникающая способность этого излучения уступает лишь нейтрино. Губительное ГКИ значительно ослабляется магнитосферой Солнечной системы — суммарным магнитным полем планет и Солнца, а также солнечным ветром. Атмосфера и собственная магнитосфера нашей планеты оберегает биосферу от интенсивного воздействия космических лучей: часть их не достигает поверхности. Попадая в атмосферу, поредевшие космические лучи испытывают ядерные превращения, названные каскадным процессом. Сам каскад принято называть вторичным излучением (первичным было собственно ГКИ из протонов и гелия).
Первой стадией каскада является ядерно-активная: частицы представлены протонами, нейтронами и пионами. На второй, проникающей стадии, излучение состоит из мюонов. На третьей стадии частицы лучей — это электроны и гамма-фотоны. Спектр вторичного излучения состоит из всех трех каскадов в разном соотношении. Эти каскады обрушиваются на Землю в виде т.н. атмосферного ливня.
В астрофизике одинаково важны все типы излучений, но наиболее легко регистрируются и наиболее информативны при исследовании Солнечной системы альфа-, бета- и гамма-лучи. Альфа-лучами называются потоки положительно заряженных ядер гелия-4, очень устойчивых частиц из разряда ГКИ. Бета-лучами называется рентгеновское излучение, состоящее из электронов, отрицательно заряженных частиц. Гамма-лучи сложены гамма-фотонами (гамма-частицами), обладающими высокой частотой и большой энергией. Это незаряженные частицы.
Альфа-, бета- и гамма-лучи исходят обычно от каждого мощного источника космического излучения или радиоактивного вещества, но в разных соотношениях. Энергия может расходоваться на какой-то один тип лучей преимущественно. В магнитном поле альфа- и бета-лучи отклоняются к полюсам, тогда как высокопроникающие гамма-фотоны не отклоняются, будучи нейтральными.
ГКИ порождается внутри нашей Галактики взрывами сверхновых звезд, а также некоторыми другими источниками. Близко по природе к ГКИ солнечное космическое излучение (СКИ), которое представляет собой высокоэнергетическую корпускулярную составляющую солнечного ветра. СКИ порождается вспышками в солнечной хромосфере, которые являются крупномасштабными взрывами плазменного вещества. За этими взрывами неизменно следуют такие разрушительные процессы, как выбросы в виде протуберанцев, магнитные бури и прочие.
СКИ нередко возникают в результате обычной солнечной активности, но тогда плотность потока и энергия частиц невелики и уравновешиваются ГКИ. При вспышках плотность излучения многократно возрастает, в тысячи раз превосходит ГКИ. Солнечное излучение состоит из разных частиц, включая нейтрино и электроны, но преобладают в нем протоны и альфа-частицы. СКИ почти целиком тормозится земными магнитосферой и атмосферой.
Солнце излучает, кроме прочего, как и многие другие звезды, инфракрасные и ультрафиолетовые электромагнитные волны и радиоволны.
Происходящие от разных источников инфракрасные, ультрафиолетовые, гамма-, рентгеновские лучи и радиоволны наравне с видимым светом составляют спектр электромагнитного излучения, в котором занимают определенное положение в зависимости от частоты и длины волны. Астрофизика Солнечной системы опирается на все эти излучения, порожденные Солнцем и отражаемые планетами, а также на собственные излучения планет (радио- и инфракрасное).
Немногим менее 50% солнечного излучения приходится на инфракрасную часть спектра. Это излучение характерно для любого тела с температурой в пределах от 250 °С до 5000 °С, поэтому собственным инфракрасным излучением обладают и планеты.
Рентгеновское и гамма-излучение порождаются процессами, высокими энергиями и большими температурами. Поэтому в нашей системе единственным источником этих лучей является Солнце, где подобные лучи рождаются в результате взаимодействия электронов с протонами (тормозное излучение) или с фотонами (так называемый обратный комптон-эффект). Примерно то же можно сказать про ультрафиолет, который излучается единственно Солнцем.
Излучение планет возникает за счет выделения тепла недрами, а также отражения солнечного теплового инфракрасного и радиоизлучения поверхностью планеты и верхним облачным слоем планетной атмосферы. Поскольку нагретость планет весьма мала, то сами они излучают преимущественно инфракрасные лучи и немного радиоволны, т.е. то же, что и отражают из солнечного спектра.
Относительно активно отражаются атмосферами планет ультрафиолетовые лучи, которые отчетливо высвечивают строение облачного покрова и воздушные течения. Рентгеновские лучи не достигают поверхности планет и не отражаются, поскольку захватываются магнитным полем, формируя радиационные пояса, или обтекают планеты с потоком солнечного ветра. То же можно сказать о ядрах водорода СКИ и ГКИ. Немногие из протонов и электронов, попадающие в атмосферу, полностью поглощаются ей и испытывают ядерные превращения (протоны).
Излучение космическое в биологии
Космическое излучение (космические лучи) способно вследствие ионизации молекул нарушать обменные процессы в протоплазме и даже разрушать белковые связи. Оно представляет опасность для космонавтов, а потому подлежит изучению радиобиологами. Протоны СКИ наиболее опасны, поскольку обладают большой энергией. Она в среднем составляет 100 МэВ, как показывают замеры потока нескольких последних 11-летних циклов солнечной активности, сопровождавшихся более чем 100 вспышками.
Также к космическим излучениям причисляют радиационные пояса Земли (РПЗ), состоящие из захваченных магнитосферой заряженных частиц, в первую очередь протонов. Пояса представляют собой области повышенного ионизирующего излучения на некоторой высоте над земной поверхностью.
