Космические излучения

Виновниками превращения земного воздуха в космическую плазму являются «космические пришельцы» — солнечная радиация, излучение из космического пространства, сгорающие в атмосфере Земли метеориты. Они, эти «пришельцы», превращают воздух — изолятор — в плазму — проводник электрического тока. Проводник тока потому, что в плазме содержатся свободные, не связанные с тяжелыми атомами, электроны. Если в таком газе создать разность потенциалов, электрическое напряжение, то электроны придут в движение, а их движение это и есть электрический ток. Ионы, конечно, тоже будут двигаться под действием этого напряжения, но они в тысячи раз тяжелее и, следовательно, в тысячи раз неповоротливее, ленивее. Наличие свободных электронов придает ионосфере совершенно иные свойства по сравнению со свойствами воздуха, который окружает нас здесь, на Земле, наделяет ее могучей властью над радиоволнами.

Чтобы разбить нейтральные атомы на ионы и электроны, надо, естественно, затратить определенную энергию. Самой большой энергией ионизирующего излучения обладает солнечный свет. Солнце — мощный генератор электромагнитных колебаний. Видимый нами обычный солнечный свет — это электромагнитные колебания с определенной длиной волны. Солнечное тепло, ощущаемое нами,— тоже электромагнитные волны, но длина этих волн побольше, чем у света. В физике существует такой закон — чем меньше длина волны (а значит, чем больше частота колебаний), тем выше энергия излучения. Вся совокупность волн, излучаемых источником, называется спектром. Так вот, в спектре Солнца имеется, кроме тепла и света, очень энергичное коротковолновое излучение — рентгеновское и ультрафиолетовое. Встречая на своем пути молекулу газа, это излучение в состоянии разрушить ее, взорвать. Сначала молекула, как это имеет место у кислорода или азота, распадется на отдельные атомы, затем атомы, поглощая энергию ионизирующего излучения, становятся неустойчивыми или, как говорят, «возбужденными». Они перенасыщены внутренней энергией и готовы к распаду. И, наконец, впитав еще некоторую энергию или просто столкнувшись с соседом, они распадаются на ионы и электроны. Произошел процесс ионизации.

А дальше? Все частицы находятся в непрерывном движении, и может случиться так, что электрон и положительный ион окажутся рядом, а то и просто столкнутся (помните ли вы из курса физики, что разноименные заряды притягиваются?), и тогда блуждающий электрон займет место электрона, когда-то потерянного встречным ионом, и перед нами вновь нейтральная частица! В отличие от процесса ионизации или фотоионизации, такой процесс воссоединения противоположно заряженных частиц называют нейтрализацией или рекомбинацией.

Встретиться в толпе частиц могут и два иона — положительный (у него не хватает электронов) и отрицательный (у него имеются лишние электроны). Тогда произойдет вежливый обмен зарядами, и вместо двух ионов дальше полетят две нейтральные частицы. Существует и множество других вариантов «встреч и расставаний», но важно одно — если ионизирующее излучение не прекращается, то при определенных условиях может установиться своеобразное подвижное равновесие, баланс: сколько заряженных частиц каждую секунду будет появляться, столько же будет исчезать в результате нейтрализации. И тогда наблюдатель (если он умеет как-то фиксировать и считать электроны) заметит, что в   каком-то месте количество заряженных частиц не меняется во времени, остается постоянным. Если же источник ионизации «выключить», то через некоторое время заряженные частицы исчезнут, рекомбинируют. Время же это зависит от того, как часто частицы будут сталкиваться: в густой толпе (высокая плотность газа) — часто, в редкой толпе (разреженный газ) — редко; то есть в нижних (плотных) слоях атмосферы рекомбинация идет гораздо быстрее, чем в верхних.

Энергия ионизации поступает сверху, и по мере того, как ее приходится затрачивать на превращение воздуха в плазму, она уменьшается. Чем ближе к Земле, чем плотнее становится воздух, тем меньше эта энергия. Поэтому чем ближе к Земле, тем меньше становится доля заряженных частиц по отношению к частицам, оставшимся нейтральными. Казалось бы, поскольку далеко от Земли солнечное ионизирующее излучение ничем еще не ослаблено, здесь и должно быть самое большое количество электронов и ионов.

Однако надо учесть то обстоятельство, что в самых верхних слоях степень разрежения очень велика, самих частиц очень мало и солнечному излучению не за что «зацепиться», образовать много заряженных частиц нельзя, просто не из чего, так как исходного материала не хватает. Вот и получается — внизу много частиц, но не хватает энергии, а вверху много энергии, но не хватает частиц. Значит, максимум ионообразования где-то посредине, где воздух еще не столь разрежен и куда ионизирующее излучение доходит еще не слишком ослабленным.

Эксперимент показал, что так оно и есть — главный максимум ионизации в ионосфере находится на высоте 300—350 км и здесь концентрация свободных электронов (то есть количество электронов в 1 см3 воздуха) может достигать нескольких миллионов. И выше, и ниже этого главного максимума концентрация электронов плавно убывает: вниз — быстрее, вверх — медленнее.

Ясно, что на большом расстоянии (до 20 тыс. км) свойства атмосферы сильно изменяются. Поэтому ионосферу принято делить на несколько слоев, или областей. Каждый слой — это небольшой (по сравнению с главным) максимум в распределении электронной концентрации. Почему их несколько, как они образуются? Да потому что, во-первых, воздух состоит не из одного газа, а из смеси разных химических элементов. И чтобы ионизировать атом кислорода, нужно одно количество энергии, а атом азота — другое. Относительное количество разных газов с высотой тоже меняется. Во-вторых, как мы уже говорили, Солнце излучает энергию не на одной частоте, а дает целый спектр. Излучение разной частоты и поглощается в атмосфере по-разному: одно проникает только в самые верхние слои, другое же почти достигает нижней границы ионосферы. И, наконец, в-третьих, коротковолновое излучение Солнца — не единственный источник ионизации.

Кроме лучистой энергии, Солнце выбрасывает в пространство огромное количество материальных частиц, так называемых корпускул. Это, видимо, смесь электронов, протонов, ионизированных атомов различных элементов, входящих в состав раскаленной солнечной атмосферы.

«Обстрел» Земли солнечными корпускулами — дополнительный источник ионизации. Корпускулы летят с высокой скоростью: чем больше их скорость, тем больше они несут энергии. И когда такая «пуля» попадает в нейтральный атом нашей атмосферы, он «взрывается», распадаясь на ион и электрон.

Среди всевозможных излучений, пронизывающих атмосферу, есть и вестники далеких миров, идущие к нам поистине из глубин Вселенной. Это обладающая большой проникающей силой радиация внеземного происхождения — космические лучи. Чтобы изучить космические лучи и их роль в ионизации атмосферы, их способность проникать сквозь различные материалы, исследователи изобрели остроумнейшие приборы — детекторы и счетчики частиц, специальные камеры и ловушки. Ученые поднимали эти приборы на аэростатах и самолетах, опускали в глубокие ледниковые трещины, пещеры и шахты, погружали в глубины океанов. И сейчас это во многом еще загадочное излучение исследуется с помощью геофизических ракет, искусственных спутников Земли, ракет-зондов, уходящих к Марсу, Венере, Юпитеру.

Выяснено, что первичные космические лучи представляют собой поток атомных ядер различных элементов: около 83% ядер самого легкого элемента — водорода, то есть протонов, около 16% ядер гелия и только около 1 % ядер других, более тяжелых, элементов — азота, кислорода, углерода и даже некоторых металлов. Число таких первичных частиц невелико — на 1 см поверхности приходятся в среднем только одна-две частицы в секунду.

Зато скорость этих частиц (а значит, и энергия) фантастически велика, близка к скорости света, которая в вакууме составляет 300 тыс. км/с! Огромное расстояние от Земли до Солнца (150 млн. км) такие частицы способны преодолеть всего за 10 минут!

Когда такие «снаряды» проникают в многокилометровую толщу земной атмосферы, они дробят ядра атмосферных газов,  передают им свою энергию и при этом разрушаются сами. В результате таких атомных взрывов возникают новые элементарные частицы, которые разлетаются во все стороны с большими скоростями и, в свою очередь, становятся причиной подобных же взрывов. Одна единственная первичная частица с большой энергией способна вызвать целый «ливень» протонов, нейтронов, электронов, позитронов, мезонов и других видов элементарных частиц. Многие из них долетают до поверхности, а некоторые даже проникают в Землю. Отрывая от нейтральных атомов электроны, космические лучи увеличивают общую ионизацию атмосферы. Конечно, поскольку, согласно измерениям, число первичных частиц, попадающих в атмосферу Земли, невелико, то и суммарная энергия, которую они несут, тоже невелика, несмотря на колоссальную энергию отдельных частиц. Расчеты показывают, что их ионизирующая способность в миллионы раз меньше той, которой обладает ультрафиолетовое излучение Солнца. И все же в образовании самых нижних слоев ионосферы, куда солнечное ионизирующее излучение проникает с трудом, космические лучи играют важную роль.

Ну, а видели вы когда-нибудь «падающие звезды»! В звездную безлунную ночь вспыхивает яркая точка, прочерчивает по небосводу огненную прямую и бесследно исчезает. Это, разумеется, не звезды падают — просто в нашу атмосферу из межпланетного пространства влетают так называемые метеорные тела, или просто метеоры. Они имеют различные размеры и массу, но большинство их составляют очень мелкие частицы диаметром в доли миллиметра и массой в сотые доли грамма. Как и все тела в Солнечной системе, метеоры вращаются по замкнутым орбитам вокруг Солнца. Скорость каждого из них относительно Земли зависит от направления их полета — ведь сама Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Если метеор «догоняет» Землю, его относительная скорость меньше, если же летит ей навстречу, то его скорость и скорость Земли как бы складываются. Десятки миллиардов метеоров влетают за сутки в атмосферу, причем скорость их составляет от 12 до 72 км/с (то есть летят они быстрее пули). В атмосфере метеоры, проникая во все более плотные слои воздуха, раскаляются и испаряются.

Атомы испаряющегося метеорного тела (в состав его могут входить многие элементы, чаще всего металлы) сталкиваются с атомами атмосферных газов и вызывают свечение. Именно это свечение мы и видим как вспышку и огненный след. Обычно метеоры сгорают на высотах от 80 до 120 км — эту область атмосферы часто даже называют метеорной зоной. Метеоры сгорают не только ночью, но и днем, просто при ярком солнечном свете мы их не видим. Полет метеора сопровождается не только свечением. Атомы испаряющегося метеора и частицы окружающего воздуха ионизируются. Промчавшийся метеор оставляет за собой длинную и узкую «колонну» ионизированного газа. Например, пылинка массой в десятитысячную долю грамма способна создать на пути в 1 см около 100 млрд. свободных электронов. Сильные ветры, господствующие в метеорной зоне, быстро «растаскивают» эту область повышенной ионизации, интенсивно идет также процесс рекомбинации, и потому метеорные следы существуют лишь доли секунды. Однако, поскольку метеоров много, некоторый вклад в образование ионосферных слоев они все же делают.


Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: