Ғарыштық сәулеленуінің жоғарғы атмосфера күйіне әсері

Пән: Астрономия
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

РЕФЕРАТ

ҒАРЫШТЫҚ СӘУЛЕЛЕНУІНІҢ ЖОҒАРҒЫ АТМОСФЕРА КҮЙІНЕ ӘСЕРІ

1. Мәселенiң түбегейлі қойылымы

Атмосфераның жоғарғы қабаттарындағы бөлшектердiң күшкiн түрiнде көбеюi нәтижесiнде сарқылмас (каскадный) ядролық нөсер қалыптасады. Бөлшектердiң энергиясы бiрнеше ондық МэВ-қа дейiн кемiгенде атмосферада ядролық нөсер өшедi. Қалған энергияны протондар ауаны иондауға жұмсайды; ядролар нейтрондарды жұту арқасында әртүрлi ядролық реакциялар жүредi, ал нөсерлi бөлшектердiң негiзгi бөлiгiн құрайтын пиондар ыдырап кетедi. Көп мөлшерде қалыптасатын фотондар мен электрондар атмосферада тез жұтылады.

Әр нейтрал пион өте тез жоғары энергиялы 2 фотонға айналады. Пиондар ашылмас бұрын Ғарыштық сәулелердiң сәулеленуi кезiнде 1935ж. К. Андерсон ашқан жаңа бөлшектер - и - мезондар, немесе мюондар зарядталған пиондардың ыдырау нәтижесiнде қалыптасады. Мюонның массасы электрон массасынан 207 есе көп, яғни пион массасынан ¾-iн құрайды. Оң және терiс зарядталған 2 түрлi мюон бар; олар u+ ж„не u- деп белгiленедi. мезонда ыдырағанда u+-мезондар, ал мезондар ыдырағанда u-мезондар қалыптасады. [1] .

Пионнан айырмашылығы - мюондар ядролық өзара әсерлесулерге қатыспай энергияны тек иондауға жұмсайды екен. Сондықтан олардың жоғары өтiмдiлiк қабiлеттерi бар және де Ғарыштық сәулеленудiң қатаң компонетасын құрайды. Мюондар атмосферадан ұшып өтедi, фотондар мен аса маңызы жоқ нөсерлi бөлшектер саны құрайды. Алғашқы Ғарыштық сәулеленуден ерекше жоғары энергиялы (10^7МэВ астам) бөлек бөлшектер ғана атмосферадан өтедi.

Ғарыштық сәулелерде мюондар пиондар сияқты жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен (ұшады) қозғалады, сондықтан уақыттың релятивистiк баяулауы есебiнен өздерiнiң ыдырауынан бұрын үлкен қашықтыққа ұшып үлгередi.

Магнитосфера мен ионосфера арасындағы өзара әсерлесу 2 жолмен өтедi, бiреуiн энергиялы бөлшектердiң күшпен енуiне байланысты корпускулалық деп, ал екiншiсiн - электр өрiстерi мен көлденең токтарды тасымалдауға байланысты толқындық деп атауға болады. Алдымен бiрiншiсiн қарастырайық.

Геомагниттiк өрiстiң күш сызығында қарпылған кейбiр протондар мен электрондардың атмосферада 100км астам биiктiкте айналық нүктелерi болады. Атмосфераға енетiн бөлшектер, атмосфераның атомдары және молекулаларымен соқтығысып, энергиясын нейтрал атомдар мен молекулаларға бередi (Энергиялы зарядталған бөлшектердiң L-ң жоғары мәнiмен (мысалы, L>5) сипатталатын аумақта) магнитосфераның энергиялы зарядталған бөлшектердiң L-ң жоғары мәнiмен (мысалы, L>5) сипатталатын аумақта негiзгi ағыс болып атмосфера саналады.

Басып кiру кезiнде зарядталған бөлшектер атмосфераның атомдары мен молекулаларының бiрқатар серпiмдi және серпiмсiз соқтығыстарымен сыналады. Олар энергиясын бiртiндеп жұмсайды: а) ауаның нейтрал бөлшектерiн иондау мен қоздыруға және б) кулондық өрiсте атомдық ядроларды үдеткендей (рентген сәулеленуiнiң тежелуi) сәулелену энергиясына. Төмен энергиялы бөлшектер үшiн (яғни электрондар энергиясы <1МэВ болатын) энергияны жоғалтудың екiншi құбылысы жоқ, бiрақ энергиялы бөлшектердi жанама зерттеу үшiн бұл құбылыста тудырылатын рентген сәулелерiн қолдануға болатындықтан оның әсерi өте маңызды. [1] .

Құбылыстың иондалу емн жоғарғы атмосферада қозу салдарын жоғарғы атмосфераның диэлектрлiк тұрақтысының және бұл аумақтардан оптикалық сәулеленудiң өзгерiсiмен зерттеуге болады. Бүкiл магнитосферада сақталған барлық энергиялық электрондардың жалпы энергиясынан асатын қозу үшiн энергия қажет ететiн оптикалық полярлы жарқыраулар бақыланады. Басқасынан бөлек атмосфераның әсерлiлiгi энергиялық бөлшектер үшiн ағыс сияқты болатындығын дәлелдейдi.

Жоғарғы атмосферадағы бөлшектердiң әртүрлi құбылыстарда соқтығу әсерiн зерттеу үшiн жоғарғы атмосферадағы бөлшектер энергиясының диссипациясының пайда болуын бiлу керек. Одан басқа жоғарғы атмосферада иондау бөлшектерiнен болатын жүйелi емес морфологияның толық жете әсерi бөлшек ағынының уақытша вариациясын жақсы түсiнуге қабiлеттiлiк жасайды.

Әртүрлi энергиялы протондар электрондардың келтiрiлген ену тереңдiгi 4-сур. көрсетiлген, бөлшектердiң төгiлуi статистикалық процесс болғандықтан, шындығында ену тереңдiгi барлық бөлшектер үшiн бiрдей бастапқы шарттармен тұрақты емес. 4-суретте келтiрiлген мәндердi серпiмсiз соқтығыс кезiнде бөлшектер атмосфераға вертикаль түрде өтедi деген болжаумен энергияның көп бөлiгi жұтылғандағы орташа биiктiктер деп қарастыру керек.

Ену тереңдiгi маңызды дәрежеде энергияға тәуелдi болғандықтан, бөлшектiң энергетикалық спектрiнiң түрлi аудандары атмосфераның түрлi қабаттарына ықпалын тигiзедi. Энергиясы 10кэВ пен 200кэВ астам электрондар мен протондар ғана сәйкесiнше 100км-ден төмен өтiп D аумағын иондауы мүмкiн, ал F аумағы энергиясы жүздеген эВ бөлшектер арқылы иондалады.

Ендiктiң үлкеюiмен электрондар мен протондардың энергетикалық спектрi жұмсарады. Сондықтан орташа ендiктерге қарағанда, полярлық аумақтарда үлкен бойлықта иондауға басып кiретiн бөлшектердiң кiрiсi орынды. Орташа ендiктерде бөлшектердiң шашырауы тек D аумаққа әсер ететiн болу керек. Полярлы шұғыла зонасында кейбiр дәрежеге дейiн D және F аудандарының иондалуы бөлшектермен көтермелегенде, қалыпты жағдайда поляр төбедегi басып кiретiн бөлшектер ионосфераның тек жоғарғы бөлiгiн иондайды. Спорадикалы иондалу, әсiресе полярлы аумақтарда, күннен пайда болған жоғары энергиялы протондардың кей уақытта D аумағының төменгi бөлiгiнде иондалудың маңызды күштiлiгiн болдырумен бұл суреттi өзгерте алады.

1 сурет. Бөлшектердің Жер атмосферасына вертикаль бағытпен кіргендегі ену тереңдіктері

2. Электрондар

Энергияның шығындары және шашырау. Ауа молекулаларымен серпiмсiз соқтығысу нәтижесiнде жоғарғы атмосфераға өтетiн жігерлі электрон бiртiндеп өзiнiң W энергиясын жоғалтады. Жігерлі электрондар үшiн (яғни W>500эВ) 1 серпiмсiз соқтығыстың орташа жоғалту энергиясы 90 эВ жуық. Бұл энергия тағы 2 атомды иондау үшiн жеткiлiктi жоғары энергиямен бастапқы атомнан ыршып шығатын байланысқан электронға берiледi.

Жоғарғы атмосферада орта атомдық нөмiр 7, 3 тең болғанда оттегi мен азот молекулаларының қатынасы 3:7 құрайды. Одан басқа, 2 атомды молекуланың шашырауының қимасы 1 атомның қимасынан екi есе көп („р уақытта дұрыс болмайды) деп болжайды. [2] . Ауадағы энергияны жоғалту жылдамдығы 1-суретте көрсетiлген. Осы мәлiметтер бойынша берiлген W энергиямен электронның қалдықтың жүрiп өтуiн төмендегi формуламен анықтау орынды деуге болады

. (1)

2 сурет. Ауадағы электрондар энергияларының сипаттауыш шығындары.

Егер серпiмдi соқтығудан болған электронның траекториясының ауытқулары мәнсiз болса, (1) формуладан толық өту тереңдiгiн анықтау оңай. Бiрақ электронның траекториясының түзу сызықтан қатты өзгешелiгi бар, сондықтан жалпы жағдайда бұл есептi шығару аналитика жағынан өте қиын, тек бiрнеше сандық шығарылуда электрондардың күрделi қозғалысының әсерлерi толық ескерiлген.

Электронның траекториясының ауытқулары негiзiнен атмосфера атомдарымен серпiмдi соқтығысумен шартталған (яғни кулондық шашыраумен) . Серпiмдi және серпiмсiз соқтығулардың қимасы бiрнеше кэВ астам энергияларға дейiн жеткiлiктi мәлiм. Онда электрон жоғалту энергиясы 1кэВ-қа жетпей жуықтап алғанда 100 серпiмдi соқтығысудан өтуi тиiс. Егер әр серпiмдi соқтығуда орташа шашырау бұрышы аз болғанмен бастапқы энергиясы 50кэВ жуық болса да, өз қозғалысының алғашқы бағытын тоқтамас бұрын “ұмытады”. Барлық есептеулер атмосфераның горизонталь стратификациясы мен геомагнит өрiстердiң күш сызықтарының вертикаль орналасу (жоғарғы ендiктердi жеткiлiктi жақсы орындалатын) болжамдарына негiзделген.

Бiрiншi электронның траекториясын анықтайды. а) келесi серпiмдi немесе серпiмсiз соқтығысуға дейiн өтетiн - шашырауды және б) соқтығудан кейiнгi қозғалыс бағытын беретiн 3 еркін параметрдi таңдайды.

а) Алғашқы электрон өз энергиясы түгел жұмсамайынша немесе б) электрон атмосферадан альбедо электроны сияқты кетпейiнше құбылыс жалғаса бередi. Статистика бойынша сенiмдi нәтиже алу үшiн алғашқы электрондардың жеткiлiктi көп санын, 1 астам, қарастыру қажет.

Энергиялы электрондардың атмосферамен қайта шашырауы. Альбедо электрондары жоғарғы атмосфераның иондалуына елеулi кiрiс әкелмейдi, сондықтан атмосфера бетiндегi бөлшектер ағыны мен ионосфералық құбылыстарды мөлшерлi салыстыру үшiн басып кiретiн электрондардың қай бөлiгi атмосферамен шағылатынын бiлген дұрыс. Шағылу коэффициентi энергияға елеулi тәуелдi емес [3] . Дегенмен альбедо электрондары үшiн энергияның орташа жоғалуы алғашқы numr-бұрыштары 30 және 80 ⁰ электрондар үшiн атмосфераға кiру бұрышы 30-дан 10% дейiн өзгерiсiмен сәйкес елеулi өзгередi.

Жоғарғы энергиялы атмосферада жұтылуы. Атмосфералық шашыраудың моноэнергетикалық электрондар шоғына әсерi 2-суретте келтiрiлегн. Мұнда атмосфераға 55 ⁰ бұрышпен кiретiн энергиясы 50кэВ алғашқыда бiрдей бағытқа ие электрондар шоғының вертикаль әлсiздiгi көрсетiлген.

Электрондар өз энергиясын жұмсап үлгергенше 80 км биiктiкке өтедi, бiрақ 150 км биiктiкте шоқ маңызды бұрыштық кеңеюге тап болады. Электрондар энергиясы байқалатын 100 км биiктiкте шоқтың кеңеюi айқын көрiнеді. Төменгі энергиялы электрондар бұрыштар бойынша өте кең таралғанда, 90 км биiктiктегi “жұтылмаған” электрондарды тек вертикальға жақын бағытта бақылауға мүмкiндiк бар. Осы әдiстiң негiзiнде атмосферада шашырап, жұтылған электрондардың моноэнергетикалық шоғы мен бастапқыда параллель энергетикалық спектрiнiң күрделi питч-бұрыштық және бойлық таралуы бар деп қорытындылаған жөн. Электрондардың изотропты ағындары тек ең аз энергияларда ғана траектория соңында, яғни 80 мен 85 км арасында берiлген әдiсте электрондарды қолдануға бақыланады. 6 суретте көрсетiлген тиянақты талдау мәлiметтерiнен альбедо электрондары ағындарында (100 км астам биiктiкте) аса маңызды емес бойлық вариацияларды көруге болады. Траекторияның соңында орынды болатын шашырау, электронды қайта Ғарыштық кеңiстiкке қайтаруға мәжбүр етедi.

3 сурет. Төмендегі энергия аралықтарындағы шашыратылған электрондардың бұрыштық үлестірілуі (W ₀ =50 кэВ, кіру бұрышы 55 ⁰ ) :

а) 44 - 54 кэВ, б) 36 - 44 кэВ, в) 30 - 36 кэВ, г) 17 - 30 кэВ

Алғашқы электрондардың кейбiр энергиялары үшiн энергия жоғалтуының бойлық қырын және олардың атмосфераға кiреберiсiндегi бiрнеше бұрыштарды келтiрумен шектелемiз.

Түсу бұрышынан энергиялары 6 және 50кэВ болатын электрондардың энергия жоғалтуының бойлық қырларынық тәуелдiлiгi сәйкесiнше 7 мен 8 суретте берiлген. Үлкен бұрыштық төбелер астында атмосфераға кiретiн электрондар арқылы пайда болатын максимумнан 100-1000 есе көп атмосферадан вертикаль бағытта өтетiн электрондар иондалу максимумын тудырады. Төбе бұрышының секансына пропорционал болатын горизонталь ауданмен таралатын үлкен төбе бұрышы бойынша қозғалған жылдам электронның энергиясы төбе бұрышына тәуелдiлiкпен түсiндiрiледi. Дегенмен питч-бұрыштардан тәуелдiлiкте альбедо электрондары ағынының вариациялары маңыздырақ.

4 сурет. Q түсу бұрышы және W _о =6 кэВ энергиялы электрондардың энергия шығындарының жылдамдықтары

5 сурет. W _о =50 кэВ энергиялы электрондардың энергия шығындарының жылдамдықтары

60 ⁰ төбе бұрышымен атмосфераға кiретiн электрондар үлкен бойлықтарда иондалудың қалыптасуына өте әсерлi. Күн сәулеленуiнен қалыптасқан ионосфера қабатында бақыланатын ұқсас вариациялардан айырмашылығы электрондардың бастапқы питч-бұрышынан максимум тәуелдiлiгiнiң жоқтығы кей дәрежеде күтпеген жағдай болып есептеледi. Максимум тұрақтылығы болып көрiнетiн себеп: а) жұтылмас бұрын бастапқы қозғалыс бағытынан энергиялы электрондар қатты ауытқуы серпiмдi және серпiмсiз соқтығысулардың қималарының кiшкене қатынасының салдарынан және б) нейтрал атмосфераның тығыздығының үлкен градиентi есебiнен максимум бойлығында елеулi мүмкiн емес өзгешелiктердi табу қиынға түсуде.

3. Протондар

Энергиялы протондардың басып кiруi атмосфераның жоғарғы қабаттарында қозу мен иондалуды туғызады, негiзгi электрондардың басып кiруiне ұқсас. Дегенмен, массасы үлкен болса да, атмосфера атомдарымен соқтығу кезiнде елеулi ауытқулар байқалмайды. Сөйтiп, бiрiншi жақындатуда протон жылдамдығы бiртiндеп азайып, шашырайтын ортада магнит өрiсiнiң жергiлiктi векторы мен протонның жылдамдық векторы арасындағы бұрыш тұрақты болып қалады.

Қайта зарядтау процесi болмағанда, протон энергиясының диссипациясын есептеу мәселесi бос сөз болып кететiн едi. [4] . Атмосфераның сыртқы аумағына өту мөлшерiмен протондар атомдардан байланысқан электрондарды ұрып шығарады. Сутегi мен оттегiнiң қайта зарядталу қимасының әсерлiлiгi бiдей-ақ, бiрақ оттегi мөлшерi сутегi мөлшерiнен бiрнеше ретке көп болғандықтан, екiншiсi маңыздырақ.

Қайта зарядтау процесiнiң негiзгi әсерi басып кiретiн протондар үлкен горизонталь аудандар бойынша таралуында қорытындылады. Нейтрал атом өрiс әсерлерiне ұшырамай үлкен қашықтыққа қозғала алғанда, сутегiнiң иондалған атомы магнит өрiсiмен бағытталады. Қайта зарядталу құбылысының маңыздылығы энергиясы сол протонның еркiн жүру жолының ұзындығымен салыстырғанда 5-20 есе өсетiн 150-500 км дейiн бойлықтарда энергиясы 5 кэВ қайта зарядтауға дейiнгi бейтарап сутегiнiң орташа жүру жолының ұзындығымен күшейедi. Сутегi атомы бейтарап күйде көп уақыт тұрады. Протонның бастапқы жiңiшке шоғы ендiктердiң үлкен интервалы бойынша қайта зарядтау құбылысы салдарынан “жағылып” кетуi мүмкiн.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.