История и задачи широтных измерений.

История и задачи широтных измерений.
Сразу же после открытия в 1912 году космических лучей встал вопрос об их
составе и, по сути, вопрос о природе космических лучей. Первые исследователи
космических частиц полагали, что это гамма-излучение – нейтральные фотоны, падающие
на атмосферу из космоса. Эта гипотеза преобладала среди многих учёных довольно
продолжительное время. Однако, исследование каскадов вторичных частиц,
наблюдающихся в атмосфере, не подтвердили эту гипотезу. Первыми, предположившими
в 1929 году, что космические лучи - это поток заряжённых частиц, были В.Боте и
В.Кольхёрстер. Они проделали ряд опытов с детекторами радиоактивных излучений на
земле и обнаружили, что частицы, регистрирующиеся их прибором, обладают большей
проникающей способностью и не могут быть рождёнными при взаимодействии фотонов
со стенками детекторов. Следовательно, если космические лучи – это заряженные
частицы, то в геомагнитном поле должен наблюдаться широтный эффект. Это наблюдал
голландский физик Дж. Клей в 1927 году. Путешествуя от Лейдена до Суэцкого канала,
он обнаружил уменьшение интенсивности космического излучения. Сегодня мы знаем,
что изменение жесткости геомагнитного обрезание было примерно с 2 GV до 10 GV. Это
было первым указанием на существование широтного эффекта космических лучей –
изменения их интенсивности в зависимости от широты: на экватор, вследствие
дипольного характера магнитного поля Земли проникает гораздо меньше частиц, чем на
высокие широты. Однако, Р.Милликен в 1928 году не обнаружив заметного эффекта
изменения интенсивности частиц между Боливией и Пасаденой в Калифорнии (изменение
жесткости геомагнитного обрезание примерно с 12 GV до 7 GV и пересекая экватор),
продолжая настаивать на фотонной гипотезе происхождения космических лучей. Именно
Р. Милликен в 1928 году ввел термин космические лучи. Но организованные в 1932 г.
многочисленные эксперименты А. Комптона дали убедительные аргументы все же в
пользу гипотезы, что в состав космических лучей входят заряженные частицы и, тем
самым, полностью подтвердив открытый Дж Клейем в 1927 году широтный эффект.
Позднее, в 1936-38 годах, С. Вернов осуществил измерения широтного эффекта
(http://nuclphys.sinp.msu.ru/pilgrims/cr04.htm) космических лучей, проведя стратосферные
эксперименты на шарах-зондах в Индийском океане на теплоходе “Серго”. Он подтвердил
результаты, полученные А.Комптоном по исследованию широтного эффекта и вывода о
том, что космические частицы заряжены. Оказалось, что на экваторе поток космических
лучей в 4 раза был меньше потока, наблюдавшегося на высоких широтах. Все эти
исследования отражали ядерно-физический аспект космических лучей, т.е. состав,
энергии частиц, химический состав. С тоски зрения космофизического аспекта, который
нас сейчас интересует, широтные измерения несут и совсем другого рода информацию.
Действительно, скорость счета космических лучей в пункте с жесткостью геомагнитного
обрезания Rc можно записать как
N ( Rc , h0 ) =
∞
∫ m( R, h ) ⋅ J ( R)dR ,
0
(1)
Rc
где J (R ) жесткостной спектр космического излучения за пределами атмосферы и
магнитосферы, m( R, h0 ) - интегральная кратность, т.е. число вторичных частиц всех
энергий, которые образуются от одной первичной частицы с жесткостью R в результате
ядерного каскада в атмосфере. Варьируя выражение (1) по жесткости геомагнитного
обрезания Rc получим
δ N ( Rc , h0 ) = − δ Rc m( Rc , h0 ) J ( Rc ) ,
(2)
Разделив (2) на N ( Rc , h0 ) , получим для относительного изменения наблюдаемой скорости
счета
δ N ( Rc , h0 )
= − W ( Rc , h0 )δ Rc ,
N ( Rc , h0 )
(3)
где
m( R, h0 ) J ( R)
(4)
N ( Rc , h0 )
функция связи, которая связывает в данном случае вариации жесткости геомагнитного
обрезания и наблюдаемые вариации.
Если мы в выражение (4) заменим произведение m( R, h0 ) J ( R ) из (2), то получим
δ N ( Rc , h )
1
W ( Rc , h0 ) = −
⋅
,
(5)
N ( Rc , h0 )
δ Rc
Правая часть (5) имеет простой смысл и выражает по существу геомагнитный эффект в
данной точке для данной компоненты и поэтому может быть найдена по результатам
широтных измерений. Так удается найти функции связи, исходя только из эмпирических
данных о геомагнитных эффектах разных компонент, т.е. экспериментально по данным
широтных измерений.
W ( R, h0 ) =