Ниже примерно 60 км доминирующая роль принадлежит космическим лучам. Ближе к поверхности Земли вклад в ионизацию дают естественная и искусственная радиоактивность, процессы в электрических разрядах, горение, трение и т.д. Таким образом, галактические космические лучи являются основным источником ионов в нижней мезосфере, стратосфере и тропосфере.
Под космическими лучами понимают поток элементарных частиц высоких энергий (преимущественно протонов – до 90% состава), приходящих на Землю приблизительно изотропно со всех направлений космического пространства [24]. К космическим лучам относят также вторичное излучение, рожденное в результате взаимодействия первичного излучения космической природы с ядрами атомов воздуха. Во вторичном излучении встречаются практически все элементарные частицы.
В первичных космических лучах различают высокоэнергетичные (до 1021 эВ) галактические космические лучи, приходящие к Земле извне солнечной системы, и солнечные космические лучи умеренных энергий (< 1010 эВ), испускаемые Солнцем.
Весьма занимательна история открытия космических лучей. Их существование было установлено в 1912 г. австрийским физиком В.Ф. Гессом (Hess, 1883-1964, лауреат Нобелевской премии 1936 г.), изучавшим электрическую проводимость воздуха. Оказалось, что проводимость по мере увеличения высоты над поверхностью Земли вначале уменьшается приблизительно до высоты 1 000 м, а затем начинает быстро расти. Падение проводимости объясняется уменьшением по мере удаления от поверхности Земли интенсивности ионизирующих излучений, являющихся продуктом естественной радиоактивности почвы. Дальнейшее возрастание проводимости с высотой, очевидно, обязано внеземному источнику ионизирующих излучений, интенсивность которых растет по мере уменьшения проходимой ими толщи атмосферы.
Плотность потока галактических космических лучей у поверхности Земли равна приблизительно 1 частице на 1 см2 в секунду. Помимо протонов, космические лучи содержат до 7% альфа-частиц, около 1% электронов, а также ядра более тяжелых элементов (в сумме около 1%).
Проникая в солнечную систему, галактические космические лучи взаимодействуют с межпланетным магнитным полем, формируемым намагниченной плазмой, движущейся в радиальном направлении от Солнца - солнечным ветром. Влияние этого поля сказывается на частицах космических лучей сравнительно малых энергий, однако и этого достаточно, чтобы галактическое космическое излучение, падающее на Землю, оказалось модулированным в соответствии с 11-летним циклом солнечной активности: чем выше активность, тем меньше интенсивность галактического космического излучения.
Солнечные космические лучи наблюдаются эпизодически после некоторых вспышек в хромосфере. В отличие от галактических космических лучей солнечные космические лучи коррелируют с солнечной активностью.
Средние концентрации легких ионов над сушей n+=750 см-3, n-=650 см-3 изменяются от 50 до 1 000 см-3 в зависимости от места, над океаном их концентрации более стабильны: n+=600 см-3, n-=500 см-3.
Концентрации тяжелых ионов изменяются в очень широких пределах. У земной поверхности над сушей концентрация тяжелых ионов больше, чем легких – 100 -100 000 см-3. Однако из-за значительно большей подвижности легких ионов проводимость атмосферы в основном определяется только ими.
По мере увеличения высоты интенсивность внешних ионизирующих излучений в атмосфере растет, однако при этом падает плотность воздуха. Поэтому на некоторой высоте следует ожидать максимума интенсивности ионообразования. Эта высота составляет около 15 км. Однако на такой высоте велика и скорость рекомбинации, поскольку плотность воздуха еще не мала. Поэтому с дальнейшим ростом высоты концентрация ионов будет продолжать расти из-за увеличения времени жизни ионов, которое, очевидно, обратно пропорционально давлению. Одновременно будет расти и подвижность ионов. Следовательно, будет увеличиваться и проводимость атмосферы. Теоретические оценки показывают, что проводимость весьма быстро растет с высотой (см. табл. 9.1)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.