Член кор. Петър Велинов, Българска Академия на Науките, София
Член кор. Георги Несторов, Българска Академия на Науките, София
Проф. дфмн Лев Дорман, ИЗМИРАН Руска АН, Москва / Университет Тел Авив, Израел
Резюме
Това е първата монография в света, която изследва и разглежда от всички страни важния проблем за взаимодействието на космическите лъчи с йоносферата и атмосферата.
Тази международна монография представя направените от авторите изследвания върху влиянието на космическите лъчи с галактически и слънчев произход, както и на корпускулярните потоци върху ниската и средна йоносфера. Това е сравнително нов и обещаващ клон на понастоящем устойчиво развиващата се комплексна наука за слънчево-земните въздействия. Методите за анализиране на взаимодействията между космическите лъчи и високата атмосфера, както е описано в монографията, дават възможност за преминаване от измеряеми йоносферни параметри към числени пресмятания на редица величини в околоземното пространство. Това се основава на високата чувствителност на йоносферата по отношение на космическите явления. От друга страна, анализът на вариациите и смущенията от слънчев и галактически произход дават възможност за числено определяне на някои базови параметри на ниската йоносфера и изследването на тяхното съществено влияние върху разпространението на радиовълните.
Монографията е разделена на седем глави.
Първа глава съдържа кратък исторически преглед на откриването на йоносферата, на космическите лъчи, и възникването на проблема за взаимодействието между тях. Представени са по-важните резултати от този проблем, както и неговото формулиране.Описан е космическият слой, който се намира в най-ниската част на областта и е създаден от космическите лъчи. Формулирани са задачите и целите на монографията, които се намират на границата между физиката на йоносферата, физиката на космическите лъчи и атомната физика.
Втора глава съдържа базова информация за космическите лъчи, високата атмосфера и тяхното взаимодействие, което е необходимо за разработването на целия проблем. Разгледани са накратко вариациите на космическите лъчи, методите за тяхното изследване, тяхната класификация, както и някои данни за атмосферата на височината на слоя на космическите лъчи.
Разгледано е основното взаимодействие между космическите лъчи и високата атмосфера. Показано е, че в областта на слоя на космическите лъчи (50-90 км) ядрените взаимодействия могат да се пренебрегнат в първо приближение и че най-важни остават електромагнитните взаимодействия. Дадени са основните принципи и формулите за йонизационните загуби на заредените частици.
На тяхна основа в Трета глава са разработени редица изрази за скоростта на електронната продукция q(h) от галактическите космически лъчи в ниската йоносфера. Изчислени са профилите q(h) за различни геомагнитни ширини през летния и зимния сезон при максимална и минимална слънчева активност. Изведени са формули за йонизационната способност на космическите лъчи. Направен е също преглед на планетарното разпределение на q(h) и на енергийния баланс на слоя на космическите лъчи. Получено е уравнение за вариациите на q(h) въз основа на което те са разпределени в три групи аналогично на тези на космическите лъчи: Първа група – вариации с атмосферен произход, Втора група – вариации с магнитосферен произход, Трета група – вариации с космически произход. Въведена е концепцията за ефективен геомагнитен праг и е разгледан ефектът на полусянката (penumbra) на космическите лъчи на височината на слоя от космически лъчи, т.е. йоносферния С слой.
Изчислена е електронната продукция в космическия слой под влиянието на вторичните космически лъчи.
В Четвърта глава се разглеждат физико-химическите процеси в ниската йоносфера, на базата на основните йонизационни процеси, пренос на заряд, йонно-атомен обмен и неутрализация във връзка със съвременните концепции за състава на високата атмосфера. Изведени са уравнения за електронния баланс, за съотношението отрицателни йони-електрони l− и за ефективния коефициент на рекомбинация α ’. На тази основа са разгледани височинното разпределение и временните вариации на най-важния параметър на космическия слой (слоя на космическите лъчи) – електронната плътност N(h). Показана е ролята на космическия слой при изгрев Слънце и е установено, че йонизацията от космически лъчи във високата атмосфера заедно с кратковременните вариации на фактора l − под въздействие на слънчевата радиация в оптическия спектър влияят върху структурата и поведението на цялата област D при изгрев Слънце.
Този анализ беше направен въз основа на данни за йоносферната абсорбцияL на дълги вълни. Намерена е връзка между вариациите на q(h) от която следва, че абсорбцията на радиовълните се явява индикатор за вариациите и смущенията в космическия слой. Изследвано е поведението на космическия слой през време на основните корпускулярни и електромагнитни смущения. Разгледани са ефектите на модулация – Форбуш ефекти (намаление на интензивността на космическите лъчи през време на геомагнитни бури) – и 27-дневните вариации в космическия слой, свързани с 27 – дневната модулация на слънчевата активност, а също така и обратните ефекти на генерация – влиянието на слънчевите космически лъчи върху ниската йоносфера. Тези ефекти са причислени към първата група вариации. Смущенията през време на слънчеви ерупции и поведението на космическия слой при слънчеви затъмнения са свързани с електромагнитните смущения. Интерпретирани са някои конкретни случаи при изследването на тези проблеми и са направени съответните количествени оценки на най-съществените йоносферни параметри.
В Пета глава се изследва йонизацията от слънчеви космически лъчи в йоносферата. В началото е разгледан ефектът от релативистични слънчеви космически лъчи, които влияят на космическия слой на цялата планета. Един по-сложен и важен проблем тука е влиянието на нерелативистичните слънчеви космически лъчи върху полярната йоносфера (събитие на поглъщане в полярната шапка (ППШ)). След едно кратко представяне на същността на този проблем са дадени редица приближени решения на профили q(h), както и решения, основани на съотношението пробег-енергия. След това са изведени точните формули за q(h) за различните видове слънчеви частици, като също се отчита и сферичността на Земята. Изследвано е и влиянието на параметрите на слънчевите космически лъчи и на околоземното пространство върху профилитеq(h).
Дадени са решенията заq(h) при различно разпределение на ъглите на проникване на частиците в Северното полукълбо: напълно анизотропни (в началния момент на ефекта ППШ), общия случай и изотропно проникване на слънчеви космически лъчи, което обхваща основната част на ППШ). Обсъдени са и някои от другите фактори на слънчевите космически лъчи – спектър, състав, временни вариации, както и фактори на околоземното пространство – атмосферен, геомагнитен и електрически прагове на отрязване, които влияят върху разпределението наq(h). В края на Пета глава са дадени аналитични и числени решения за дисипацията на енергията на частиците в полярната атмосфера.
В Шеста глава е извършен преглед на електронната концентрация N(h) и на абсорбцията на радиовълни в резултат на проникването на слънчеви космически лъчи. Направен е анализ на редица индивидуални случаи на протонни избухвания. Сравнението на допълнителната скорост на електронна продукция, изчислена по два независими метода – посредством данни от йоносферната абсорбция и от космическите лъчи, показва задоволително съвпадение. Коефициентът на загубите ψ = α’(1+l−) в ниската йоносфера е определен чрез използване на данни за йоносферни смущения през време на ППШ. Профилите на електронна концентрация N(h) и на поглъщане на радиовълните са изчислени за различни спектри на слънчевите космически лъчи, моделни и реални – както са получени при анализа на отделни ефекти на ППШ. Тук очакваните стойности на абсорбцията са в добро съотношение с експеримента. В края на Шеста глава е представен метод за определяне на параметрите на слънчевите космически лъчи посредством йоносферни данни, или решение на обратната задача, което има съществено практическо значение.
Седма глава разглежда влиянието на по-меките корпускулярни радиации върху ниската йоносфера на средни ширини. Анализира се йонизацията на корпускулярните потоци в нощната йоносфера на височини под 90 км (област D) и в областта 90 – 120 км (слой Е).
Изучава се влиянието на корпускулярните потоци през време на геомагнитни смущения и при дневни условия, а също така развитието на йонизационните процеси по височина – от високата към ниската йоносфера. Изследвано е поведението на тези процеси в цикъла на слънчевата активност.