أشعة كونية

"Cosmic radiation" redirects here. For some other types of cosmic radiation, see Cosmic background radiation and Cosmic background (disambiguation). For the film, see Cosmic Ray (film).

كيف تخترق الأشعة الكونية المجال المغنطيسي الأرضي تستطيع جسيمات الأشعة الكونية الأولية وحتى تلك الأشعة ذات الطاقة المنخفضة، أن تدخل الغلاف الجوي الأرضي قرب القطبين بالمرور على امتداد خطوط المجال المغنطيسي. غير أنه بإمكان الجسيمات ذات الطاقة العالية

الاشعة الكونية

الأشعة الكونية Cosmic ray هي جسيماتٌ عالية الطاقة، منشؤها الفضاء الخارجي. ويعتقد العلماء أن هذه الأشعة تملأ درب التبانة (اسم المجرة التي ننتمي إليها وتسمى أيضًا درب اللبانة)، وكذا المَجَرات الأخرى. وتتكون الأشعة الكونية من جسيمات تحت ذرية تحمل شحنة كهربائية، تمامًا مثل البروتونات والإلكترونات ونوى الذرات. وتتحرك هذه الجسيمات في الفضاء الخارجيّ بما يقارب سرعة الضوء ومقدارها 299,792 كم/ث.

وهي جسيمات نووية ترد إلى الأرض من الفضاء الخارجي بطاقة هائلة تمكِّنها من اختراق ثخانات كبيرة من المادة. وتسمى أوليةً عند دخولها جو الأرض، وثانويةً بعد أن تقوم بالتفاعل معه.

الأشعة الكونية اكتشفها ڤيكتور هس في 1912 في تجارب بالبالون، والتي حصل بسببها على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1936.

يقيس الفيزيائيون طاقة الأشعة الكونية بوحدات تُسمًّى إلكترونفولت (إف). وتتراوح طاقة معظم الأشعة الكونية بين بضعة ملايين إلكترون فولت (ماف) وبضعة بلايين إلكترونفولت (جاف).

والواقع أن بليون إلكترون فولت تضيء مصباح بطارية لمدة جزء من مائة مليون جزءٍ من الثانية تقريبًا. إلا أنَّ بروتون أشعة كونية له هذه الطاقة، يستطيع أن يخترق صفيحةً من الحديد سمكها نحو 60سم.

مصادر الأشعة الكونية

طيف الطاقة للآشعة الكونية مقابل طاقة الجسيمات عند قمة الغلاف الجوي للأرض.

 التاريخ

جاء اكتشاف الأشعة الكونية في مطلع القرن العشرين إثر دراسة سبب انفراغ كشَّاف كهربائي electroscope مشحون، فقد وجد أن انفراج وريقتي الذهب في الكشاف لا يلبث أن يزول دليلاً على ضياع شحنته الكهربائية، مع اتخاذ كل الاحتياطات المعروفة آنذاك لمنع ذلك. وبدا منطقياً أن تعزى هذه الظاهرة إلى وجود نوع من الإشعاع يؤيِّن الغاز الذي يملأ الكشاف الكهربائي، ذلك لأن الإشعاع الصادر عن المواد المشعة أو الأشعة السينية كان يولد الأثر ذاته في وريقتي الذهب. وعندما أشارت التجارب إلى أن معدَّل انفراغ الكشاف الكهربائي المشحون يزداد بالارتفاع عن سطح البحر تأكد أن منشأ الإشعاع المجهول ليس أرضياً بل كوني مما دعا العلماء عام 1926 إلى تسمية هذا الإشعاع بالإشعاع الكوني، كما تأكد تجريبياً أن بالإمكان تخفيف معدَّل انفراغ الكشاف الكهربائي المشحون إذا وضع الكشاف في نفق تحت الأرض أو في أعماق البحر، وقد أمكن التفريق بين صنفين من الأشعة الكونية التي تبلغ سطح الأرض، صنف أطلق عليه اسم المركًّبة اللينة soft component وهو صنف يكفي لامتصاصه عشرة سنتمترات من الرصاص، وصنف أطلق عليه اسم المركًّبة القاسية hard component وهو قادر على اختراق ثخانات من الرصاص تزيد على المتر.

 مصادر الأشعة الكونية

تنشأ الأشعة الكونية من مصادر عديدة في الفضاء. ويعتقد العلماء أنَّ النجوم المنفجرة المسماة السوبرنوفا، والنجوم عالية الكثافة المسماة المنبضات، تنتج كمياتٍ كبيرةً من الأشعة الكونية.كما أن بعض الأشعة الكونية تنتجها الشمس. لكنَّ الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية جدًّا هي فقط التي تستطيع اختراق الغلاف الجويّ للأرض، وأقل من واحد في المليون من الأشعة المُخْتَرقة هو الذي يصل إلى سطح الأرض دون أن يصطدم بذرة في الهواء. وتؤدي هذه التصادمات إلى تحطيم كلٍّ من الشعاع الكونيّ والذرة، مولدًا فيضًا من الجسيمات تحت الذرية ذات الطاقة العالية. تصل بعض هذه الجسيمات بالفعل إلى سطح الأرض، بل إن منها ما يخترق الأرض إلى عمقٍ كبير. يطلق على الأشعة الكونية التي تتولد في الفضاء الخارجي اسم الأشعة الكونية الأولية، بينما يُطلق على الفيض المتولِّد في الغلاف الجويّ اسم الأشعة الكونية الثانوية.

مصادر الإشعاع المؤين في الفضاء بين الكواكب.

ويهتم العلماء بدراسة الأشعة الكونية، لأنها تمدُّنا بعينة من مادة انتقلت عبر الفضاء لملايين من السنين الضوئية. والسنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنةٍ واحدة، وهي تقريبًا 9,46 تريليون كم. ولقد أتاحت أبحاث الأشعة الكونية للعلماء أن يعرفوا الكثير عن الظروف الفيزيائية في المناطق البعيدة عن المجموعة الشمسية.

 الأشعة الكونية الأولية

وتسمى أيضًا الأوليات. وهناك نوعان من الأوليات هما المجرية والشمسية. وتشير التحريات العلمية إلى أن (90%) من الأشعة الكونية التي تصل إلى الأرض تنشأ من مجرتنا، كما أن خصائصها تدل على أنها نشأت عن انفجار نووي حراري في بعض النجوم. وتتكون هذه الجسيمات حين تصل إلى أعالي الغلاف الجوي الأرضي من بروتونات (91.5%) وجسيمات ألفا (α) أي نوى الهليوم (7.8%). ومن نوى ثقيلة كالليثيوم والحديد وغير ذلك (0.7%). وتم التحقق من ذلك بإرسال مناطيد تحمل ألواح تصوير خاصة عليها مستحلبات نووية nuclear emulsions فسجلت تفاعلات نووية مع جسيمات أولية قادمة من الفضاء الخارجي. ولوحظ من دراسة تغير شدة الأشعة الكونية عند سطح البحر مع تغير خط العرض أن هذه الشدة تنخفض بنسبة 10% عند خط الاستواء بالموازنة بينها وبين شدتها عند القطبين. وأمكن تعليل ذلك عن طريق الأفعال المتبادلة بين الجسيمات الأولية المشحونة والحقل المغنطيسي الأرضي. فالجسيم المشحون الذي يرد أحد قطبي الأرض لا يعاني أي انحراف، في حين يعاني الجسيم المشحون الوارد باتجاه خط الاستواء انحرافاً عمودياً على كل من منحى حركته ومنحى الحقل المغنطيسي الأرضي مما يقلل من فرصة بلوغه الغلاف الجوي الخارجي وبالتالي من فرصة تفاعله مع ذرات الهواء وتوليد أشعة كونية ثانوية نتيجة ذلك. ودلت القياسات على أن 5% من سيل الأشعة الكونية الأولية يمكن كشفه على ارتفاع عشرة كيلومترات وأن 35% منها يمكن كشفه على ارتفاع عشرين كيلو متراً، وأن طاقة جسيم واحد من هذه الجسيمات الأولية قد تبلغ 1810 إلكترون فولط أي عُشر الجول تقريباً.

 الأشعة الكونية المجرِّية

وتأتي هذه الأشعة من خارج المجموعة الشمسية، وهي تُشِّكل معظم الأوليَّات. في أثناء فترات خمول الشمس، يسقط في المتوسط شعاعٌ كونيُّ مجرِّيُّ واحد على كل سنتيمتر مربع من السطح الخارجيّ للغلاف الجويّ في الثانية.

تتكوَّن الأشعة الكونية المجرية من نوى الذرات بنسبة 98%، والنسبة الباقية وهي 2% مكونة من إلكترونات وبوزيترونات، وهي إلكترونات تحمل شحنة موجبة. أما النوى، فمنها البروتونات (نوى الهيدروجين) بنسبة 87% تقريبًا، ومنها نوى الهيليوم بنسبة 12%، والباقي هي نوى كل العناصر الأثقل من الهيليوم.

يعتقد الفيزيائيون أنَّ معظم الأشعة الكونية اكتسبت طاقتها العالية نتيجة لتسارعها بسبب موجاتٍ صدميةٍ صادرة عن السوبرونوفا (فائق الاستعار) أو بسبب وجود مجالات مغنطيسية قوية حول النابضات. ويمكن أيضًا للأشعة الكونية المَجَريَّة أن تكتسب طاقةً نتيجةً لتصادماتها مع تصدعاتٍ متحركة في المجالات المغنطيسية الواقعة في الفضاء البيني للنجوم. ويمكن تصوير المجال المغنطيسي على أنه مجموعة خطوط تخيلية للقوة المغنطيسية تمتد في الفراغ حيث تستطيع الجسيمات أن تتحرك بيسر على خطوط المجال مثلما تتحرك حُبَيبات مسبحة على خيطها، إلا أنَّ الجسيمات تقابل صعوبةً في الانتقال عبر الخطوط. وعندما يتحرك أحد خطوط المجال، تتحول بعض الطاقة الناشئة عن حركته إلى الجسيمات المتحركة عليه.

ومتى تسارعت الأشعة الكونية المجريَّة في مجرتنا، فإنها تظلُّ في المتوسط لمدة عشرة ملايين سنة تنتقل عشوائيَّا في المجالات المغنطيسية للمجرة، ومصيرها في النهاية إمَّا الهروب من المجرة، أو فُقدان سرعتها نتيجةً لتصادمها مع مادة الفراغ البيني للنجوم.

تعمل الرياح الشمسية على منع بعض الأشعة الكونية المجريِّة من دخول المجموعة الشمسية، وتتكون هذه الرياح من ذرات مشحونة كهربائيًّا تنطلق خارجة من الشمس إلى المجموعة الشمسية. يُصاحب الرياح الشمسية مجالٌ مغنطيسيٌّ يمنع كثيرًا من الأشعة الكونية المجريَّة من دخول المجموعة الشمسية. ويصدق هذا، على وجه الخصوص، في فترات النشاط المتزايد على سطح الشمس. ومن ثم، يقلُّ تركيز الأشعة الكونية المجرية بالقرب من الأرض كلما زاد النشاط الشمسيّ، وهذا ما يحدث دوريَّا كل إحدى عشرة سنة فيما يُسمَّى دورة الكلف الشمسي. كلف الشمس.

 الأشعة الكونية الشمسية

وتصدر عن الشمس أثناء التوهج الشمسيّ. والتوهج الشمسيّ هو فورانٌ على سطح الشمس له مظهر خلاَّب، ويحدث على وجه الخصوص أثناء فترات النشاط العالي في دورة الكلف الشمسيّ. وتكون طاقة الجسيمات المُطْلقة في هذه التوهُّجات في حدود بضع مافات (mev) إلا أنَّ طاقة الجسيمات المطلقة في توهجات كبيرة قد تصل إلى بضع جافات(gev). وأكثر الأشعة الشمسية هي البروتونات، ذلك أنَّ بعضها يتكون من النوى الثقيلة، ويتكوَّن بعضها من الإلكترونات.

جسيمات أخرى ذرية (ذات طاقة عالية) في الفضاء. تصل طاقة بعض الجسيمات المسرَّعة في الغلاف المغنطيسي للأرض إلى بضع مافات. والغلاف المغنطيسي هو منطقة الفضاء التي يشغلها المجال المغنطيسيّ للكوكب. ولكلٍّ من كواكب المشتري وزحل وأورانوس ونبتونْ غلافٌ مغنطيسي تتسارع فيه الجسيمات لطاقة تبلغ عدة مافات، لكن معظم الجسيمات تظل أسيرة الغلاف المغنطيسي للكوكب مكونةً أحزمة من الإشعاع حوله.

كذلك تعمل الموجات الصدمية من الرياح الشمسية على تسارع الجسيمات إلى بضع مافات. تتولد هذه الموجات الصدمية من التوهج الشمسيّ أو من التيارات السريعة في الرياح الشمسية التي تسلك سلوك العاصفات والنفاثات.

 الأشعة الكونية الثانوية

لا يبلغ سطح الأرض من الإشعاعات الكونية الأولية إلا ما ندر، فمعظمها يصطدم بذرات الغلاف الجوي مولداً إشعاعات كونية ثانوية. ويمكن القول إن جسيماً ثانوياً واحداً يرتطم على سطح الأرض بمساحة كمساحة ورقة الكتابة في كل ثانية وسطياً.

والأشعة الكونية الثانوية، أو الثانويَّات، تنتج عن تصادم الأشعة الكونية الأولية بالنّوى الذرية الموجودة في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض.

ينشأ عن هذه التصادمات تفتُّت الأوليَّات وتحوُّل جزء من طاقتها إلى جسيمات تحت ذرية. يتصادم عددٌ من الجسيمات الجديدة بالنّوى الأخرى في الغلاف الجويّ منتجةً المزيد من الجسيمات. وتنتج مثل هذه التصادمات المتتالية فيضًا من الثانويات التي تحتوي على كافة أنواع الجسيمات تحت الذرية. وهذه الأشعة الكونية الثانوية توجد بدءًا من أعلى طبقات الجو، وحتى أعمق المناجم في الأرض.

وتتألف الإشعاعات الكونية الثانوية من مزيج من جسيمات يدعى بعضها «الهِبرونات» hyperons وبعضها الآخر «الميزونات» mesons إضافة إلى الإلكترونات والبوزترونات وأشعة گاما والأشعة السينية. ويمكن أن يولد إشعاع كوني أولي سيلاً من الإشعاعات الكونية الثانوية يشبه إلى حد بعيد المظهر المتشعب الذي تولده ظاهرة البرق المألوفة. والميزون جسيم أثقل من الإلكترون وأخف من البروتون، ومن أنواعه الميزون مو μ وتقارب كتلته 200 مرة كتلة الإلكترون، والميزون بي π وتقارب كتلته 270 مرة كتلة الإلكترون. وقد تنبأ العالم الياباني يوكاوا Yukawa عام 1935 بوجود هذا الجسيم الأخير عقب اكتشاف الجسيم مو μ. وفي الواقع فإن الميزون π المتولد في أعالي الجو نتيجة تفاعل إشعاع كوني أولي مع الغلاف الجوي لا يلبث أن يتفكك مولداً الميزون μ وجسيماً معتدلاً يدعى النترينو ν.

وقد تكللت مساعي الإنسان في تسريع البروتونات والجسيمات الأخرى بما يسمى المسرِّعات حتى بلغت أخيراً طاقة تقارب طاقة الجسيمات الكونية الأولية، وأمكن بذلك توليد تفاعلات مماثلة للتفاعلات التي تحدث في الطبيعة وفي شروط دقيقة تسهل دراستها.

يعمل الغلاف الجويّ على إبطاء الثانويات، وعلى ذلك فلا يصل إلى الأرض إلا نسبة صغيرة. في المتوسط، يصل جسيم واحد إلى كل سنتيمتر مربع من سطح الأرض في الدقيقة. ومعظم هذه الجسيمات جسيمات تحت ذرية تُسَمَّى ميونات.

يؤثر المجال المغنطيسيّ للأرض على كثافة الثانويات في الغلاف الجويّ. وخطوط هذا المجال منحنيات من القطب المغنطيسيّ الشماليّ إلى القطب المغنطيسي الجنوبي ولا يستطيع اختراق المجال المغنطيسيّ بالقرب من خط الاستواء إلا الأوليّات ذات الطاقات العالية جدًّا؛ وذلك لأنها تُضطر هناك إلى عبور خطوط المجال. أما عند القطبين، فحتى الأوليات ذات الطاقة المنخفضة تستطيع أن تتحرك على خطوط المجال وتخترق الغلاف الجويّ. وعلى ذلك، فإنَّ كثافة الثانويات تكون أقل ما يمكن عند خط الاستواء، وتتزايد كلما اتجهنا نحو القطبين.

 طرق الكشف عنها

مصفوفة VERITAS لتلسكوبات تشرنكوف الهوائية.

There are two main classes of detection methods. First, the direct detection of the primary cosmic rays in space or at high altitude by balloon-borne instruments. Second, the indirect detection of secondary particle, i.e., extensive air showers at higher energies. While there have been proposals and prototypes for space and balloon-borne detection of air showers, currently operating experiments for high-energy cosmic rays are ground based. Generally direct detection is more accurate than indirect detection. However the flux of cosmic rays decreases with energy, which hampers direct detection for the energy range above 1 PeV. Both direct and indirect detection are realized by several techniques.

 الكشف المباشر

Direct detection is possible by all kinds of particle detectors at the ISS, on satellites, or high-altitude balloons. However, there are constraints in weight and size limiting the choices of detectors.

An example for the direct detection technique is a method based on nuclear tracks developed by Robert Fleischer, P. Buford Price, and Robert M. Walker for use in high-altitude balloons. In this method, sheets of clear plastic, like 0.25 mm Lexan polycarbonate, are stacked together and exposed directly to cosmic rays in space or high altitude. The nuclear charge causes chemical bond breaking or ionization in the plastic. At the top of the plastic stack the ionization is less, due to the high cosmic ray speed. As the cosmic ray speed decreases due to deceleration in the stack, the ionization increases along the path. The resulting plastic sheets are "etched" or slowly dissolved in warm caustic sodium hydroxide solution, that removes the surface material at a slow, known rate. The caustic sodium hydroxide dissolves the plastic at a faster rate along the path of the ionized plastic. The net result is a conical etch pit in the plastic. The etch pits are measured under a high-power microscope (typically 1600× oil-immersion), and the etch rate is plotted as a function of the depth in the stacked plastic.

This technique yields a unique curve for each atomic nucleus from 1 to 92, allowing identification of both the charge and energy of the cosmic ray that traverses the plastic stack. The more extensive the ionization along the path, the higher the charge. In addition to its uses for cosmic-ray detection, the technique is also used to detect nuclei created as products of nuclear fission.

 Indirect detection

There are several ground-based methods of detecting cosmic rays currently in use, which can be divided in two main categories: the detection of secondary particles forming extensive air showers (EAS) by various types of particle detectors, and the detection of electromagnetic radiation emitted by EAS in the atmosphere.

Extensive air shower arrays made of particle detectors measure the charged particles which pass through them. EAS arrays can observe a broad area of the sky and can be active more than 90% of the time. However, they are less able to segregate background effects from cosmic rays than can air Cherenkov telescopes. Most state-of-the-art EAS arrays employ plastic scintillators. Also water (liquid or frozen) is used as a detection medium through which particles pass and produce Cherenkov radiation to make them detectable. Therefore, several arrays use water/ice-Cherenkov detectors as alternative or in addition to scintillators. By the combination of several detectors, some EAS arrays have the capability to distinguish muons from lighter secondary particles (photons, electrons, positrons). The fraction of muons among the secondary particles is one traditional way to estimate the mass composition of the primary cosmic rays.

An historic method of secondary particle detection still used for demonstration purposes involves the use of cloud chambers to detect the secondary muons created when a pion decays. Cloud chambers in particular can be built from widely available materials and can be constructed even in a high-school laboratory. A fifth method, involving bubble chambers, can be used to detect cosmic ray particles.

More recently, the CMOS devices in pervasive smartphone cameras have been proposed as a practical distributed network to detect air showers from ultra-high-energy cosmic rays. The first app to exploit this proposition was the CRAYFIS (Cosmic RAYs Found in Smartphones) experiment. In 2017, the CREDO (Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory) Collaboration released the first version of its completely open source app for Android devices. Since then the collaboration has attracted the interest and support of many scientific institutions, educational institutions, and members of the public around the world. Future research has to show in what aspects this new technique can compete with dedicated EAS arrays.

The first detection method in the second category is called the air Cherenkov telescope, designed to detect low-energy (<200 GeV) cosmic rays by means of analyzing their Cherenkov radiation, which for cosmic rays are gamma rays emitted as they travel faster than the speed of light in their medium, the atmosphere. While these telescopes are extremely good at distinguishing between background radiation and that of cosmic-ray origin, they can only function well on clear nights without the Moon shining, have very small fields of view, and are only active for a few percent of the time.

A second method detects the light from nitrogen fluorescence caused by the excitation of nitrogen in the atmosphere by particles moving through the atmosphere. This method is the most accurate for cosmic rays at highest energies, in particular when combined with EAS arrays of particle detectors. Similar to the detection of Cherenkov-light, this method is restricted to clear nights.

Another method detects radio waves emitted by air showers. This technique has a high duty cycle similar to that of particle detectors. The accuracy of this technique was improved in the last years as shown by various prototype experiments, and may become an alternative to the detection of atmospheric Cherenkov-light and fluorescence light, at least at high energies.

ظل الآشعة الكونية للقمر، كما يشاهـَد في secondary muons المقروءة 700 م تحت الأرض، في المجس سودان 2.

 الأثر

 التغيرات في كيمياء الغلاف الجوي

Cosmic rays ionize nitrogen and oxygen molecules in the atmosphere, which leads to a number of chemical reactions. Cosmic rays are also responsible for the continuous production of a number of unstable isotopes, such as carbon-14, in the Earth's atmosphere through the reaction:

n + ¹⁴N → p + ¹⁴C

Cosmic rays kept the level of carbon-14 in the atmosphere roughly constant (70 tons) for at least the past 100,000 years, until the beginning of above-ground nuclear weapons testing in the early 1950s. This fact is used in radiocarbon dating.

 نواتج تفاعل الأشعة الكونية الرئيسية وعمر النصف للنظائر المشعة وتفاعل الانتاج

• Hydrogen-1 (stable): spallation from nitrogen and oxygen, decay of neutrons from such spallation
• Helium-3 (stable): spallation or from tritium
• Helium-4 (stable): spallation producing alpha rays
• Tritium (12.3 years): ¹⁴N(n, ³H)¹²C (spallation)
• Beryllium-7 (53.3 days)
• Beryllium-10 (1.39 million years): ¹⁴N(n,p α)¹⁰Be (spallation)
• Carbon-14 (5730 years): ¹⁴N(n, p)¹⁴C (neutron activation)
• Sodium-22 (2.6 years)
• Sodium-24 (15 hours)
• Magnesium-28 (20.9 hours)
• Silicon-31 (2.6 hours)
• Silicon-32 (101 years)
• Phosphorus-32 (14.3 days)
• Sulfur-35 (87.5 days)
• Sulfur-38 (2.84 hours)
• Chlorine-34 m (32 minutes)
• Chlorine-36 (300,000 years)
• Chlorine-38 (37.2 minutes)
• Chlorine-39 (56 minutes)
• Argon-39 (269 years)
• Krypton-85 (10.7 years)

 الدور في الإشعاع المحيط

Cosmic rays constitute a fraction of the annual radiation exposure of human beings on the Earth, averaging 0.39 mSv out of a total of 3 mSv per year (13% of total background) for the Earth's population. However, the background radiation from cosmic rays increases with altitude, from 0.3 mSv per year for sea-level areas to 1.0 mSv per year for higher-altitude cities, raising cosmic radiation exposure to a quarter of total background radiation exposure for populations of said cities. Airline crews flying long-distance high-altitude routes can be exposed to 2.2 mSv of extra radiation each year due to cosmic rays, nearly doubling their total exposure to ionizing radiation.

Average annual radiation exposure (millisieverts)

Radiation		UNSCEAR		Princeton	Wa State	MEXT	Remark
Type	Source	World average	Typical range	US	US	Japan
Natural	Air	1.26	0.2–10.0a	2.29	2.00	0.40	Primarily from radon, (a)depends on indoor accumulation of radon gas.
	Internal	0.29	0.2–1.0b	0.16	0.40	0.40	Mainly from radioisotopes in food (40K, 14C, etc.) (b)depends on diet.
	Terrestrial	0.48	0.3–1.0c	0.19	0.29	0.40	(c)Depends on soil composition and building material of structures.
	Cosmic	0.39	0.3–1.0d	0.31	0.26	0.30	(d)Generally increases with elevation.
	Subtotal	2.40	1.0–13.0	2.95	2.95	1.50
Artificial	Medical	0.60	0.03–2.0	3.00	0.53	2.30
	Fallout	0.007	0–1+	–	–	0.01	Peaked in 1963 (prior to the Partial Test Ban Treaty) with a spike in 1986; still high near nuclear test and accident sites. For the United States, fallout is incorporated into other categories.
	Others	0.0052	0–20	0.25	0.13	0.001	Average annual occupational exposure is 0.7 mSv; mining workers have higher exposure. Populations near nuclear plants have an additional ≈0.02 mSv of exposure annually.
	Subtotal	0.6	0 to tens	3.25	0.66	2.311
Total		3.00	0 to tens	6.20	3.61	3.81

Figures are for the time before the Fukushima Daiichi nuclear disaster. Human-made values by UNSCEAR are from the Japanese National Institute of Radiological Sciences, which summarized the UNSCEAR data.

 الأثر على الإلكترونيات

انظر أيضاً: Radiation hardening

Cosmic rays have sufficient energy to alter the states of circuit components in electronic integrated circuits, causing transient errors to occur (such as corrupted data in electronic memory devices or incorrect performance of CPUs) often referred to as "soft errors". This has been a problem in electronics at extremely high-altitude, such as in satellites, but with transistors becoming smaller and smaller, this is becoming an increasing concern in ground-level electronics as well. Studies by IBM in the 1990s suggest that computers typically experience about one cosmic-ray-induced error per 256 megabytes of RAM per month. To alleviate this problem, the Intel Corporation has proposed a cosmic ray detector that could be integrated into future high-density microprocessors, allowing the processor to repeat the last command following a cosmic-ray event. ECC memory is used to protect data against data corruption caused by cosmic rays.

In 2008, data corruption in a flight control system caused an Airbus A330 airliner to twice plunge hundreds of feet, resulting in injuries to multiple passengers and crew members. Cosmic rays were investigated among other possible causes of the data corruption, but were ultimately ruled out as being very unlikely.

In August 2020, scientists reported that ionizing radiation from environmental radioactive materials and cosmic rays may substantially limit the coherence times of qubits if they are not shielded adequately which may be critical for realizing fault-tolerant superconducting quantum computers in the future.

 الأهمية لارتياد الفضاء

المقالة الرئيسية: Health threat from cosmic rays

Galactic cosmic rays are one of the most important barriers standing in the way of plans for interplanetary travel by crewed spacecraft. Cosmic rays also pose a threat to electronics placed aboard outgoing probes. In 2010, a malfunction aboard the Voyager 2 space probe was credited to a single flipped bit, probably caused by a cosmic ray. Strategies such as physical or magnetic shielding for spacecraft have been considered in order to minimize the damage to electronics and human beings caused by cosmic rays.

On 31 May 2013, NASA scientists reported that a possible crewed mission to Mars may involve a greater radiation risk than previously believed, based on the amount of energetic particle radiation detected by the RAD on the Mars Science Laboratory while traveling from the Earth to Mars in 2011–2012.

Comparison of radiation doses, including the amount detected on the trip from Earth to Mars by the RAD on the MSL (2011–2013).

Flying 12 كيلومتر (39،000 ft) high, passengers and crews of jet airliners are exposed to at least 10 times the cosmic ray dose that people at sea level receive. Aircraft flying polar routes near the geomagnetic poles are at particular risk.

 الدور في البرق

Cosmic rays have been implicated in the triggering of electrical breakdown in lightning. It has been proposed that essentially all lightning is triggered through a relativistic process, or "runaway breakdown", seeded by cosmic ray secondaries. Subsequent development of the lightning discharge then occurs through "conventional breakdown" mechanisms.

 دور مفترض في التغير المناخي

A role for cosmic rays in climate was suggested by Edward P. Ney in 1959 and by Robert E. Dickinson in 1975. It has been postulated that cosmic rays may have been responsible for major climatic change and mass extinction in the past. According to Adrian Mellott and Mikhail Medvedev, 62-million-year cycles in biological marine populations correlate with the motion of the Earth relative to the galactic plane and increases in exposure to cosmic rays. The researchers suggest that this and gamma ray bombardments deriving from local supernovae could have affected cancer and mutation rates, and might be linked to decisive alterations in the Earth's climate, and to the mass extinctions of the Ordovician.

Danish physicist Henrik Svensmark has controversially argued that because solar variation modulates the cosmic ray flux on Earth, it would consequently affect the rate of cloud formation and hence be an indirect cause of global warming. Svensmark is one of several scientists outspokenly opposed to the mainstream scientific assessment of global warming, leading to concerns that the proposition that cosmic rays are connected to global warming could be ideologically biased rather than scientifically based. Other scientists have vigorously criticized Svensmark for sloppy and inconsistent work: one example is adjustment of cloud data that understates error in lower cloud data, but not in high cloud data; another example is "incorrect handling of the physical data" resulting in graphs that do not show the correlations they claim to show. Despite Svensmark's assertions, galactic cosmic rays have shown no statistically significant influence on changes in cloud cover, and have been demonstrated in studies to have no causal relationship to changes in global temperature.

 عامل محتمل في الانقراض الجماعي

انظر أيضاً: پليوسين § Supernovae

A handful of studies conclude that a nearby supernova or series of supernovas caused the Pliocene marine megafauna extinction event by substantially increasing radiation levels to hazardous amounts for large seafaring animals.

 تأثير الأشعة الكونية

مستوى الإشعاع الناتج عن الأشعة الكونية على الأرض أقل بكثير من أن يسبِّب أضرارًا للكائنات الحية. يقيس العلماء جرعة الإشعاع بوحدة تُسَمَّى الراد، وتعتبر الجرعة طويلة المدى التي تزيد على بضعة رادات في السنة غير مأمونة. أما عند مستوى سطح البحر، فإنَّ الجرعة الناتجة عن الأشعة الكونية المجرية تقل عن عشرة رادات في السنة. على أن مستوى الإشعاع في الأحزمة الإشعاعية للأرض يمكن أن يشكِّل خطورةً على رجال الفضاء، كما أنه يضرُّ بالأجهزة. كذلك يحدث إشعاعٌ نتيجة تهيج شمسي شديد في أيّ مكان خارج الغلاف الجويّ. لذلك، يلزم تهيئة سفن الفضاء التي يحتمل تعرضها لمثل هذا الإشعاع بدروع تقيها منه. وتحاول مركبات الفضاء الحاملة للبشر أن تتجنب أحزمة الإشعاع وكذا حالات التوهج الشمسي الشديد.

يأتي أحد التأثيرات المفيدة للأشعة الكونية من تفاعل الثانويات مع نوى النيتروجين في الغلاف الجويّ للأرض. هذا التفاعل يُنتج نوعًا مشعًّا من الكربون يُسمَّى الكربون الإشعاعي. وتقوم الكائنات الحيَّة، باستمرار، بإدماج الكربون، بما في ذلك الكربون الإشعاعيّ، في خلاياها. ونظرًا لأن الكربون الإشعاعي يتحلل بمعدل ثابت، فإن القدر المتبقي منه في المادة الحية يدل العلماء على عمر هذه المادة. انظر: الكربون المشع.

 التأثير على الإلكترونيات

لقد تعرضت بعض مركبات الفضاء لمشاكل نتيجة لتأثير الأشعة الكونية المجرية على الدوائر الإلكترونية للمركبة. ويستطيع شعاعٌ كونيُّ منفرد نجح في اختراق قطعة صغيرة من دائرة أن يُغيِّر المعلومات المحفوظة على هذه القطعة. ويكاد يكون من المستحيل إيجاد حماية ضد الأشعة الكونية المجرية نظرًا لطاقتها العالية، ولذلك فقد اضطر العلماء والمهندسون إلى تطوير مكوِّنات للدوائر أقل حساسية لتأثيرات الأشعة الكونية.

 الأثر الفيزيولوجي

إن الطاقة الهائلة (1810 إلكترون فولط) التي يحملها جسيم ما من جسيمات الأشعة الكونية تمكِّنه بسهولة من اختراق جسم الإنسان من طرف إلى آخر. فالإنسان يتعرض كل لحظة، أينما كان إلى عدد من هذه الجسيمات، بيد أن التدفق الطاقي الإجمالي يبقى ضعيفاً، وبالتالي فلا خطورة منها، في حين أن بعض الإشعاعات الشمسية يمكن أن تؤلف خطراً شديداً على رواد الفضاء بسبب تدفقها العالي. أما على سطح الأرض فيمكن القول إن الغلاف الجوي الأرضي يحمي الناس من خطر تدفق الإشعاعات ذات الطاقة العالية.

 آليات مقترحة

 الأدلة من الكيمياء الأرضية والفيزياء الفضائية

تركزات ثاني أكسيد الكربون على مقياس 500 مليون سنة

التغير المناخي على مقياس 500 مليون سنة

 أبحاث الأشعة الكونية

 الدراسات الأولى

استعمل العلماء في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي أجهزة تُسمَّى المناظير الإلكترونية (الكشافات الكهربائية) في دراسة النشاط الإشعاعيّ. وحتى عندما دُرِّعت الأجهزة ضد أكثر الأشعة قوةً، فإنها ظلَّت تسجل وجود نوعٍ مجهولٍ من الإشعاع النافذ. وفي عام 1912م، قام الفيزيائيّ النمساوي فيكتور هس بحمل منظار إلكترونيّ على منطاد، فلاحظ أنَّ الإشعاع يتزايد مع الارتفاع. ومن ذلك، استنتج هس أنه لا بد أن يكون مصدر الإشعاع في الغلاف الجوي أو فيما وراءه. ولقد حصل هس على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1936م لاكتشافه الأشعة الكونية.

ظنَّ الفيزيائيون في البداية أنَّ الأشعة الكونية هي أشعة جاما. وفي أواخر العشرينيات من القرن العشرين، اكتشف العلماء أنَّ الأشعة الكونية تتأثر بالمجالات المغنطيسية بخلاف أشعة جاما وقد أوضح هذا التأثر أن الأشعة يجب أن تكون جسيمات مشحونة. وفي أواخر الأربعينيات، أوضحت الدراسة الضوئية للأشعة الكونية أنَّ الأوليَّات تتكون أساسًا من نوى الهيدروجين ونوى الهيليوم. وفي خلال الخمسينيات، درس الفيزيائيون تأثيرات الشمس على الأشعة الكونية. وفي عام 1961م، لاحظ هؤلاء الفيزيائيون لأول مرة وجود إلكترونات بين الأوليَّات. ومنذ الستينيات، فإنَّ سفن الفضاء قد مكَّنت العلماء من دراسة الأوليَّات خارج الغلاف الجوي وخارج المجال المغنطيسيّ للأرض.

 الأبحاث الراهنة

تتضمن الكثير من بحوث الأشعة الكونية المعاصرة الطبيعة الفيزيائية للنجوم والأجسام الأخرى في المجرات. وإذا ثبت ما يعتقده العلماء من أنَّ الأشعة الكونية تتسارع بفعل السوبرنوفا (فائق الاستعار) والنابضات، فإنه يمكن القول بأن هذه الجسيمات تمثل عيِّناتٍ من المادة الموجودة بالقرب من هذه الأجرام. وكذلك فإن دراسة مثل هذه الأشعة الكونية تساعد العلماء في التعرف على العمليات النووية التي تتم عندما ينفجر نجم سوبرنوفا وعلى الظروف بالقرب من أي نابض. وكذلك، فإنَّ أبحاث الأشعة الكونية تكشف عن الدلائل حول تركيب وتوزيع المادة والمجالات المغنطيسية التي تمر بها الأوليات في الفضاء البيني للنجوم.

ويجري حاليًّا تصميم أجهزة جديدة لإمدادنا بمعلومات أكثر تفصيلاً عن أصل الأشعة الكونية وتسارعها والمدى الذي تصل إليه. وسوف تمكننا هذه الأجهزة أيضًا من الفحص الأدق للتركيب النووي للأوليات المنخفضة الطاقة.

في الماضي كانت الأشعة الكونية الثانوية هي المصدر الوحيد للجسيمات تحت الذرية المستخدمة في الأبحاث. إلا أنَّ الفيزيائيين اكتشفوا خلال الفترة من الثلاثينيات إلى الخمسينيات من القرن العشرين كثيرًا من الجسيمات تحت الذرية بين الثانويات. ويستخدم الفيزيائيون حاليًّا أجهزة تُسمَّى مُعجلات الجسيمات في معظم أبحاث الجسيمات. غير أن دراسة الأشعة الكونية قد تكشف أنواعًا جديدة من جسيمات تحت ذرية توجد فقط عند طاقات أعلى بكثير من تلك التي يمكن للمُعجلات تحقيقها.

 العواصف المغنطيسية الشمسية والأشعة الكونية

يتضح مما سبق أن الأشعة الكونية الأولية تنحرف في الحقل المغنطيسي الأرضي وليس من المستغرب أن تحدث تغيرات في منحى هذه الأشعة وشدتها لدى حدوث عاصفة مغنطيسية أو ريح شمسية مصدرها الشمس. وتولّد بداية العاصفة المغنطيسية بوجه عام انخفاضاً في تدفق الأشعة الكونية وهو ما يعرف باسم أثر فوربُش Forbush effect كما تولد اضطراباً متفاوت الشدة في تماثل الاتجاهات التي ترد منها الإشعاعات. ويشاهد أحياناً ازدياد في شدة الإشعاعات الكونية قبيل العاصفة المغنطيسية، وينبغي أن لا تلتبس هذه الزيادة مع إشعاعات أخرى ذات تدفق ملحوظ مشابهة للأشعة الكونية إلا أنها أخفض طاقة منها بكثير. وتستطيع هذه الإشعاعات بلوغ سطح الأرض عند القطبين، ويشير وجودها إلى أن النجوم شأنها شأن الشمس ينبغي أن تكون مصدراً جزئياً يسهم في الإشعاعات الكونية التي تصل إلى كوكبنا.

 الأثر الفيزيولوجي للأشعة الكونية

إن الطاقة الهائلة (1810 إلكترون فولط) التي يحملها جسيم ما من جسيمات الأشعة الكونية تمكِّنه بسهولة من اختراق جسم الإنسان من طرف إلى آخر. فالإنسان يتعرض كل لحظة، أينما كان إلى عدد من هذه الجسيمات، بيد أن التدفق الطاقي الإجمالي يبقى ضعيفاً، وبالتالي فلا خطورة منها، في حين أن بعض الإشعاعات الشمسية يمكن أن تؤلف خطراً شديداً على رواد الفضاء بسبب تدفقها العالي. أما على سطح الأرض فيمكن القول إن الغلاف الجوي الأرضي يحمي الناس من خطر تدفق الإشعاعات ذات الطاقة العالية.

 انظر أيضاً

• كربون مشع

 المصادر

• الموسوعة المعرفية الشاملة

• R.G. Harrison and D.B. Stephenson, Detection of a galactic cosmic ray influence on clouds, Geophysical Research Abstracts, Vol. 8, 07661, 2006 SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU06-A-07661

• C. D. Anderson and S. H. Neddermeyer, Cloud Chamber Observations of Cosmic Rays at 4300 Meters Elevation and Near Sea-Level, Phys. Rev 50, 263,(1936).

• M. Boezio et al., Measurement of the flux of atmospheric muons with the CAPRICE94 apparatus, Phys. Rev. D 62, 032007, (2000).

• R. Clay and B. Dawson, Cosmic Bullets, Allen & Unwin, 1997. ISBN 1864482044

• T. K. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics, Cambridge University Press, 1990. ISBN 0521326672

• P. K. F. Grieder, Cosmic Rays at Earth: Researcher’s Reference Manual and Data Book, Elsevier, 2001. ISBN 0444507108

• A. M. Hillas, Cosmic Rays, Pergamon Press, Oxford, 1972 ISBN 0080167241

• J. Kremer et al., Measurement of Ground-Level Muons at Two Geomagnetic Locations, Phys. Rev. Lett. 83, 4241, (1999).

• S. H. Neddermeyer and C. D. Anderson, Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles, Phys. Rev. 51, 844, (1937).

• M. D. Ngobeni and M. S. Potgieter, Cosmic ray anisotropies in the outer heliosphere, Advances in Space Research, 2007.

• M. D. Ngobeni, Aspects of the modulation of cosmic rays in the outer heliosphere, M.Sc Dissertation, Northwest University (Potchefstroom campus) South Africa 2006.

• D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford University Press, 2003. ISBN 0198509510

• C. E. Rolfs and S. R. William, Cauldrons in the Cosmos, The University of Chicago Press, 1988. ISBN 0226724565

• B. B. Rossi, Cosmic Rays, McGraw-Hill, New York, 1964.

• Martin Walt, Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation, 1994. ISBN 0521431433

• J. F. Ziegler, The Background In Detectors Caused By Sea Level Cosmic Rays, Nuclear Instruments and Methods 191, 419, (1981).

• TRACER Long Duration Balloon Project: the largest cosmic ray detector launched on balloons.

• HiRes Fly's Eye

 وصلات خارجية

• Aspera European network portal
• BBC news, Cosmic rays find uranium, 2003.
• Introduction to Cosmic Ray Showers by Konrad Bernlöhr.