Co to jest promieniowanie kosmiczne?
Promieniowanie kosmiczne (cosmic rays, CR) to strumień wysokoenergetycznych cząstek naładowanych (i neutrin) przybywających na Ziemię z przestrzeni kosmicznej ze wszystkich kierunków. Skład: ok. 90% protonów (jąder wodoru), ok. 9% cząstek alfa (jąder helu), ok. 1% jąder cięższych pierwiastków (od litu po uran) i ok. 1% elektronów. Promieniowanie odkrył Viktor Hess w 1912 roku, wznosząc się balonem na wysokość 5,3 km i mierząc narastającą jonizację powietrza – za co otrzymał Nagrodę Nobla w 1936 roku. Energia cząstek CR rozciąga się od ok. 10^8 eV do ponad 10^20 eV (najwyższe energie mierzone przez kosmiczne pola powietrzne).
Widmo energetyczne promieniowania kosmicznego: strumień cząstek maleje z energią jak potęga E^(-2,7) poniżej ok. 3 x 10^15 eV (kolano, knee) i jak E^(-3,0) powyżej kolana, a od ok. 5 x 10^18 eV (kostka, ankle) znowu lagodnieje. Kolano przypisuje sie granicy zasięgu galaktycznych akceleratorów (supernowe) i dyfuzji CR poza Drogę Mleczną. Limit GZK (Greisen-Zatsepin-Kuzmin, 1966): powyżej ok. 5 x 10^19 eV protony tracą energię w zderzeniach z fotonami CMB produkując piony – cząstki ultrawysokich energii (UHECR) muszą pochodzić z odległości poniżej ok. 50 Mpc. Obserwatoria: Pierre Auger Observatory (Argentyna, powierzchnia 3000 km2, detekcja pola powietrznych EAS przez fotomultiplikatory Chenkova i fluorescencyjne teleskopy), Telescope Array (Utah, USA), IceCube (neutrina). Galaktyczne promieniowanie kosmiczne pochodzi głównie z fal uderzeniowych supernowych (mechanizm Fermiego I rzędu – cząstki zyskują energię odbijając sie od poruszającej sie fali). UHECR (E > 10^18 eV) mogą pochodzić z jąder aktywnych galaktyk (AGN), blazarów i gamma-ray burstów.
Promieniowanie kosmiczne ma kluczowe znaczenie dla astrobiologii i fizyki atmosfery: jonizuje górną i środkową atmosferę Ziemi, inicjując kaskady EAS (Extensive Air Showers) widoczne jako Promieniowanie Czerenkowa i fluorescencja azotu. Kumulacja kosmicznego promieniowania przez długi czas lotu (np. do Marsa – kilkanaście miesięcy) to poważny problem dla zdrowia astronautów (dawka ok. 0,3-0,6 Sv, limit NASA 600 mSv). Promieniowanie kosmiczne warunkuje chemię obłoków molekularnych (jonizacja H2 i CO), co wpływa na powstawanie gwiazd. Izotopy kosmogeniczne (C-14, Be-10, Al-26) produkowane w atmosferze przez CR służą do datowania radiowęglowego i rekonstrukcji aktywności słonecznej w przeszłości (z rdzeni lodowych).