宇宙射线和计算机(1998)

2020-11-27 21:01:39

下次您的计算机出现内存错误时,您可以将其归咎于来自外太空的不受欢迎的访客-宇宙射线。

每隔每秒,来自银河遥远部分的100,000个高能宇宙射线粒子就会撞击到地球大气层的每平方米。其中一些高能粒子会破坏计算机芯片,导致仅一次故障或“软故障”。这些事件并不常见,但也不罕见:计算机制造商担心会影响产品可靠性的事情是可以理解的。

首先撞击地球的宇宙射线必须穿过地球大气层的保护层。很少有能量足以穿透大气-相当于一块四米厚的混凝土板。相反,它们与高层大气中的氮和氧原子相互作用,产生自然的核反应,从而导致次级粒子“级联”,其中一些具有放射性,并以粒子“喷淋”的形式下雨。海拔很重要。宇宙射线通量最高,位于地面以上15公里处,在此之下,大气层吸收了越来越多的宇宙射线及其产物。然而,每秒有八次宇宙射线喷淋碰到地球表面的每平方米。

二十年来,纽约约克敦高地IBM研究机构的James F. Ziegler及其同事一直致力于研究宇宙射线和其他辐射源如何影响计算机性能。齐格勒在《 IBM研究与发展杂志》的最新一期中写道,宇宙射线强度在整个地球表面如何变化。他在世界各主要城市的地名词典中对宇宙射线强度进行了评级,该指南应为宇宙射线观察者应在何处以及不应在何处放置计算机提供指南。

作为参考,齐格勒给纽约市一个强度单位的等级。这大约是平均水平。亚洲南部的城市-孟买,加尔各答,曼谷和仰光-仅遭受纽约宇宙射线强度的一半。对于那些担心宇宙射线的人来说,这些是拥有电脑的最佳场所。但是,南美的城市容易产生宇宙射线:玻利维亚的拉巴斯市遭受的光照强度是纽约的八倍以上。

是什么导致这种差异?有两个因素很重要。如前所述,第一个是海拔。海拔高于该位置的位置越高,则其上方存在的保护大气层免受宇宙射线暴雨影响的空气越少。因此,尽管纽约海平面上的大气压力约为1030毫米汞柱(mmHg),但在“英里高”的城市丹佛市,其大气压力仅为852 mmHg,海拔5280英尺(1625米)的宇宙射线强度是纽约的四倍以上。科罗拉多州利德维尔(Leadville)的高度更高,达10200英尺(3138米),并且经受的辐射强度几乎是纽约的13倍。碰巧的是,拉巴斯位于安第斯山脉的海拔11910英尺(3662米)。

那么,为什么利德维尔比拉巴斯体验到更高的宇宙射线呢?这是第二个因素起作用的地方。这就是所谓的“地磁刚度”,这是宇宙射线粒子在给定位置必须穿透到海平面所需的最小能量。这取决于地球磁场的几何形状,除了大气层以外,它还是影响地面水平宇宙射线的主要因素。

由于宇宙射线粒子通常携带电荷,因此它们穿透地球磁场的速度和角度会发生巨大变化。他们没有直落到地球,而是采用了弯曲的路线,就像蜜蜂试图通过敞开的窗户引导路线一样,穿过了磁层的缠结和圈套。总的来说,他们发现比低纬度地区更容易穿透磁极。这是因为,在极点附近,磁力线是垂直的,因此粒子可以像在地毯的垂直纤维之间通过一样穿过。在较低的纬度,磁场线是水平的,因此垂直进入的粒子会弹起,除非它们足够强大以至于无法通过。

这样,与温带或极地地区相比,热带地区更倾向于在地磁上“刚性”(抗穿透)。这解释了拉巴斯和利德维尔之间的差异-撞击拉巴斯的粒子所具有的能量必须是到达利德维尔的粒子的六倍半。拉巴斯(La Paz)的所有海拔高度都位于磁场的“更硬”部分,因此,尽管它处于比Leadville更高的高度,但它受到的高能宇宙射线的冲击较少。

这也解释了为什么孟买,加尔各答,曼谷和仰光是地球上最没有宇宙射线的城市。它们不仅位于海平面,而且还恰好位于地磁刚度在地球上任何地方最高的地区。