在进人地球大气层以前，这些宇宙线称为原始宇宙线。它们是由各种元素的原子核构成的粒子流，其中主要是氢原子核，约占879%；其次是氦原子核，约占12%；此外，还有氧、氮、铁、钴、镍、碳、锂、钡、硼等元素的原子核，甚至还有人探测到含量极少的铀原子核。
原始宇宙线粒子，它的能量平均比光子大得多，它的速度和光的速度相接近。它们从四面八方闯到地球上来，在地球大气边缘每平方厘米的面积上，每秒钟大约穿过1个原始宇宙线粒子。
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