Состав космических лучей (КЛ) не является постоянным и существенно зависит от их энергии. Наблюдается тенденция к тому, что при низких и умеренных энергиях спектр частиц отражает в значительной мере процессы ускорения и последующего распространения в Галактике, тогда как при сверхвысоких энергиях всё более важным становится источник их происхождения и предельные механизмы ускорения. Это ведёт к изменению относительных концентраций лёгких и тяжёлых ядер, а также вторичных компонентов.
В низкоэнергетической области (до ~1 ГэВ на нуклон) состав значительно искажается солнечной модуляцией. При энергиях выше 10 ГэВ влияние солнечного ветра и магнитного поля Солнца ослабевает, и структура спектра всё более определяется процессами галактической диффузии. При энергиях порядка петаэлектронвольт (10¹⁵ эВ) и выше проявляются особенности, связанные с различием в пределах ускорения для разных элементов.
В области энергий порядка нескольких ГэВ доминируют лёгкие ядра — протоны и альфа-частицы, составляющие вместе около 90% потока. Однако по мере роста энергии относительная доля тяжёлых ядер увеличивается. Это объясняется как различиями в механизмах ускорения, так и свойствами галактического распространения: тяжёлые ядра медленнее теряют энергию на ионизационные потери и лучше удерживаются в межзвёздной среде.
Особенно характерен так называемый эффект «жёсткости»: чем больше заряд ядра, тем выше максимальная энергия, до которой оно может быть ускорено при данном магнитном поле. Следовательно, в окрестности спектрального излома («колена» при ~3×10¹⁵ эВ) наблюдается заметное утяжеление состава, то есть возрастание доли элементов от углерода до железа.
Космические лучи включают не только первичные ядра, ускоренные в астрофизических источниках, но и вторичные частицы, образующиеся при взаимодействии первичных КЛ с межзвёздным веществом. К таким компонентам относятся литий, бериллий, бор, а также некоторые изотопы.
При низких энергиях (до десятков ГэВ) доля вторичных ядер значительна, что объясняется их сравнительно долгим временем пребывания в Галактике и частыми столкновениями с атомами межзвёздного газа. Однако по мере увеличения энергии коэффициент диффузии растёт, и частицы быстрее покидают Галактику. Это ведёт к уменьшению относительной доли вторичных компонентов. Например, отношение бор/углерод (B/C) резко снижается с энергией от ~1 ГэВ/нуклон до сотен ГэВ/нуклон.
Таким образом, по изменению соотношений вторичных и первичных компонентов с энергией можно судить о характере межзвёздного магнитного поля и законах диффузии космических лучей.
Наиболее выраженное изменение состава наблюдается в районе энергетического «колена» спектра (~3×10¹⁵ эВ). Здесь происходит постепенный спад потока протонов и лёгких ядер, что связано с ограниченной способностью астрофизических источников (например, ударных волн сверхновых) ускорять частицы.
Тяжёлые ядра, обладающие большей жесткостью, достигают более высоких энергий, поэтому в области «колена» их относительная доля становится выше. Это приводит к утяжелению состава КЛ, подтверждаемому как прямыми экспериментальными измерениями на спутниках и стратосферных шарах, так и данными наземных установок по изучению атмосферных ливней.
При энергиях выше 10¹⁷ эВ наблюдается переходный режим, где существенную роль начинают играть экстрагалактические источники. Состав в этой области менее однозначен: одни эксперименты фиксируют преобладание лёгких частиц (протонов), другие указывают на наличие тяжёлых ядер. Это связано как с погрешностями методов, так и с разнообразием возможных источников (активные галактические ядра, гамма-всплески и др.).
В области сверхвысоких энергий (выше 10¹⁹ эВ) важным фактором становится взаимодействие частиц с реликтовым излучением (эффект ГЗК). Для протонов это приводит к значительному ограничению дальности их распространения. Более тяжёлые ядра подвергаются фотодезинтеграции, что также меняет наблюдаемый состав.