Наземные наблюдения сводятся к регистрации вторичных частиц и излучения.
В результате столкновения частиц высокой энергии с атмосферными частицами также рождаются заряженные пионы, которые в основном распадаются на мюоны и нейтрино, достигающие поверхности Земли. Детектирование вторичных мюонов с помощью сцинтилляционных или водных черенковских детекторов часто используется для исследования космических лучей.
Более экзотический способ, пока не получивший широкого распространения, состоит в регистрации радиоволн от широких атмосферных ливней. Это низкочастотное (десятки мегагерц) излучение возникает при распространении электромагнитного каскада (электронов и позитронов) в магнитном поле Земли. Его существование было предсказано и продемонстрировано еще в середине 1960-х гг., однако лишь в последнее время начались серьезные попытки использовать этот метод в качестве существенного дополнения более традиционных подходов (наблюдение черенковского излучения и «воздушной флуоресценции», а также регистрация вторичных мюонов).
Преимущества косвенной регистрации состоят в том, что можно регистрировать очень редкие частицы сверхвысоких энергий – до 10>21 эВ. Чтобы набрать большую статистику, необходимо охватывать по возможности бóльшую площадь. В настоящее время наиболее крупным проектом является обсерватория имени Пьера Оже (Pierre Auger) в Аргентине с площадью установки около 3000 км2. В обсерватории используется гибридная система регистрации: по всей территории расположено около 1600 черенковских водных детекторов для регистрации мюонов, и всю эту площадь осматривают 24 телескопа, сгруппированные в четыре наблюдательные станции и регистрирующие черенковское излучение и атмосферную флуоресценцию.
Именно благодаря обсерватории Оже удалось получить достаточно большую статистику частиц с энергиями выше 10>19 эВ, чтобы подтвердить их внегалактическое происхождение. Однако источник этих частиц до сих пор остается неясным, хотя рассматриваются возможности ускорения частиц в космических гамма-всплесках, активных ядрах галактик и в ударных волнах в скоплениях галактик.
Одной из проблем определения природы этих «космических ускорителей» является невозможность узнать точное направление на источник. Это связано не со сложностями детектирования частиц, а с особенностями их распространения. Дело в том, что заряженные частицы испытывают влияние со стороны магнитного поля, и траектории частиц с энергиями до 10>15–10>17 эВ оказываются сильно запутанными уже галактическими магнитными полями (поэтому они проводят долгое время внутри нашей Галактики). При бóльших энергиях частицы лишь слабо отклоняются полем Галактики, но, распространяясь в течение миллионов или даже миллиардов лет в межгалактической среде, испытывают отклоняющее воздействие слабых межгалактических полей. В итоге зарегистрированное направление может отличаться от исходного на несколько градусов, что исключает точную локализацию.