Недавно американские физики раскрыли загадку поясов Ван Аллена — особых зон, в которых накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные электроны и протоны. Выяснилось, что на самом деле они вовсе не защищают нашу планету от этих самых высокоэнергетических частиц, поскольку они становятся такими уже после попадания в пояса.

Бозон Хиггса: учёные нашли «частицу Бога»

Напомню, что радиационные пояса в магнитосфере нашей планеты были открыты в 50-х годах прошлого столетия. Американский ученый Джеймс ван Аллен, а также отечественные физики С.Н. Вернов и А.Е. Чудаков, проанализировав данные со спутников Эксплорер-1 и Спутник-3 пришли к выводу, что возле Земли существуют пояса, — в основном это протоны и электроны. Причем не один, а два — первый находится в среднем на высоте 4000 км над земной поверхностью и состоит преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ.

Второй же пояс расположен намного выше — где-то на высоте 17 000 км, и в нем присутствуют в основном электроны с энергией в десятки кэВ. Также известно, что между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Следует заметить, что потоки частиц во внешнем поясе более обильные, чем во внутреннем. В то же время никакой жесткой границы между поясами не существует — так, над Атлантикой нижний пояс может спускаться до высоты в 500 км, а над Индонезией — до 1300 км.

В англоязычной литературе эти пояса традиционно называются поясами Ван Аллена — в честь одного из первооткрывателей. Тем не менее, Джеймс ван Аллен, хоть и сумел обнаружить потоки высокоэнергетичных частиц в магнитосфере, однако все-таки не мог дать точный ответ на вопрос, каким образом они там появляются. Позже была сформулирована гипотеза о том, что во внешний пояс попадают высокоэнергетичные электроны из дальних уголков магнитосферы нашей планеты. Оказавшись в зоне захвата (области, недоступные для частиц с кинетической энергией, меньше критической, из которой попавшие туда электроны с данными характеристиками уже не могут выбраться) эти частицы ускоряются и образуют широко известные кольцеподобные структуры самого пояса.

Однако в последнее время накопились данные, которые несколько не соответствуют этому объяснению. В частности, если бы все было именно так, тогда бы многие параметры поясов Ван Аллена, например, плотность частиц, изменялись бы достаточно медленно, то есть на протяжении дней и недель. Однако это происходит куда быстрее — так, когда в 2012 году НАСА запустило пару зондов, специально предназначенных для изучения поясов, то выяснилось, что в прошлом октябре та самая плотность электронов во внешнем из них выросла в тысячу раз менее чем за 12 часов!

Проанализировав полученные результаты, группа физиков Джеффри Ривзом из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) пришла к выводу, что все происходит несколько по другому. На самом деле электрические поля внутри поясов отрывают электроны от блуждающих в космическом пространстве атомов и ускоряют их до околосветовых скоростей. Построенная ими модель показала, что подобные процессы могут изменить параметры поясов за время от пары секунд до нескольких часов, то есть достаточно быстро.

Интересно, что схожие версии уже высказывались учеными и раньше — так, спутниковые наблюдения 90-х показывали именно такую скорость изменения плотности электронов в верхнем из поясов Ван Аллена. Однако подобное фиксировалось лишь на небольших участках этого пояса, что заставило физиков усомниться в том, что данный процесс является общей закономерностью. В итоге решили, что приборы спутников имели дело с какой-то местной аномалией, причины которой так и не удалось установить. Однако теперь, поскольку резкое увеличение плотности было зафиксировано практически по всему поясу, стало понятно, что гипотеза захвата электронов у космических атомов абсолютно верна.

Более того, исследования доктора Ривза и его коллег показали, что электроны не приходят из космоса, уже обладая высокими энергиями, а получают их уже в поясах Ван Аллена, которые, как выяснилось, выполняют роль естественных ускорителей частиц, аналогичных тем, что стоят во многих земных физических институтах. Из этого же следует, что представление о том, будто бы радиационные пояса только защищают землю от потока космических частиц, совершенно неверно — ведь на практике большая часть электронов (и, скорее всего, протонов) становятся высокоэнергетическими уже после их захвата, то есть попадания в пояса Ван Аллена.

А.М.ГАЛЬПЕР

Московский инженерно-физический институт

1. Введение

Область ближайшего околоземного космического пространства в виде кольца, окружающего Землю, в которой сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным магнитным полем Земли, получила название (РПЗ). За рубежом ее обычно называют поясом Ван-Аллена. РПЗ был открыт американскими и советскими учеными в 1957-1958 годах , . С тех пор в космосе было проведено огромное количество экспериментов, позволивших изучить основные свойства и особенности РПЗ. Радиационные пояса наподобие земного существуют у планет, обладающих магнитным полем и атмосферой. Благодаря американским межпланетным кораблям они были обнаружены у , и .

Что же такое РПЗ? Качественно это можно объяснить следующим образом. Дипольное магнитное поле Земли - это набор вложенных друг в друга магнитных оболочек. Его структура напоминает луковицу или кочан капусты. Магнитную оболочку можно определить как замкнутую поверхность, сотканную из магнитных силовых линий. Чем ближе оболочка к центру диполя, тем больше напряженность магнитного поля и импульс, необходимый заряженной частице, чтобы проникнуть извне к этой оболочке. Таким образом, N -я оболочка характеризуется импульсом частицы P N . Если же начальный импульс частицы меньше, чем P N , то магнитное поле ее отразит и частица вернется в космическое пространство. Если же эта частица каким-то образом окажется на N -й оболочке, то покинуть ее она уже не сможет. Такая захваченная частица останется в ловушке, пока не рассеется или не потеряет энергию при столкновении с остаточной атмосферой.

2. Общее описание РПЗ

2.1. Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли - диполь, ось которого составляет с осью вращения Земли угол 11°, не проходит через геометрический центр вращения Земли, а сдвинута на 342 км в сторону, противоположную восточной оконечности Бразилии. Полярность магнитного поля Земли противоположна географической. Северный магнитный полюс расположен на юге, в Антарктиде, а Южный - на севере, в Канаде. Так, Москва, расположенная на 56° северной географической широты, имеет южную магнитную широту 51°. Магнитный момент Земли M = 8,1 10 25 Гс см 3 , и средняя напряженность магнитного поля на поверхности Земли составляет ~ 0,4 Гс. Общепризнанной теории происхождения магнитного поля Земли до сих пор нет. Среди имеющихся гипотез наиболее правдоподобны две: поле вызвано вращающимся железным ядром Земли или гигантским электрическим током, опоясывающим Землю на большом расстоянии от центра Земли.

Наклон и смещение оси диполя по отношению к оси вращения, а также величина магнитного момента определяют лишь общую картину магнитного поля Земли. На малых расстояниях от Земли поле несколько искажается под влиянием магнитных аномалий: Бразильской, Южноатлантической, Северной и др. На расстояниях же более 6-7 радиусов Земли оно существенно искажено солнечным ветром (магнитным полем, вмороженным в плазму солнечного ветра). На рис. 1 представлена картина пространства, занимаемого магнитным полем Земли и называемого магнитосферой. сильно сплюснута со стороны Солнца и очень вытянута с противоположной (то есть ночной). “Хвост” земной магнитосферы простирается до траектории Луны. Именно в вытянутой части магнитосферы иногда случаются разрывы магнитных силовых линий, и через них солнечный ветер прорывается внутрь магнитосферы.

На расстояниях менее 6-7 радиусов Земли магнитное поле можно считать почти дипольным, сферически симметричным и не зависящим от долготы. Тогда напряженность магнитного поля в любой точке пространства определяется как

В плоском двумерном приближении каждая точка может быть определена магнитной силовой линией, на которой она находится, и углом , то есть магнитной широтой. При этом саму магнитную силовую линию можно “пометить” расстоянием между экваториальной точкой этой линии и центром диполя и выразить в относительных единицах L = r экв /r з, где r экв - расстояние от экваториальной точки до центра диполя, а r з - радиус Земли. Так, магнитная силовая линия с параметром L = 1 имеет экваториальную точку на поверхности Земли.

Положение любой точки в магнитосфере Земли может быть обозначено как трехмерными географическими координатами, так и магнитной системой координат. Обычно для описания движения заряженных частиц используют магнитную координатную систему (L , B ), называемую системой координат Мак-Илвайна по имени предложившего ее ученого.

2.2. Движение частиц в магнитном поле Земли

1. Если в магнитном поле скорость заряженной частицы направлена под некотором углом q (так называемый питч-угол) к направлению магнитной силовой линии, где находится частица, то вектор ee скорости можно разложить на две составляющие: по касательной к магнитной силовой линии и перпендикулярно к ней. Движение такой частицы может быть представлено как ларморовское вращение вокруг магнитной силовой линии (центр вращения частицы в магнитном поле называют ведущим центром) и поступательное (движение центра вращения вдоль магнитной силовой линии). В результате сложения этих составляющих частица движется по спиральной траектории, навиваясь на магнитные силовые линии, и, если эти магнитные линии замкнутые, возникает обычный эффект магнитного удержания (рис. 2).

Радиус вращения R л вокруг силовой линии, обычно называемый ларморовским, определяется из равенства центробежной силы и силы Лоренца. Период обращения T л составляет

где m - масса частицы, c - скорость света, Ze - заряд частицы, а - составляющая скорости, перпендикулярная к магнитному полю.

Мы полагаем магнитное поле достаточно однородным и стабильным: его изменения в пространстве и во времени очень малы на протяжении ларморовского радиуса и одного периода обращения, из-за чего выполняются условия

(3)

(4)

2.3. Пространственное и энергетическое распределения захваченных частиц в радиационном поясе Земли

В магнитном поле Земли одна и та же оболочка на разных долготах отстоит на различном расстоянии от поверхности Земли из-за несовпадения оси вращения с осью магнитного поля. Этот эффект наиболее заметен над Бразильской магнитной аномалией, где магнитные силовые линии опускаются и движущиеся по ним захваченные частицы рискуют оказаться ниже высоты 100 км и погибнуть в атмосфере Земли.

Распределение электронов и протонов внутри пояса неодинаково. В частности, из рис. 4 видно, что протоны располагаются во внутренней части пояса, а электроны - во внешней. Поэтому при открытии и на раннем этапе исследования радиационного пояса считалось, что поясов два: внутренний - протонный и внешний - электронный.

2.4. Природа частиц радиационного пояса

Самый существенный механизм генерации частиц, заполняющих РПЗ, - это распад альбедных нейтронов. Нейтроны образуются при взаимодействии космического излучения с атмосферой. Поток нейтронов по направлению от Земли (нейтроны альбедо) беспрепятственно проходит сквозь ее магнитное поле. Однако они нестабильны и распадаются на протоны, электроны и электронное антинейтрино. В зависимости от напряженности магнитного поля в точке распада нейтрона и питч-углов электронов и протонов они будут захвачены или же покинут РПЗ. Нейтроны альбедо снабжают радиационный пояс протонами с энергией до 10 3 МэВ и электронами с энергией до нескольких МэВ.

Второй механизм - радиальная диффузия. Плазма солнечного ветра, обтекая магнитосферу, врывается в магнитное поле Земли со стороны хвоста магнитосферы, и заряженные частицы, оказавшись на магнитной силовой линии, захватываются и участвуют во всех трех описанных выше движениях. Находясь на определенной силовой линии L , захваченная частица имеет соответствующую энергию E , причем EL 3 = const. Действительно, из выражения следует, что ~ (E /B ) ~ const. Учитывая, что B ~ r -3 ~ L -3 , получаем EL 3 = const. При резком изменении давления солнечного ветра магнитное поле может сильно измениться даже за один оборот частицы вокруг земного шара. Тогда второе условие адиабатичности нарушается и частица переходит на оболочку с меньшим L . Происходит увеличение энергии за счет изменения магнитного поля. Это сравнительно медленный процесс ускорения, однако он дополнительно обеспечивает радиационный пояс протонами и электронами до энергии ~ 30 МэВ. Внешняя часть РПЗ в основном и формируется этим механизмом, и поскольку этот источник зависит от магнитных возмущений, то внешний электронный пояс достаточно динамичный и изменяемый в отличие от внутренней части.

Есть еще несколько механизмов накачки пояса высокоэнергичными частицами. Например, альбедные атмосферные электроны и протоны, возникшие в результате взаимодействия первичных протонов с ядрами в верхней атмосфере, рассеиваются на остаточной атмосфере и захватываются в РПЗ или высокоэнергичные радиоактивные альбедные ядра претерпевают распад внутри зоны захвата и пополняют радиационный пояс электронами и позитронами.

Во время сильных магнитных бурь частицы не только ускоряются, но и высыпаются из пояса. Дело в том, что изменения конфигурации магнитного поля могут погрузить зеркальные точки в атмосферу и частицы, теряя энергию (рассеяние, ионизационные потери), изменяют питч-углы и гибнут в верхних слоях магнитосферы.

РПЗ окружен так называемым плазменным слоем (захваченные потоки электронов и протонов (ионов) c плотностью ~1 см -3 и энергией до 1 кэВ) (рис. 1). Одной из причин возникновения северных (полярных) сияний является высыпание частиц из плазменного слоя и частично из внешнего РПЗ. Явление “северные сияния” - это излучение атомов атмосферы, возбуждаемых в результате столкновений с частицами, высыпающимися из пояса.

3. Результаты исследования радиационного пояса Земли

Практически все результаты исследований РПЗ, позволившие создать основополагающую физическую картину этого явления, были получены в 1960-1970 годах. Новейшие исследования с использованием межпланетных кораблей, орбитальных станций и научной аппаратуры нового поколения позволили получить очень важные новые данные о РПЗ.

3.1. Обнаружение стационарного пояса электронов высокой энергии

В начале 80-х годов ученые МИФИ изучали потоки высокоэнергичных электронов в ближайшей окрестности Земли с помощью аппаратуры, установленной на орбитальной станции “Салют-6”. Аппаратура позволяла с высокой эффективностью выделять потоки электронов и позитронов с энергией более 40 МэВ . Орбита станции “Салют-6” (высота 350-400 км, наклонение 52°) в основном проходила ниже радиационного пояса Земли, но в районе Бразильской магнитной аномалии она задевала внутреннюю часть РПЗ. И именно, при пересечении станцией Бразильской аномалии были обнаружены стационарные потоки высокоэнергичных электронов (рис. 3). До этого эксперимента в РПЗ были зарегистрированы лишь электроны с энергией не более 5 МэВ (в соответствии с альбедным механизмом возникновения).

Последующие измерения группа МИФИ провела на искусственных спутниках Земли серии “Метеор-3” (высота круговых орбит 800 и 1200 км). Прибор глубоко внедрился в радиационный пояс и подтвердил результаты, полученные на станции “Салют-6”, - существование стабильного пояса высокоэнергичных электронов. Затем группа МИФИ получила еще более важный результат с помощью магнитных спектрометров, установленных на станциях “Салют-7” и “Мир”. Было доказано, что стабильный пояс состоит только из электронов (без позитронов) высокой энергии (до 200 МэВ). Это означает, что в магнитосфере Земли реализуется весьма эффективный ускорительный механизм (одной только радиальной диффузией наблюдаемое ускорение объяснить нельзя) . В настоящее время измерения на станции “Мир”" продолжаются.

3.2. Обнаружение стационарного пояса ядер CNO

В конце 80-х - начале 90-х годов группа ученых НИЯФ МГУ поставила эксперимент по исследованию ядер, находящихся в ближайшем космическом пространстве. Измерения проводились на ИСЗ серии “Космос” с использованием ядерных фотоэмульсий и пропорциональных камер. Были обнаружены потоки ядер O, N и Ne в области космического пространства, где орбита искусственного спутника (H ~ 400-500 км, наклонение 52°) пересекала Бразильскую аномалию. Анализ показал, что эти ядра с энергией до нескольких десятков МэВ/нуклон не могли быть ни альбедными, ни галактическими, ни солнечного происхождения, так как с такой энергией никак не могли бы столь глубоко внедриться в магнитосферу Земли. Это захваченная магнитным полем так называемая аномальная компонента космических лучей (рис. 3). Малоэнергичные атомы межзвездной материи проникают в гелиосферу. Ультрафиолетовое излучение Солнца может однократно - и реже двукратно - ионизировать атомы. Образовавшиеся заряженные частицы ускоряются на ударных фронтах до нескольких десятков МэВ/нуклон и проникают в глубь магнитосферы, где полностью ионизуются и захватываются.

3.3. Квазистационарный пояс электронов и протонов

22 марта 1991 года на Солнце произошла мощная вспышка, сопровождавшаяся выбросом большой массы солнечного вещества. К 24 марта вещество достигло магнитосферы и трансформировало ее внешнюю область. Энергичные частицы солнечного ветра ворвались в магнитосферу и достигли оболочки L ~ 2,6, на которой в то время находился американский спутник “CRESS” (высота орбиты в апогее ~ 33,6 тыс. км, в перигее 323 км, наклонение 18°) . Приборы, установленные на этом спутнике, зарегистрировали резкое возрастание потоков электронов с энергией ~15 МэВ и протонов с энергией 20-110 МэВ, свидетельствующее об образовании нового пояса на L = 2,6 (рис. 3). Квазистационарный пояс сначала наблюдали на различных космических аппаратах, но только на станции “Мир” в течение почти всего двухлетнего срока жизни. С помощью магнитного спектрометра МИФИ был определен зарядовый состав квазистационарного пояса и измерен энергетический спектр частиц.

В связи с образованием квазистационарного пояса солнечного происхождения напомним, что в 60-х годах в результате взрывов ядерных устройств в космосе образовался квазистационарный пояс из электронов малых энергий, просуществовавший около 10 лет. Источником заряженных частиц был распад радиоактивных осколков деления.

3.4. Сейсмомагнитосферные связи

Детальное изучение изменений потоков высокоэнергичных захваченных частиц, проведенное МИФИ на орбитальных станциях “Салют-6”, “Мир” и ИСЗ “Метеор”, привело к обнаружению нового явления природы, связанного с воздействием сейсмической активности Земли на внутреннюю границу , - сейсмомагнитосферной связи . Физическое объяснение этого явления сводится к следующему. Из эпицентра предстоящего землетрясения испускается электромагнитное излучение, возникающее из-за механических перемещений подземных пород (трения, растрескивания, пьезоэффекта и т.п.). Частотный спектр излучения довольно широкий. Однако достигнуть РПЗ, пройдя практически без потерь сквозь земную кору и атмосферу, может только излучение в диапазоне частот ~ 0,1-10 Гц. Достигнув нижней границы РПЗ, электромагнитное излучение взаимодействует с захваченными электронами и протонами. Активно участвуют во взаимодействии частицы, привязанные к тем магнитным силовым линиям (точнее, к трубкам из линий), которые проходят через эпицентр предстоящего землетрясения. Если частота осцилляций частиц между зеркальными точками совпадет с частотой сейсмического электромагнитного излучения (СЭМИ), взаимодействие приобретет квазирезонансный характер, проявляющийся в изменении питч-углов захваченных частиц. Если в зеркальной точке питч-угол частицы станет отличным от 90°, это неизбежно вызовет снижение зеркальной точки, сопровождаемое высыпанием частиц из радиационного пояса (рис. 5). Из-за долготного дрейфа захваченных частиц волна высыпания (то есть уход частиц вниз) огибает Землю, и вдоль магнитной широты, на которой расположен эпицентр предстоящего землетрясения, образуется кольцо высыпания. Кольцо может просуществовать 15-20 мин, пока все частицы не погибнут в атмосфере. Космический аппарат на орбите, проходящей под радиационным поясом, зарегистрирует всплеск высыпающихся частиц, когда будет пересекать широту эпицентра предстоящего землетрясения. Анализ энергетического и временного распределений частиц в зарегистрированных всплесках позволяет определить место и время прогнозируемого землетрясения (рис. 5). Обнаружение связи между сейсмическими процессами и поведением захваченных частиц в магнитосфере Земли легло в основу разрабатываемого в настоящее время нового метода оперативного прогноза землетрясений.

4. Заключение

В последнее время значительные усилия направлены на уточнение математических моделей РПЗ, позволяющих прогнозировать потоки частиц, радиационные дозы с учетом солнечной активности. Но наряду с этим продолжаются и прямые экспериментальные и теоретические исследования РПЗ, представляющие большой научный и практический интерес.

изм. от 15.10.2014 г

Известно, что в магнитосфере Земли располагаются два радиационных пояса, которые содержат заряженные частицы солнечного ветра, захваченные магнитным полем Земли. Они называются радиационными поясами Ван-Аллена (Van Allen Belt).

Хотя американец Ван-Аллен открыл только внутренний пояс, а открывателями внешнего радиационного пояса являются советские ученые Вернов и Чудаков. Внутренний пояс находится на высоте от 3 до 12 тыс.км над поверхностью Земли, а внешний - на высоте от 18 до 57 тысяч км. Внутренний состоит главным образом из протонов, а внешний - из электронов. Хотя разделение на внутренний и внешний пояса достаточно условно, поскольку все околоземное пространство заполнено заряженными частицами, которые движутся в магнитном поле Земли.

Наличие радиационных поясов и их характеристики учитываются при проектировании спутников, поскольку длительное пребывание электронной техники в таких условиях чревато поломками. Опасны радиационные пояса и для экипажей космических кораблей (правда, до сих пор сквозь радиационные пояса Земли проходили только американские корабли "Аполлон", направлявшиеся к Луне). Между радиационными поясами находится так называемая безопасная зона. Вот уже почти 40 лет среди ученых ведутся дебаты на тему того, как именно сформировалась эта безопасная зона и как происходит процесс ее "очистки" от заряженных частиц. Ранее считалось, что энергия солнечной радиации рассеивается радиоволнами идущими непосредственно от области электромагнитного всплеска, возникающего вследствии солнечной бури.

Недавние исследования, в финансировании которых принимало участие космическое агентство NASA, дали довольно неожиданные результаты. Как оказалось, за "расчистку" безопасной зоны высотой в несколько тысяч километров отвечают обычные молнии в атмосфере , которые во время гроз сверкают на высоте всего лишь 3-5 километров над поверхностью Земли. А в верхних слоях их называют голубой джет, тайгерт, спрайт и эльфы.

Молния - это не только яркая вспышка света. Во время молнии генерируются также и радиоволны.

Траектория распространения этих радиоволн искривляется под действием электрически заряженного газа, захваченного магнитным полем Земли, в результате чего радиоволны направляются в окружающее нашу планету космическое пространство. Во внутреннем радиационном поясе они взаимодействуют с заряженными частицами, отнимают у них часть их энергии и изменяют направление их движения.

В результате этого взаимодействия зеркальная точка, от которой "отражаются" заряженные частицы при их движении в магнитном поле Земли от северного полюса к южному и обратно, спускается вниз и оказывается в атмосфере Земли. А в атмосфере заряженные частицы из радиационных поясов сталкиваются с атмосферными частицами и теряют свою энергию.

Так по мнению ученых и происходит "очистка" радиационного пояса, пусть и кратковременная, но постоянная (так как молнии сверкают каждый день).

Для подтверждения данной теории, ученые использовали глобальную карту активности молний, сделанную с помощью научного спутника Micro Lab 1. Использовались данные с радио-камеры Radio Plasma Imager, установленной на спутнике IMAGE (Imager for Magnetopause Aurora Global Exploration), а также архивные данные с космического аппарата Dynamics Explorer. В результате обработки этих данных не было обнаружено корреляции радио-магнитных возмущений в моменты наиболее высокой солнечной активности. Оказалось, что заряженные частицы распределяются и накапливаются в магнитосфере Земли. В течение нескольких дней после магнитной бури, этот избыток частиц постепенно нейтрализуется мощными разрядами молний.

Был у США такой проект под названием "Starfish Prime". В его задачи входило изучение ядерного взрыва в условиях космического пространства.

9 июля 1962 года с атолла Джонстон с помощью ракеты "Тор" ядерная боеголовка мощностью 1,45 мегатонны была приведена в действие на высоте 400 километров.

Практически полное отсутствие воздуха на высоте 400 км воспрепятствовало образованию привычного ядерного гриба. Однако при высотном ядерном взрыве наблюдались другие интересные эффекты. На Гавайях на расстоянии 1500 километров от эпицентра взрыва под воздействием электромагнитного импульса три сотни уличных фонарей, телевизоры, радиоприемники и другая электроника вышли из строя. В небе в этом регионе более семи минут можно было наблюдать зарево. Его наблюдали и засняли на пленку с островов Самоа, расположенных в 3200 километрах от эпицентра.

Взрыв повлиял и на космические аппараты. Три спутника были сразу выведены из строя электромагнитным импульсом. Заряженные частицы, появившиеся в результате взрыва, были захвачены магнитосферой Земли, в результате чего их концентрация в радиационном поясе Земли увеличилась на 2-3 порядка. Воздействие радиационного пояса привело к очень быстрой деградации солнечных батарей и электроники еще у семи спутников, в том числе и у первого коммерческого телекоммуникационного спутника Телстар 1. В общей сложности взрыв вывел из строя треть космических аппаратов, находившихся на низких орбитах в момент взрыва. Тем не менее, в течение недолгого времени, концентрация заряженных частиц в радиационном поясе Земли опять вернулась к норме, нейтрализованная мощными разрядами молний.

Кроме того, в 1994 году ЮЕО сообщила об открытии двух новых неожиданных популяций космических частиц, непредвиденных для радиационных поясов Ван-Аллена, окружающих Землю:

1. В периоды внезапных солнечных магнитных бурь, известных как Инжекции Корональной Массы или ИКМ, во внутреннюю магнитосферу Земли впрыскивается плотный пучок электронов с энергией больше 50 МэВ .

2. В радиационных поясах Ван Аллена, окружающих Землю, возникает новый пояс. Он содержит ионы, характерные для состава звезд.

В которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны).

Радиационный пояс Земли [ | ]

РПЗ (пояс Ван Аллена)

Другое название (обычно в западной литературе) - «радиационный пояс Ван Аллена » (англ. Van Allen radiation belt ).

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E , меньше критической. Те же частицы с энергией E < Е кр , которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тороид , в котором выделяются две области:

Высота нижней границы радиационного пояса меняется на одной и той же географической широте по долготам из-за наклона оси магнитного поля Земли к оси вращения Земли, а на одной и той же географической долготе она меняется по широтам из-за собственной формы радиационного пояса, обусловленной разной высотой силовых линий магнитного поля Земли. Например, над Атлантикой возрастание интенсивности излучения начинается на высоте 500 км, а над Индонезией на высоте 1300 км. Если те же графики построить в зависимости от магнитной индукции , то все измерения уложатся на одну кривую, что ещё раз подтверждает магнитную природу захвата частиц.

Между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Потоки частиц во внешнем поясе больше, чем во внутреннем. Различен и состав частиц: во внутреннем поясе протоны и электроны, во внешнем - электроны. Применение неэкранированных детекторов существенно расширило сведения о радиационных поясах. Были обнаружены электроны и протоны с энергией несколько десятков и сотен килоэлектронвольт соответственно. Эти частицы имеют существенно иное пространственное распределение (по сравнению с проникающими).

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстоянии около 3 радиусов Земли от её центра (приблизительно на высоте 12 500 км от поверхности). Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Частицы с энергией десятки кэВ непривычно относить к космическим лучам , однако радиационные пояса представляют собой единое явление и должны изучаться в комплексе с частицами всех энергий.

Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Первые эксперименты показали, что электроны высокой энергии (E > 1-5 МэВ ) сосредоточены во внешнем поясе. Электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю магнитосферу. Внутренний пояс очень стабилен, тогда как внешний испытывает резкие колебания.

История открытия [ | ]

Существование радиационного пояса было впервые обнаружено американским учёным Джеймсом ван Алленом в феврале 1958 года при анализе данных с американского спутника «Эксплорер-1 » и убедительно доказано записью периодически изменяющегося уровня радиации на полном витке орбиты специально модифицированного Ван Алленом для изучения обнаруженного феномена спутника «Эксплорер-3 ». Открытие Ван Аллена было озвучено 1 мая 1958 г. и вскоре нашло независимое подтверждение в данных советского «Спутника-3 ». Более поздний повторный анализ данных более раннего советского «Спутника-2 » показал что радиационные пояса фиксировались и его оборудованием, предназначенным для анализа солнечной активности, однако странным показаниям солнечного датчика тогда не сумели дать верную интерпретацию. Негативно сказалось на советском приоритете и отсутствие на «Спутниках» записывающего оборудования (на «Спутнике-2» оно не предусматривалось, а на «Спутнике-3» сломалось), из-за чего полученные данные оказались отрывочными и не давали цельной картины об изменении радиации с высотой и наличии в околоземном пространстве не просто космической радиации, но характерного «пояса», охватывающего лишь определённые высоты. Однако более разнообразное оборудование «Спутника-3» помогло уточнить «состав» внутреннего пояса. В конце 1958 года анализ данных «Пионера-3 » и чуть более поздней «Луны-1 » привёл к открытию существования внешнего радиационного пояса, а американские высотные ядерные взрывы продемонстрировали, что на радиационные пояса Земли может оказывать влияние человек. Анализ этих данных привёл к постепенному формированию с середины 1959 года современных представлений о существовании двух радиационных поясов вокруг Земли и механизмах их образования.

История исследований [ | ]

30 августа 2012 года с космодрома на мысе Канаверал с помощью ракеты Atlas V 410 на высокоэллиптическую орбиту с высотой апогея около 30 тысяч километров были выведены два идентичных зонда RBSP (Radiation Belt Storm Probes ), предназначенных для изучения радиационных поясов. Впоследствии они были переименованы в «Зонды Ван Аллена» (Van Allen Probes ). Два аппарата нужны были для того, чтобы отличить изменения, связанные с переходом из одной области в другую с изменениями, происходящими в самих поясах. . Одним из основных результатов этой миссии было открытие третьего радиационного пояса, появляющегося на короткое время порядка нескольких недель. На февраль 2017 года работа обоих зондов продолжалась.

Радиационные пояса планет [ | ]

Благодаря наличию сильного магнитного поля планеты-гиганты (Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун) также обладают сильными радиационными поясами, напоминающими внешний радиационный пояс Земли . Советские и американские космические зонды показали, что Венера, Марс, Меркурий и Луна радиационных поясов не имеют.

История исследований [ | ]

Радиоизлучение радиационного пояса Юпитера впервые было обнаружено в 1955 году , однако природа излучения тогда оставалась непонятной. Непосредственные измерения в радиационном поясе Юпитера впервые были проведены КА «Пионер-10 », прошедшим через его наиболее плотную область в 1973 году .

См. также [ | ]

Примечания [ | ]

Литература [ | ]

• Мурзин С. В. Введение в физику космических лучей. - М.: Атомиздат , 1979.
• Модель космического пространства : в 3 т. - М.: Изд-во МГУ , 1976.
• Вернов С. Н., Вакулов П. В., Логачёв Ю. И. Радиационные пояса Земли // Успехи СССР в исследовании космического пространства: сб. - М., 1968. - С. 106.
• Космическая физика: пер. с англ. - М., 1966.
• Тверской Б. А. Динамика радиационных поясов Земли, - М., 1968.
• Редерер Х. Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем: пер. с англ. - М., 1972.
• Хесс В. Радиационный пояс и магнитосфера: пер. с англ. - М., 1972.
• Шабанский В. П. Явления в околоземном пространстве. - М., 1972.
• Гальперин Ю. И., Горн Л. С., Хазанов Б. И. Измерение радиации в космосе. - М., 1972.
• Adams, L.; Daly, E. J.; Harboe-Sorensen, R.; Holmes-Siedle, A. G.; Ward, A. K.; Bull, R. A. (December 1991). “Measurement of SEU and total dose in geostationary orbit under normal and solar flare conditions”. IEEE Transactions on Nuclear Science . 38 (6): 1686-1692. Bibcode :

Начало космонавтики ознаменовалось рядом открытий, одним из которых было открытие радиационных поясов Земли. Внутренний радиационный пояс Земли был открыт американским учёным Джеймсом ван Алленом после полета Эксплорер-1. Внешний радиационный пояс Земли был открыт советскими учёными С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым после полёта Спутник-3 в 1958 году.

На некоторых высотах первые спутники попадали в области, которые были густо насыщенны заряженными частицами, обладающими очень большой энергией, резко отличными от наблюдавшихся ранее космических частиц, и первичных, и вторичных. После обработки данных со спутников стало ясно, что речь идет о заряженных частицах, захваченных магнитным полем Земли.

Известно, что любые заряженные частицы, попав в магнитное поле, начинают «навиваться» на силовые линии магнитного поля, одновременно передвигаясь вдоль них. Размеры витков получающейся спирали зависят от первоначальной скорости частиц, их массы, заряда и напряженности магнитного поля Земли в той области околоземного пространства, в которую они влетели и изменили направление движения.

Магнитное поле Земли неоднородно. У полюсов оно «сгущается» - уплотняется. Поэтому заряженная частица, начавшая движение по спирали вдоль «оседланной» ею магнитной линии из области, близкой к экватору, по мере приближения к какому-либо полюсу испытывает все большее и большее сопротивление, пока не остановится. А затем возвращается назад к экватору и дальше к противоположному полюсу, откуда начинает движение в обратном направлении. Частица оказывается как бы в гигантской «магнитной ловушке» планеты.

Эти области магнитосферы, где накапливаются и удерживаются проникшие в нее высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны) и частицы с кинетической энергией E меньше критической называются радиационными поясами. Земля имеет три радиационных пояса, а сейчас открыли еще и четвертый. Радиационный пояс Земли представляет собой тороид.

Первый такой пояс начинается на высоте примерно 500 км над западным и 1500 км над восточным полушарием Земли. Самая большая концентрация частиц этого пояса - его ядро - находится на высоте двух-трех тысяч километров. Верхняя граница этого пояса достигает трех-четырех тысяч километров над поверхностью Земли.

Второй пояс простирается от 10-11 до 40-60 тыс. км с максимальной плотностью частиц на высоте 20 тыс. км.

Внешний пояс начинается на высоте 60-75 тыс. км.

Приведенные границы поясов определены пока еще только приблизительно и, видимо, в каких-то пределах периодически изменяются.

Отличаются эти пояса друг от друга тем, что первый из них, самый близкий к Земле, состоит из положительно заряженных протонов, обладающих очень большой энергией - порядка 100 Мое. Их смогла захватить и удержать только самая плотная часть магнитного поля Земли. Поток протонов в нем довольно устойчив во времени и не испытывает резких колебаний.

Второй пояс состоит, главным образом, из электронов с энергией «всего лишь» 30-100 кэв. В нем движутся большие потоки частиц, чем во внутреннем поясе, он испытывает резкие колебания.

В третьем поясе, где магнитное поле Земли самое слабое, удерживаются частицы с энергией 200 эв и более.

Кроме того, электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю область захвата. Для них нет разделения на пояса, они присутствуют во всех трех поясах.

Чтобы понять, насколько опасны для всего живого на Земле заряженные частицы в радиационных поясах, приведем для сравнения пример. Так, обычное рентгеновское излучение, применяемое кратковременно для медицинских целей, обладает энергией 30-50 кэв, а мощные установки для просвечивания огромных слитков и глыб металла - от 200 кэв до 2 Мэв. Поэтому самыми опасными для космонавтов будущего и для всего живого при полетах на другие планеты являются первый и второй пояс.

Вот почему ученые сейчас столь упорно и тщательно пытаются уточнить месторасположение и форму этих поясов, распределение частиц в них. Пока ясно лишь одно. Коридорами для выхода обитаемых космических кораблей на трассы к другим мирам будут области, близкие к магнитным полюсам Земли, свободные от частиц больших энергий.

Естествен вопрос: откуда взялись все эти частицы? Их в основном выбрасывает из своих недр наше Солнце. Сейчас уже установлено, что Земля, несмотря на огромное расстояние от Солнца, находится в самой внешней части его атмосферы. Это, в частности, подтверждается тем, что каждый раз, когда возрастает солнечная активность, а следовательно, увеличиваются количество и энергия испускаемых Солнцем частиц, возрастает и количество электронов во втором радиационном поясе, который как бы под напором «ветра» из этих частиц прижимается к Земле.

Разделение зарядов на слои и образование радиационных поясов Земли происходит под действием акусто-магнитоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что коротковолновое излучение Солнца, проходя через плазму поперек силовых линий магнитного поля Земли, производит сортировку зарядов по энергетическому состоянию на разные уровни. Наличие определенного количества зарядов в каждом слое, в том числе и на поверхности Земли, дает основание предположить, что Землю вместе со всей атмосферой можно рассматривать как электрическую машину, которую по конструкции можно отождествить со сферической многослойной, многороторной, асинхронной электрической емкостно-индуктивной машиной.

Захваченные в магнитную ловушку Земли частицы под действием силы Лоренца совершают колебательное движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля из Северного полушария в Южное и обратно. Одновременно частицы совершают более медленное перемещение (долготный дрейф) вокруг Земли.

Когда частица движется по спирали в сторону увеличения магнитного поля (приближаясь к Земле), радиус спирали и её шаг уменьшаются. Вектор скорости частицы, оставаясь неизменным по величине, приближается к плоскости, перпендикулярной направлению поля. Наконец, в некоторой точке (её называют зеркальной) происходит «отражение» частицы. Она начинает двигаться в обратном направлении - к сопряжённой зеркальной точке в др. полушарии.

Одно колебание вдоль силовой линии из Северного полушария в Южное протон с энергией ~ 100 Мэв совершает за время ~ 0,3 сек. Время нахождения («жизни») такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет (~ 3×109 сек), за это время он может совершить до 1010 колебаний. В среднем захваченные частицы большой энергии совершают до нескольких сотен миллионов колебаний из одного полушария в другое.

Долготный дрейф происходит со значительно меньшей скоростью. В зависимости от энергии частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток. Положительные ионы дрейфуют в западном направлении, а электроны - в восточном. Движение частицы по спирали вокруг силовой линии магнитного поля можно представить как состоящее из вращения около т. н. мгновенного центра вращения и поступательного перемещения этого центра вдоль силовой линии.