Радіаційні пояси Землі

Радіа про нниє пояс а Земл і, внутрішні області земної магнітосфери, в яких магнітне поле Землі утримує заряджені частинки ( протони , електрони , альфа-частинки ), Що володіють кінетичної енергією від десятків кев до сотень МеВ (в різних областях Р. п. З. енергія частинок різна, див. Ст. земля , Розділ Будова Землі). Виходу заряджених частинок з Р. п. З. заважає особлива конфігурація силових ліній геомагнітного поля, що створює для заряджених частинок магнітну пастку . Захоплені в магнітну пастку Землі частки під дією Лоренца сили здійснюють складний рух, яке можна уявити як коливальний рух по спіральній траєкторії вздовж силової лінії магнітного поля з Північної півкулі в Південне і назад з одночасним більш повільним переміщенням (довготних дрейфом) навколо Землі (рис. 1). Коли частинка рухається по спіралі в бік збільшення магнітного поля (наближаючись до Землі), радіус спіралі і її крок зменшуються. Вектор швидкості частинки, залишаючись незмінним за величиною, наближається до площини, перпендикулярної напрямку поля. Нарешті, в деякій точці (її називають дзеркальною) відбувається «відображення» частинки. Вона починає рухатися в зворотному напрямку - до сполученої дзеркальної точці в ін. Півкулі. Одне коливання уздовж силової лінії з Північної півкулі в Південне протон з енергією ~ 100 МеВ здійснює за час ~ 0,3 сек. Час перебування ( «життя») такого протона в геомагнітної пастці може досягати 100 років (~ 3 × 109 сек), за цей час він може зробити до 1010 коливань. В середньому захоплені частинки великої енергії здійснюють до декількох сотень мільйонів коливань з однієї півкулі в іншу. Довготних дрейф відбувається зі значно меншою швидкістю. Залежно від енергії частинки здійснюють повний оборот навколо Землі за час від декількох хвилин до доби. Позитивні іони дрейфують в західному напрямку, електрони - в східному. Рух частинки по спіралі навколо силової лінії магнітного поля можна представити як що складається з обертання близько т. Н. миттєвого центру обертання і поступального переміщення цього центру уздовж силової лінії.

Структура радіаційних поясів. При русі зарядженої частинки в магнітному полі Землі її миттєвий центр обертання знаходиться на одній і тій же поверхні, що отримала назву магнітної оболонки (рис. 2). Магнітну оболонку характеризують параметром L, його чисельне значення в разі дипольного поля (див. диполь ) Дорівнює відстані, вираженого в радіусах Землі, на яке відходить магнітна оболонка (в екваторіальній площині диполя) від центру диполя. Для реального магнітного поля Землі (див. земний магнетизм ) Параметр L наближено зберігає такий же простий сенс. Енергія частинок пов'язана зі значенням параметра L; на оболонках з меншими значеннями L знаходяться частинки, що володіють великими енергіями. Це пояснюється тим, що частинки високих енергій можуть бути утримані лише сильним магнітним полем, т. Е. У внутрішніх областях магнітосфери. Зазвичай виділяють внутрішній і зовнішній Р. п. 3., пояс протонів малих енергій (пояс кільцевого струму) і зону квазізахвата частинок (рис. 3), або авроральной радіації (по лат. Назвою полярних сяйв). Внутрішній радіаційний пояс характеризується наявністю протонів високих енергій (від 20 до 800 МеВ) з максимумом щільності потоку протонів з енергією Ep> 20 МеВ до 104 протон / (см 2 × сек × стер) на відстані L ~ 1,5. У внутрішньому поясі присутні також електрони з енергіями від 20-40 кев до 1 МеВ; щільність потоку електронів з Ee ³ 40 кев становить в максимумі ~ 106-107 електрон / (см 2 × сек × стер).

Внутрішній пояс розташований навколо Землі в екваторіальних широтах (рис. 4).

Із зовнішнього боку цей пояс обмежений магнітної оболонкою з L ~ 2, яка перетинається з поверхнею Землі на геомагнітних широтах ~ 45 °. Найближче до поверхні Землі (на висоти до 200-300 км) внутрішній пояс підходить поблизу Бразильської магнітної аномалії, де магнітне поле сильно ослаблене; над географічним екватором нижня межа внутрішнього поясу відстоїть від Землі на 600 км над Америкою і до 1600 км над Австралією. На нижній межі внутрішнього поясу частки, відчуваючи часті зіткнення з атомами і молекулами атмосферних газів, втрачають свою енергію, розсіюються і «поглинаються» атмосферою.

Зовнішній Р. п. З. укладений між магнітними оболонками c L ~ 3 і L ~ 6 з максимальною щільністю потоку частинок на L ~ 4,5. Для зовнішнього пояса характерні електрони з енергіями 40-100 кев, потік яких в максимумі досягає 106-107 електрон / (см 2 × сек × стер). Середній час «життя» частинок зовнішнього Р. п. З. становить 105-107 сек. У періоди підвищеної сонячної активності в зовнішньому поясі присутні також електрони високих енергій (до 1 МеВ і вище).

Пояс протонів малих енергій (Ep ~ 0,03-10 МеВ) простягається від L ~ 1,5 до L ~ 7-8. Зона квазізахвата, або авроральной радіації, розташована за зовнішнім поясом, вона має складну просторову структуру, обумовлену деформацією магнітосфери сонячним вітром (Потоком заряджених частинок від Сонця). Основною складовою частинок зони квазізахвата є електрони і протони з енергіями E <100 кев. Зовнішній пояс і пояс протонів малих енергій найближче (до висоти 200-300 км) підходить до Землі на широтах 50-60 °. На широти вище 60 ° проектується зона квазізахвата, що збігається з областю максимальної частоти появи полярних сяйв . В деякі періоди відзначається існування вузьких поясів електронів високих енергій (Ee ~ 5 МеВ) на магнітних оболонках з L ~ 2,5-3,0.

Енергетичні спектри для всіх частинок Р. п. З. описуються функціями виду: N (E) ~ E g, де N (E) - число часток з цією енергією E, або N (E) ~ з характерними значеннями g »1,8 для протонів в інтервалі енергій від 40 до 800 МеВ, E0 ~ 200-500 кев для електронів зовнішніх і внутрішніх поясів і E0 ~ 100 кев для протонів малих енергій.

Історія відкриття радіаційних поясів. Історично першими були відкриті внутрішній пояс (групою американських вчених під керівництвом Дж. Ван Аллена, 1958) і зовнішній пояс (сов. Вченими на чолі з С. Н. Вернова і А. Е. Чудакова, 1958). Потоки частинок Р. п. З. були зареєстровані приладами ( Гейгера - Мюллера лічильниками ), Встановленими на штучних супутниках Землі. По суті, Р. п. З. не мають чітко виражених кордонів, тому що кожен тип частинок у відповідності зі своєю енергією утворює «свій» радіаційний пояс, тому правильніше говорити про одне єдиному радіаційному поясі Землі. Поділ Р. п. З. на зовнішній і внутрішній, прийняте на першій стадії досліджень і збереглося до теперішнього часу через низку відмінностей в їх властивостях, по суті, умовно.

Принципова можливість існування магнітної пастки в магнітному полі Землі була показана розрахунками К. Стёрмера (1913) і Х. Альфвена (1950), але лише експерименти на супутниках показали, що пастка реально існує і заповнена частками високих енергій.

Поповнення радіаційних поясів Землі частками і механізм втрати частинок. Походження захоплених частинок з енергією, значно перевищує середню енергію теплового руху атомів і молекул атмосфери, пов'язують з дією декількох фізичних механізмів: розпадом нейтронів , створених космічними променями в атмосфері Землі (що утворюються при цьому протони поповнюють внутрішні Р. п. З.); «Накачуванням» частинок в пояса під час геомагнітних збурень ( магнітних бур ), Яка в першу чергу обумовлює існування електронів внутрішнього поясу; прискоренням і повільним переносом часток сонячного походження із зовнішнього у внутрішні області магнітосфери (так поповнюються електрони зовнішнього пояса і пояс протонів малих енергій). Проникнення частинок сонячного вітру в Р. п. З. можливо через особливі точки магнітосфери (т. Н. Денні полярні Каспію, див. Рис. 5), а також через т. Н. нейтральний шар в хвості магнітосфери (з її нічний боку). В області денних Каспію і в нейтральному шарі хвоста геомагнітне поле різко ослаблене і не є суттєвою перешкодою для заряджених частинок міжпланетної плазми. Частково Р. п. З. поповнюються також за рахунок захоплення протонів і електронів сонячних космічних променів, що проникають у внутрішні області магнітосфери. Перерахованих джерел частинок, мабуть, досить для створення Р. п. З. з характерним розподілом потоків частинок. У Р. п. З. існує динамічна рівновага між процесами поповнення поясів і процесами втрат частинок. В основному частинки залишають Р. п. З. через втрату своєї енергії на іонізацію (ця причина обмежує, наприклад, перебування протонів внутрішнього поясу в магнітній пастці часом t ~ 109 сек), через розсіювання частинок при взаємних зіткненнях і розсіювання на магнітних неоднородностях і плазмових хвилях різного походження (див. плазма ). Розсіювання може скоротити час «життя» електронів зовнішнього пояса до 104-105 сек. Ці ефекти призводять до порушення умов стаціонарного руху частинок в геомагнитном поле (т. Н. Адиабатических інваріантів) і до «висипання» частинок з Р. п. З. в атмосферу уздовж силових ліній магнітного поля.

Зв'язок процесів в радіаційних поясах Землі з іншими процесами в навколоземному просторі. Радіаційні пояса відчувають різні часові варіації: розташований ближче до Землі і більш стабільний внутрішній пояс - незначні, зовнішній пояс - найбільш часті і сильні. Для внутрішнього Р. п. З. характерні невеликі варіації протягом 11-річного циклу сонячної активності. Зовнішній пояс помітно змінює свої кордони і структуру навіть при незначних збурень магнітосфери. Пояс протонів малих енергій займає в цьому сенсі проміжне положення. Особливо сильні варіації Р. п. З. зазнають під час магнітних бур . Спочатку в зовнішньому поясі різко зростає щільність потоку частинок малих енергій і в той же час втрачається помітна частка частинок високих енергій. Потім відбувається захоплення і прискорення нових частинок, в результаті яких в поясах з'являються потоки частинок на відстанях зазвичай ближчих до Землі, ніж в спокійних умовах. Після фази стиснення відбувається повільне, поступове повернення Р. п. З. до вихідного стану. У періоди високої сонячної активності магнітні бурі відбуваються дуже часто, так що ефекти від окремих бур накладаються один на одного, і максимум зовнішнього пояса в ці періоди розташовується ближче до Землі (L ~ 3,5), ніж в періоди мінімуму сонячної активності (L ~ 4,5-5,0).

Висип частинок з магнітною пастки, особливо із зони квазізахвата (авроральной радіації), призводить до посилення іонізації іоносфери, а інтенсивне висипання - до полярних сяйв. Запас частинок в Р. п. З., проте, недостатній для підтримки тривалого полярного сяйва, і зв'язок полярних сяйв з варіаціями потоків частинок в Р. п. З. говорить лише про їхню загальну природу, т. Е. Про те, що під час магнітних бур відбувається як накачування частинок в Р. п. З., так і скидання їх в атмосферу Землі. Полярні сяйва тривають весь час, поки йдуть ці процеси, - іноді добу і більше. Р. п. З. можуть бути створені також штучним чином: під час вибуху ядерного пристрою на великих висотах; при інжекції штучно прискорених частинок, наприклад за допомогою прискорювача на борту супутника; при розпилюванні в навколоземному просторі радіоактивних речовин, продукти розпаду яких будуть захоплені магнітним полем. Створення штучних поясів під час вибуху ядерних пристроїв було здійснено в 1958 і в 1962 роках. Так, після американського ядерного вибуху (9 липня 1962) у внутрішній пояс було інжектовано близько 1 025 електронів з енергією ~ 1 МеВ, що на два-три порядки перевищило інтенсивність потоку електронів природного походження. Залишки цих електронів спостерігалися в поясах протягом майже 10-річного періоду.

Р. п. З. є серйозну небезпеку при тривалих польотах в навколоземному просторі. Потоки протонів малих енергій можуть вивести з ладу сонячні батареї і викликати помутніння тонких оптичних покриттів. Тривале перебування у внутрішньому поясі може привести до променевому поразки живих організмів всередині космічного корабля під впливом протонів високих енергій.

Крім Землі, радіаційні пояси існують у Юпітера і, можливо, у Сатурна і Меркурія. Радіаційні пояси Юпітера, досліджені американським космічним апаратом «Піонер-10», мають значно більшу довжину і великі енергії частинок і щільності потоків частинок, ніж Р. п. З. радіаційні пояси Сатурна виявлені радіоастрономічними методами. Радянські і американські космічні апарати показали, що Венера, Марс і Місяць радіаційних поясів не мають. Магнітне поле Меркурія виявлено американської космічною станцією "Марінер-10» при прольоті поблизу планети. Це робить можливим існування в Меркурія радіаційного поясу.

Літ .: Вернов С. Н., Вакула П. В., Логачов Ю. І., Радіаційні пояси Землі, в збірці: Успіхи СРСР в дослідженні космічного простору, М., 1968, с. 106; Космічна фізика, пров. з англ., М., 1966; Товариський Б. А., Динаміка радіаційних поясів Землі, М., 1968; Редерер Х., Динаміка радіації, захопленої геомагнітних полем, пров. з англ., М., 1972; Хесс В., Радіаційний пояс і магнітосфера, пров. з англ., М., 1972; Шабанскій В. П., Явища в навколоземному просторі, М., 1972; Гальперін Ю. І., Горн Л. С., Хазанов Б. І., Вимірювання радіації в космосі, М., 1972.

Ю. І. Логачов.

Мал. 5. Розріз магнітосфери Землі по полуденного меридіану для випадку, коли вісь земного магнітного диполя перпендикулярна напрямку на Сонце. Стрілками вказані області, через які частинки сонячного вітру проникають в магнітосферу.

Мал. 3. Структура радіаційних поясів Землі (перетин відповідає полуденного меридіану): I - внутрішній пояс: II - пояс протонів малих енергій; III - зовнішній пояс; IV - зона квазізахвата.

Мал. 1. Рух заряджених частинок, захоплених в геомагнітну пастку. Частинки рухаються по спіралі уздовж силової лінії магнітного поля Землі і одночасно дрейфують по довготі.

Мал. 2. Поверхня, що описується часткою (електроном) радіаційного поясу; основною характеристикою поверхні є параметр L; N і S - магнітні полюси Землі.

Мал. 4. Розподіл щільності потоків протонів різних енергій над геомагнітних екватором. Криві відповідають потокам протонів з енергією вище зазначеної: 1 - Е p> 1 МеВ; 2 - Е p> 1,6 МеВ; 3 - Е p> 5 МеВ; 4 - Е p> 9 МеВ; 5 - Е p> 30 МеВ.