Радіаційні пояси Землі
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Радіаційні пояси Землі

Радіаційні пояси Землі, внутрішні області земної магнітосфери, в яких магнітне поле Землі утримує заряджені частки ( протони, електрони, альфа-частки ), що володіють кінетичною енергією від десятків кев до сотень Мев (у різних областях Р. п. З. енергія часток різна, див.(дивися) ст. Земля, розділ Будова Землі). Виходу заряджених часток з Р. п. З. заважає особлива конфігурація силових ліній геомагнітного поля, що створює для заряджених часток магнітну пастку . Захоплені в магнітну пастку Землі частки під дією Лоренца сили здійснюють складний рух, який можна представити як коливальний рух по спіральній траєкторії уздовж силової лінії магнітного поля з Північної півкулі в Південне і назад з одночасним повільнішим переміщенням (довготним дрейфом) довкола Землі ( мал. 1 ). Коли частка рухається по спіралі у бік збільшення магнітного поля (наближаючись до Землі), радіус спіралі і її крок зменшуються. Вектор швидкості частки, залишаючись незмінним по величині, наближається до плоскості, перпендикулярної напряму поля. Нарешті, в деякій крапці (її називають дзеркальною) відбувається «віддзеркалення» частки. Вона починає рухатися у зворотному напрямі — до зв'язаної дзеркальної крапки в ін. півкулі. Одне вагання уздовж силової лінії з Північної півкулі в Південне протон з енергією ~ 100 Мев здійснює за час ~ 0,3 сек. Час знаходження («життя») такого протона в геомагнітній пастці може досягати 100 років (~ 3×10 9 сік ) , за цей час він може зробити до 10 10 коливань. В середньому захоплені частки великої енергії здійснюють до декількох сотень мільйонів коливань з однієї півкулі в інше. Довготний дрейф відбувається із значно меншою швидкістю. Залежно від енергії частки здійснюють повний зворот довкола Землі за час від декількох хвилин до діб. Позитивні іони дрейфують в західному напрямі, електрони — в східному. Рух частки по спіралі довкола силової лінії магнітного поля можна представити як що складається з обертання біля т.з. миттєвого центру обертання і поступального переміщення цього центру уздовж силової лінії.

загрузка...

  Структура радіаційних поясів. При русі зарядженої частки в магнітному полі Землі її миттєвий центр обертання знаходиться на одній і тій же поверхні, що отримала назву магнітної оболонки ( мал. 2 ). Магнітну оболонку характеризують параметром L , його чисельне значення в разі дипольного поля (див. Диполь ) дорівнює відстані, вираженій в радіусах Землі, на яке відходить магнітна оболонка (у екваторіальній плоскості диполя) від центру диполя. Для реального магнітного поля Землі (див. Земний магнетизм ) параметр L приблизно зберігає такий же простий сенс. Енергія часток пов'язана із значенням параметра L ; на оболонках з меншими значеннями L знаходяться частки, що володіють великими енергіями. Це пояснюється тим, що частки високих енергій можуть бути утримані лише сильним магнітним полем, тобто у внутрішніх областях магнітосфери. Зазвичай виділяють внутрішній і зовнішній Р. п. 3., пояс протонів малих енергій (пояс кільцевого струму) і зону квазізахвату часток ( мал. 3 ), або авроральной радіації (по лат.(латинський) назві полярних сяянь). Внутрішній радіаційний пояс характеризується наявністю протонів високих енергій (від 20 до 800 Мев ) з максимумом щільності потоку протонів з енергією E p > 20 Мев до 10 4 протон/( см 2 × сік × 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 E e ³ 40 кев складає в максимумі ~ 10 6 —10 7 електрон/( см 2 × сек×стер ) .

  Внутрішній пояс розташований довкола Землі в екваторіальних широтах ( мал. 4 ).

  Із зовнішнього боку цей пояс обмежений магнітною оболонкою з L ~ 2, яка перетинається з поверхнею Землі на геомагнітних широтах ~ 45°. Щонайближче до поверхні Землі (на висоти до 200—300 км. ) внутрішній пояс личить поблизу Бразільської магнітної аномалії, де магнітне поле сильно ослаблене; над географічним екватором нижній кордон внутрішнього поясу отстоїт від Землі на 600 км. над Америкою і до 1600 км. над Австралією. На нижньому кордоні внутрішнього поясу частки, випробовуючи часті зіткнення з атомами і молекулами атмосферних газів, втрачають свою енергію, розсіваються і «поглинаються» атмосферою.

  Зовнішній Р. п. З. поміщений між магнітними оболонками з L ~ 3 і L ~ 6 з максимальною щільністю потоку часток на L ~ 4,5. Для зовнішнього поясу характерні електрони з енергіями 40—100 кев потік яких в максимумі досягає 10 6 —10 7 електрон/( см 2 × сек×стер ). Середній час «життя» часток зовнішнього Р. п. З. складає 10 5 —10 7 сек. В періоди підвищеної сонячної активності в зовнішньому поясі присутні також електрони великих енергій (до 1 Мев і вище).

  Пояс протонів малих енергій ( E p ~ 0,03—10 Мев ) тягнеться від L ~ 1,5 до L ~ 7—8. Зона квазізахвату, або авроральной радіації, розташована за зовнішнім поясом, вона має складну просторову структуру, обумовлену деформацією магнітосфери сонячним вітром (потоком заряджених часток від Сонця). Основною складовою часток зони квазізахвату є електрони і протони з енергіями E < 100 кев. Зовнішній пояс і пояс протонів малих енергій щонайближче (до висоти 200—300 км. ) личить до Землі на широтах 50—60°. На широти вище 60° проектується зона квазізахвату, співпадаюча з областю максимальної частоти появи полярних сяянь . В деякі періоди наголошується існування вузьких поясів електронів високих енергій ( E e ~ 5 Мев ) на магнітних оболонках з L ~ 2,5—3,0.

  Енергетичні спектри для всіх часток Р. п. З. описуються функціями вигляду: N ( E ) ~ E g , де N ( E ) — число часток з даною енергією E , або N ( E ) ~   з характерними значеннями g » 1,8 для протонів в інтервалі енергій від 40 до 800 Мев, E 0 ~ 200—500 кев для електронів зовнішніх і внутрішніх поясів і E 0 ~ 100 кев для протонів малих енергій.

  Історія відкриття радіаційних поясів. Історично першими були відкриті внутрішній пояс (групою американських учених під керівництвом Дж. Ван Аллена, 1958) і зовнішній пояс (сов. ученими на чолі з С. Н. Верновим і А. Е. Чудаковим, 1958). Потоки часток Р. п. З. були зареєстровані приладами ( Гейгера — Мюллера лічильниками ), встановленими на штучних супутниках Землі. По суті, Р. п. З. не мають чітко виражених кордонів, т.к. каждий тип часток відповідно до своєї енергії утворює «свій» радіаційний пояс, тому правильніше говорити про один єдиний радіаційний пояс Землі. Розділення Р. п. З. на зовнішній і внутрішній, прийняте на першій стадії досліджень і таке, що збереглося до теперішнього часу із-за ряду відмінностей в їх властивостях, по суті, умовно.

  Принципова можливість існування магнітної пастки в магнітному полі Землі була показана розрахунками До. Стермера (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 часток. Походження захоплених часток з енергією, що 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 (протони, що утворюються при цьому, поповнюють внутрішні Р. п. З.); «накачуванням» часток в пояси під час геомагнітних обурень ( магнітних бурь ), яка в першу чергу обумовлює існування електронів внутрішнього поясу; прискоренням і повільним перенесенням часток сонячного походження із зовнішнього у внутрішні області магнітосфери (так поповнюються електрони зовнішнього поясу і пояс протонів малих енергій). Проникнення часток сонячного вітру в Р. п. З. можливо через особливі точки магнітосфери (т.з. денні полярні каспи, див.(дивися) мал.(малюнок) 5 ), а також через т.з. нейтральний шар в хвості магнітосфери (з її нічного боку). В області денних каспов і в нейтральному шарі хвоста геомагнітне поле різко ослаблене і не є істотною перешкодою для заряджених часток міжпланетної плазми. Частково Р. п. З. поповнюються також за рахунок захвату протонів і електронів сонячних космічних променів, проникаючих у внутрішні області магнітосфери. Перерахованих джерел часток, мабуть, досить для створення Р. п. З. з характерним розподілом потоків часток. У Р. п. З. існує динамічна рівновага між процесами поповнення поясів і процесами втрат часток. В основному частки покидають Р. п. З. із-за втрати своєї енергії на іонізацію (ця причина обмежує, наприклад, перебування протонів внутрішнього поясу в магнітній пастці часом t ~ 10 9 сік ), із-за розсіяння часток при взаємних зіткненнях і розсіяння на магнітних неоднородностях і плазмових хвилях різного походження (див. Плазма ). Розсіяння може скоротити час «життя» електронів зовнішнього поясу 10 4 —10 5 сек. Ці ефекти приводять до порушення умов стаціонарного руху часток в геомагнітному полі (т.з. адіабатичних інваріантів) і до «висипання» часток з Р. п. З. у атмосферу уздовж силових ліній магнітного поля.

  Зв'язок процесів в радіаційних поясах Землі з іншими процесами в навколоземному просторі. Радіаційні пояси випробовують різні тимчасові варіації: розташований ближче до Землі і стабільніший 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 міняє свої кордони і структуру навіть при незначних обуреннях магнітосфери. Пояс протонів малих енергій займає в цьому сенсі проміжне положення. Особливо сильні варіації Р. п. З. зазнають під час магнітних бурь . Спочатку в зовнішньому поясі різко зростає щільність потоку часток малих енергій і в той же час втрачається помітна доля часток великих енергій. Потім відбувається захват і прискорення нових часток, в результаті яких в поясах з'являються потоки часток на відстанях зазвичай ближчих до Землі, чим в спокійних умовах. Після фази стискування 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 бурь накладаються один на одного, і максимум зовнішнього поясу в ці періоди розташовується ближче до Землі ( L ~ 3,5), чим в періоди мінімуму сонячної активності ( L ~ 4,5—5,0).

  Висипання часток з магнітної пастки, особливо із зони квазізахвату (авроральной радіації), приводить до посилення іонізації іоносфери, а інтенсивне висипання — до полярних сяянь. Запас часток в Р. п. З., проте, недостатній для підтримки тривалого полярного сяяння, і зв'язок полярних сяянь з варіаціями потоків часток в Р. п. З. говорить лише про їх загальну природу, тобто про те, що під час магнітних бурь відбувається як накачування часток в Р. п. З., так і скидання їх в атмосферу Землі. Полярні сяяння тривають весь час, поки йдуть ці процеси, — інколи доба і більш. Р. п. З. можуть бути створені також штучним чином: при вибуху ядерного пристрою на великих висотах; при інжекції штучно прискорених часток, наприклад за допомогою прискорювача на борту супутника; при тому, що розпиляло в навколоземному просторі радіоактивних речовин, продукти розпаду яких будуть захоплені магнітним полем. Створення штучних поясів при вибуху ядерних пристроїв було здійснене в 1958 і в 1962 роках. Так, після американського ядерного вибуху (9 липня 1962) в внутрішній пояс було інжектіровано біля 10 25 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 серйозною небезпекою при тривалих польотах в навколоземному просторі. Потоки протонів малих енергій можуть вивести з буд сонячні батареї і викликати помутніння тонких оптичних покриттів. Тривале перебування у внутрішньому поясі може привести до променевому ураженню живих організмів усередині космічного корабля під впливом протонів високих енергій.

  Окрім Землі, радіаційні пояси існують в Юпітера і, можливо, в Сатурну і Меркурія. Радіаційні пояси Юпітера, досліджені американським космічним апаратом «Піонер-10», мають значно велику протяжність і великі енергії часток і щільності потоків часток, чим Р. п. З. Радіационниє пояси Сатурну виявлені радіоастрономічними методами. Радянські і американські космічні апарати показали, що Венера, Марс і Луна радіаційних поясів не мають. Магнітне поле Меркурія виявлене американською космічною станцією «Марінер-10» при прольоті поблизу планети. Це робить можливим існування в Меркурія радіаційного поясу.

  Літ.: Вернов С. Н., Вакулов П. Ст, Логачев Ю. І., Радіаційні пояси Землі, в збірці: Успіхи СРСР в дослідженні космічного простору, М., 1968, с. 106; Космічна фізика, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1966; Тверськой Би. А., Динаміка радіаційних поясів Землі, М., 1968; Редерер Х., Динаміка радіації, захопленої геомагнітним полем, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972; Хесс Ст, Радіаційний пояс і магнітосфера, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972; Шабанський Ст П., Явища в навколоземному просторі, М., 1972; Гальперін Ю. І., Горн Л. С., Хазанов Би. І., Вимір радіації в космосі, М., 1972.

  Ю. І. Логачев.

Мал. 5. Розріз магнітосфери Землі по полуденному меридіану для випадку, коли вісь земного магнітного диполя перпендикулярна напряму на Сонці. Стрілками вказані області, через які частки сонячного вітру проникають в магнітосферу.

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

Мал. 1. Рух заряджених часток, захоплених в геомагнітну пастку. Частки 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 геомагнітним екватором. Криві відповідають потокам протонів з енергією вище вказаною: 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 .