Радиационные пояса ван-аллена. История открытия радиационных поясов Земли: кто же, когда и как

Весь XX век человечество грезило мечтами о покорении Вселенной. Лучшие писатели всего мира сочиняли книги на эту тему. Но колонизация космоса все откладывается. Возможно, одна из причин лежит в феномене под названием пояс Ван Аллена. Что это, можно понять и без широких познаний в астрофизике.

Радиационный пояс Ван Аллена: правда и заблуждения

Так называют зону насыщенных энергией заряженных частиц, которая находится во внутренней области земной магнитосферы. Пояс образовался в результате удержания магнитным полем Земли части солнечного ветра (последний состоит преимущественно из электронов, протонов и альфа-частиц).

Впервые идея о наличии такого пояса вокруг нашей планеты была высказана еще до начала космической эры. К таким выводам приходили такие ученые конца XIX - начала XX веков, как Кристиан Биркеланд, Карл Стёрмер и Николай Хрестофилу. Экспериментальное подтверждение их искания получили в 1958 году благодаря опытам американского исследователя Джеймса Ван Аллена.

Несмотря на то, что существование пояса является научно подтвержденным фактом, он окружен ореолом заблуждений . Самое главное из них заключается в том, что радиационное излучение в магнитосфере настолько велико, что способно убить любое живое существо . Тем самым скептики доказывают невозможность космических путешествий.

Состав и характеристики объекта

Радиационный пояс (РП) состоит из следующих подпоясов:

1. Внутренний;
2. Внешний;
3. Иногда на ограниченный промежуток времени образуется и третий слой РП. Такой феномен наблюдался, в частности, в 2013 году. Он просуществовал около месяца и был уничтожен межпланетной ударной волной от Солнца.

Раскроем характеристики внутреннего радиационного пояса:

• Располагается на высоте от 1 тыс. км до 24 тыс. км от поверхности планеты;
• Во время высокой солнечной активности и в некоторых географических областях (например, Бразильская магнитная аномалия) нижняя граница может спуститься до 200 км от Земли;
• Состоит из электронов и протонов, энергия которых превышает 100 электронвольт. Считается, что протоны здесь образуются благодаря бета-распаду из нейтронов в результате воздействия космических лучей;
• Протоны более низких энергий образуются во время геомагнитных бурь.

Наглядно изображение внутреннего РП было получено в 2014 году. Рисунок напоминал «зебру» из-за эффектов, вызванных природой магнитного поля Земли.

Преодоление пояса Ван Аллена

Считается, что околоземная радиационная зона представляет собой значительное препятствие для возможных космических путешествий. И в значительной мере это правда:

1. Радиация может повредить солнечные батареи, интегральные схемы и датчики. Миниатюризация и оцифровка электроники сделали космические аппараты более уязвимыми для излучения, поскольку суммарный электрический заряд в этих цепях достаточно небольшой;
2. Чтобы избежать негативных эффектов, применяются радиационно-стойкие технологии. Например, спутники в околоземной орбите имеют защитный слой из 3 мм алюминия;
3. Очевидно, что прохождение через РП наносит человеческому организму определенный урон. В живых космонавтам удается оставаться лишь благодаря тому, что находятся они в этой области крайне непродолжительный период времени;
4. Полученная астронавтами суммарная радиация варьируется от миссии к миссии. В среднем она составляет 1,6 - 11,4 миллигрей. Это гораздо меньше тех доз, которые получают работающие на земле работники атомных электростанций;
5. Чтобы получить смертельную дозу, человеку необходимо «висеть» в околоземной орбите более месяца.

Для минимизации излучения от РП российский физик Валентин Данилов предложил запустить в небо спутники и растянуть между ними тросы длиной по 100 км. Идея оказалась достаточно привлекательной и получила дальнейшее теоретическое развитие в США под названием HiVOLT .

Свойства внешней радиационной оболочки

С физической точки зрения внешний пояс гораздо более интересен своего внутреннего собрата, поскольку в большей степени подвергается влиянию солнечной активности:

• Располагается на высоте от 13 000 до 60 000 километров и обладает почти тороидальной формой (другими словами, в виде бублика);
• Состоит преимущественно из электронов, значение энергий которых колеблется в пределах от 0,1 до 10 мегаэлектронвольт;
• В 2014 году было обнаружено, что внутренняя граница внешнего РП является достаточно резкой. Ниже ее электроны проникнуть не могут. В чем причина образования такого щита, до конца не понятно;
• По размеру он гораздо больше, чем внутренний РП. Количество частиц в нем колеблется в зависимости от геомагнитных бурь и плазменных возмущений, производимых Солнцем;

В 2011 году было обнаружено, что в составе потока находятся также античастицы. В результате взаимодействия верхних слоев атмосферы с космическими лучами образуются антипротоны. Их энергия составляет около 60-750 МэВ.

Пояс Ван Аллена и полет на Луну

Выше мы уже рассматривали все риски, которые сопровождают космонавта при прохождении через внутреннюю часть магнитосферы. Известны они не только из теоретических выкладок.

Полет американцев на Луну стал первым экспериментом, который проверил на прочность человеческий организм в космических условиях:

• Известно, что магнитные бури значительно увеличивают активность протонов высоких энергий. Такие аномалии предваряли многие лунные миссии, в частности, «Аполлон-8» и «Аполлон-17»;
• Если бы полеты походили без защиты (как самих летательных устройств, так и скафандров), все закончилось бы плачевно. Так, после магнитного шторма, прошедшего на 31 октября 1968 года, доза излучения увеличилась в несколько раз;
• Однако полеты не только не заканчивались летальным исходом, но и привели к весьма интересным результатам. Вес астронавта Шепарда (из «Аполлон-14») увеличился, участники миссии не принимали никаких медикаментов, последствий для организма ни одного из них не было;
• Такой эффект был достигнут благодаря высококачественной защите и кратковременному пребыванию в РП. Хотя многие скептики полагают, что отсутствие вреда для здоровья говорит об отсутствии факта полета на Луну.

Планета Земля окружена плотным слоем электронов и протонов, которые попадают в область магнитного поля преимущественно от Солнца. Этот слой известен под названием пояс Ван Аллена. Что это такое, было известно еще в начале XX века. Но на доказательство его существования ушло немало десятков лет.

Видео о радиационном поясе Земли

В данном ролике академик, астрофизик Борис Боярышников расскажет несколько необычных фактов про радиационный пояс Земли Ван Алена:

Радиационные пояса Земли

внутренние области земной магнитосферы, в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (Протон ы, Электрон ы, Альфа-частицы), обладающие кинетической энергией от десятков кэв до сотен Мэв (в разных областях Р. п. З. энергия частиц различна, см. ст. Земля , раздел Строение Земли). Выходу заряженных частиц из Р. п. З. мешает особая конфигурация силовых линий геомагнитного поля, создающего для заряженных частиц магнитную ловушку (См. Магнитные ловушки). Захваченные в магнитную ловушку Земли частицы под действием Лоренца силы (См. Лоренца сила) совершают сложное движение, которое можно представить как колебательное движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля из Северного полушария в Южное и обратно с одновременным более медленным перемещением (долготным дрейфом) вокруг Земли (рис. 1 ). 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 Радиационные пояса Земли 100 Мэв совершает за время Радиационные пояса Земли 0,3 сек. Время нахождения («жизни») такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет (Радиационные пояса Земли 3․10 9 сек ), за это время он может совершить до 10 10 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, 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.

Структура радиационных поясов. При движении заряженной частицы в магнитном поле Земли её мгновенный центр вращения находится на одной и той же поверхности, получившей название магнитной оболочки (рис. 2 ). Магнитную оболочку характеризуют параметром L , его численное значение в случае дипольного поля (см. Диполь) равно расстоянию, выраженному в радиусах Земли, на которое отходит магнитная оболочка (в экваториальной плоскости диполя) от центра диполя. Для реального магнитного поля Земли (см. Земной магнетизм) параметр L приближённо сохраняет такой же простой смысл. Энергия частиц связана со значением параметра L ; на оболочках с меньшими значениями L находятся частицы, обладающие большими энергиями. Это объясняется тем, что частицы высоких энергий могут быть удержаны лишь сильным магнитным полем, т. е. во внутренних областях магнитосферы. Обычно выделяют внутренний и внешний Р. п. 3., пояс протонов малых энергий (пояс кольцевого тока) и зону квазизахвата частиц (рис. 3 ), или авроральной радиации (по лат. названию полярных сияний). Внутренний радиационный пояс характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 Мэв ) с максимумом плотности потока протонов с энергией E p > 20 Мэв до 10 4 протон/(см 2 ․сек ․стер ) на расстоянии L Радиационные пояса Земли 1,5. Во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20-40 кэв до 1 Мэв ; плотность потока электронов с E e ≥ 40 кэв составляет в максимуме Радиационные пояса Земли 10 6 -10 7 электрон/(см 2 ․сек․стер ).

Внутренний пояс расположен вокруг Земли в экваториальных широтах (рис. 4 ).

С внешней стороны этот пояс ограничен магнитной оболочкой с L Радиационные пояса Земли 2, которая пересекается с поверхностью Земли на геомагнитных широтах Радиационные пояса Земли 45°. Ближе всего к поверхности Земли (на высоты до 200-300 км ) внутренний пояс подходит вблизи Бразильской магнитной аномалии, где магнитное поле сильно ослаблено; над географическим экватором нижняя граница внутреннего пояса отстоит от Земли на 600 км над Америкой и до 1600 км над Австралией. На нижней границе внутреннего пояса частицы, испытывая частые столкновения с атомами и молекулами атмосферных газов, теряют свою энергию, рассеиваются и «поглощаются» атмосферой.

Внешний Р. п. З. заключён между магнитными оболочками c L Радиационные пояса Земли 3 и L Радиационные пояса Земли 6 с максимальной плотностью потока частиц на L Радиационные пояса Земли 4,5. Для внешнего пояса характерны электроны с энергиями 40-100 кэв, поток которых в максимуме достигает 10 6 -10 7 электрон/(см 2 ․сек․стер ). Среднее время «жизни» частиц внешнего Р. п. З. составляет 10 5 -10 7 сек. В периоды повышенной солнечной активности во внешнем поясе присутствуют также электроны больших энергий (до 1 Мэв и выше).

Пояс протонов малых энергий (E p Радиационные пояса Земли 0,03-10 Мэв ) простирается от L Радиационные пояса Земли 1,5 до L Радиационные пояса Земли 7-8. Зона квазизахвата, или авроральной радиации, расположена за внешним поясом, она имеет сложную пространственную структуру, обусловленную деформацией магнитосферы солнечным ветром (См. Солнечный ветер) (потоком заряженных частиц от Солнца). Основной составляющей частиц зоны квазизахвата являются электроны и протоны с энергиями E кэв. Внешний пояс и пояс протонов малых энергий ближе всего (до высоты 200-300 км ) подходит к Земле на широтах 50-60°. На широты выше 60° проецируется зона квазизахвата, совпадающая с областью максимальной частоты появления полярных сияний (См. Полярные сияния). В некоторые периоды отмечается существование узких поясов электронов высоких энергий (E e Радиационные пояса Земли 5 Мэв ) на магнитных оболочках с L Радиационные пояса Земли 2,5-3,0.

Энергетические спектры для всех частиц Р. п. З. описываются функциями вида: N (E ) Радиационные пояса Земли E γ , где N (E ) - число частиц с данной энергией E , или N (E ) Радиационные пояса Земли с характерными значениями γ ≈ 1,8 для протонов в интервале энергий от 40 до 800 Мэв, E 0 Радиационные пояса Земли 200-500 кэв для электронов внешних и внутренних поясов и E 0 Радиационные пояса Земли 100 кэв для протонов малых энергий.

История открытия радиационных поясов. Исторически первыми были открыты внутренний пояс (группой американских учёных под руководством Дж. Ван Аллена, 1958) и внешний пояс (сов. учёными во главе с С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым, 1958). Потоки частиц Р. п. З. были зарегистрированы приборами (Гейгера - Мюллера счётчик ами), установленными на искусственных спутниках Земли. По существу, Р. п. З. не имеют четко выраженных границ, т.к. каждый тип частиц в соответствии со своей энергией образует «свой» радиационный пояс, поэтому правильнее говорить об одном едином радиационном поясе Земли. Разделение Р. п. З. на внешний и внутренний, принятое на первой стадии исследований и сохранившееся до настоящего времени из-за ряда различий в их свойствах, по существу, условно.

Принципиальная возможность существования магнитной ловушки в магнитном поле Земли была показана расчётами К. Стёрмер а (1913) и Х. Альфвен а (1950), но лишь эксперименты на спутниках показали, что ловушка реально существует и заполнена частицами высоких энергий.

Пополнение радиационных поясов Земли частицами и механизм потери частиц. Происхождение захваченных частиц с энергией, значительно превышающей среднюю энергию теплового движения атомов и молекул атмосферы, связывают с действием нескольких физических механизмов: распадом Нейтрон ов, созданных космическими лучами (См. Космические лучи) в атмосфере Земли (образующиеся при этом протоны пополняют внутренние Р. п. З.); «накачкой» частиц в пояса во время геомагнитных возмущений (магнитных бурь (См. Магнитные бури)), которая в первую очередь обусловливает существование электронов внутреннего пояса; ускорением и медленным переносом частиц солнечного происхождения из внешнего во внутренние области магнитосферы (так пополняются электроны внешнего пояса и пояс протонов малых энергий). Проникновение частиц солнечного ветра в Р. п. З. возможно через особые точки магнитосферы (т. н. дневные полярные каспы, см. рис. 5 ), а также через т. н. нейтральный слой в хвосте магнитосферы (с её ночной стороны). В области дневных каспов и в нейтральном слое хвоста геомагнитное поле резко ослаблено и не является существенным препятствием для заряженных частиц межпланетной плазмы. Частично Р. п. З. пополняются также за счёт захвата протонов и электронов солнечных космических лучей, проникающих во внутренние области магнитосферы. Перечисленных источников частиц, по-видимому, достаточно для создания Р. п. З. с характерным распределением потоков частиц. В Р. п. З. существует динамическое равновесие между процессами пополнения поясов и процессами потерь частиц. В основном частицы покидают Р. п. З. из-за потери своей энергии на ионизацию (См. Ионизация) (эта причина ограничивает, например, пребывание протонов внутреннего пояса в магнитной ловушке временем τ Радиационные пояса Земли 10 9 сек ), из-за рассеяния частиц при взаимных столкновениях и рассеяния на магнитных неоднородностях и плазменных волнах различного происхождения (см. Плазма). Рассеяние может сократить время «жизни» электронов внешнего пояса до 10 4 -10 5 сек. Эти эффекты приводят к нарушению условий стационарного движения частиц в геомагнитном поле (т. н. адиабатических инвариантов) и к «высыпанию» частиц из Р. п. З. в атмосферу вдоль силовых линий магнитного поля.

Связь процессов в радиационных поясах Земли с другими процессами в околоземном пространстве. Радиационные пояса испытывают различные временные вариации: расположенный ближе к Земле и более стабильный внутренний пояс - незначительные, внешний пояс - наиболее частые и сильные. Для внутреннего Р. п. З. характерны небольшие вариации в течение 11-летнего цикла солнечной активности. Внешний пояс заметно меняет свои границы и структуру даже при незначительных возмущениях магнитосферы. Пояс протонов малых энергий занимает в этом смысле промежуточное положение. Особенно сильные вариации Р. п. З. претерпевают во время магнитных бурь (См. Магнитные бури). Сначала во внешнем поясе резко возрастает плотность потока частиц малых энергий и в то же время теряется заметная доля частиц больших энергий. Затем происходит захват и ускорение новых частиц, в результате которых в поясах появляются потоки частиц на расстояниях обычно более близких к Земле, чем в спокойных условиях. После фазы сжатия происходит медленное, постепенное возвращение Р. п. З. к исходному состоянию. В периоды высокой солнечной активности магнитные бури происходят очень часто, так что эффекты от отдельных бурь накладываются друг на друга, и максимум внешнего пояса в эти периоды располагается ближе к Земле (L Радиационные пояса Земли 3,5), чем в периоды минимума солнечной активности (L Радиационные пояса Земли 4,5-5,0).

Высыпание частиц из магнитной ловушки, в особенности из зоны квазизахвата (авроральной радиации), приводит к усилению ионизации ионосферы, а интенсивное высыпание - к полярным сияниям. Запас частиц в Р. п. З., однако, недостаточен для поддержания продолжительного полярного сияния, и связь полярных сияний с вариациями потоков частиц в Р. п. З. говорит лишь об их общей природе, т. е. о том, что во время магнитных бурь происходит как накачка частиц в Р. п. З., так и сброс их в атмосферу Земли. Полярные сияния длятся всё время, пока идут эти процессы, - иногда сутки и более. Р. п. З. могут быть созданы также искусственным образом: при взрыве ядерного устройства на больших высотах; при инжекции искусственно ускоренных частиц, например с помощью ускорителя на борту спутника; при распылении в околоземном пространстве радиоактивных веществ, продукты распада которых будут захвачены магнитным полем. Создание искусственных поясов при взрыве ядерных устройств было осуществлено в 1958 и в 1962 годах. Так, после американского ядерного взрыва (9 июля 1962) во внутренний пояс было инжектировано около 10 25 электронов с энергией Радиационные пояса Земли 1 Мэв, что на два-три порядка превысило интенсивность потока электронов естественного происхождения. Остатки этих электронов наблюдались в поясах в течение почти 10-летнего периода.

Р. п. З. представляют собой серьёзную опасность при длительных полётах в околоземном пространстве. Потоки протонов малых энергий могут вывести из строя солнечные батареи (См. Солнечная батарея) и вызвать помутнение тонких оптических покрытий. Длительное пребывание во внутреннем поясе может привести к лучевому поражению (См. Лучевое поражение) живых организмов внутри космического корабля под воздействием протонов высоких энергий.

Кроме Земли, радиационные пояса существуют у Юпитера и, возможно, у Сатурна и Меркурия. Радиационные пояса Юпитера, исследованные американским космическим аппаратом «Пионер-10», имеют значительно большую протяжённость и большие энергии частиц и плотности потоков частиц, чем Р. п. З. Радиационные пояса Сатурна обнаружены радиоастрономическими методами. Советские и американские космические аппараты показали, что Венера, Марс и Луна радиационных поясов не имеют. Магнитное поле Меркурия обнаружено американской космической станцией «Маринер-10» при пролёте вблизи планеты. Это делает возможным существование у Меркурия радиационного пояса.

Лит.: Вернов С. Н., Вакулов П. В., Логачев Ю. И., Радиационные пояса Земли, в сборнике: Успехи СССР в исследовании космического пространства, 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.

Ю. И. Логачев.

Рис. 4. Распределение плотности потоков протонов различных энергий над геомагнитным экватором. Кривые соответствуют потокам протонов с энергией выше указанной: 1 - Е p > 1Мэв ; 2 - Е p > 1,6 Мэв ; 3 - Е p > 5 Мэв ; 4 - Е p > 9 Мэв ; 5 - Е p > 30 Мэв .

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

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:

• внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ ;
• внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ .

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

Первый американский космический спутник «Эксплорер 1», запущенный в 1958 г., вскоре подтвердил научную ценность исследований космоса. Благодаря бортовому эксперименту, в 1000 км над поверхностью Земли был обнаружен пояс радиации, в 100 миллионов раз превышающей естественный радиационный фон планеты. Вторая такая зона радиации была обнаружена позже на высоте 20 000 км.

Эти области зоны известны как «пояса Ван Аллена» (по имени физика Джеймса Ван Аллена, чей эксперимент помог их выявить). Они состоят из заряженных частиц космических лучей и солнечного ветра, притягиваемых магнитным полем Земли. Каждый из поясов образует вокруг Земли тор (фигуру, напоминающую по форме пончик). Соотношение и энергетический уровень заряженных частиц различаются во внутреннем и внешних поясах.

Как показано на верхней диаграмме, пояса Ван Аллена насыщены высоко заряженными протонами. Нижняя диаграмма иллюстрирует содержание высоко заряженных электронов (области наиболее высокой концентрации выделены темным цветом).

Внутренний пояс Ван Аллена

Большинство протонов и электронов во внутреннем поясе Ван Аллена - продукты распада нейтронов. Последние, в свою очередь, являются результатом столкновений частиц космических лучей с атомами водорода и гелия в верхних слоях атмосферы

Внешний пояс Ван Аллена

Внутренний и внешний пояса различаются по своему составу и силе заряда. Внешний улавливает частицы главным образом из солнечного ветра, а не из космических лучей. Во внутреннем поясе Ван Аллена больше протонов, чем во внешнем.

Структура поясов

Между двумя поясами Ван Аллена нет четкой границы - внутренний пояс постепенно переходит во внешний. Две эти радиоактивные зоны, как уже отмечалось, различаются по составу своих частиц и степени их заряженности.

Магнитное поле Земли

Земля подобна огромному магниту, чьи силовые линии формируют магнитосферу. Давление плазмы солнечного ветра сжимает магнитосферу на дневной стороне планеты и растягивает ее на ночной стороне. Составляющие плазму протоны и электроны улавливаются магнитным полем благодаря своему электрическому заряду. Пояса Ван Алле-на простираются на расстоянии примерно от 1000 до 25 000 км от Земли.

Радиационный пояс Земли

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 Земли (внутренний) был предсказан советскими учёными С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым , а также американским учёным Джеймсом ван Алленом . Существование радиационного пояса было продемонстрировано измерениями на «Спутнике-2 » , запущенном в 1957 году, а также на «Эксплорере-1 », запущенном в 1958 году. Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тороид , в котором выделяются две области:

• внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ ;
• внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ .

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 сравнении с проникающими).

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстоянии около 3 радиусов Земли от её центра. 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.

Радиационные пояса планет

Благодаря наличию сильного магнитного поля , планеты-гиганты (Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун) также обладают сильными радиационными поясами, напоминающими внешний радиационный пояс