Радиационные пояса земли. История открытия радиационных поясов Земли: кто же, когда и как

Радиационные пояса Земли, внутренние области земной магнитосферы, в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны , электроны , 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 . Захваченные в магнитную ловушку Земли частицы под действием Лоренца силы 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 100 Мэв совершает за время 0,3 сек. Время нахождения («жизни») такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет (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 1,5. Во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20-40 кэв до 1 Мэв ; плотность потока электронов с E e ³ 40 кэв составляет в максимуме 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 2, которая пересекается с поверхностью Земли на геомагнитных широтах 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 3 и L 6 с максимальной плотностью потока частиц на L 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 0,03-10 Мэв ) простирается от L 1,5 до L 7-8. Зона квазизахвата, или авроральной радиации, расположена за внешним поясом, она имеет сложную пространственную структуру, обусловленную деформацией магнитосферы солнечным ветром (потоком заряженных частиц от Солнца). Основной составляющей частиц зоны квазизахвата являются электроны и протоны с энергиями E < 100 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 . В некоторые периоды отмечается существование узких поясов электронов высоких энергий (E e 5 Мэв ) на магнитных оболочках с L 2,5-3,0.

Энергетические спектры для всех частиц Р. п. З. описываются функциями вида: N (E ) E g , где N (E ) - число частиц с данной энергией E , или N (E ) с характерными значениями g » 1,8 для протонов в интервале энергий от 40 до 800 Мэв, E 0 200-500 кэв для электронов внешних и внутренних поясов и E 0 100 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 счётчиками ), 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. Стёрмера (1913) и Х. Альфвена (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 нейтронов , созданных космическими лучами в атмосфере Земли (образующиеся при этом протоны пополняют внутренние Р. п. З.); «накачкой» частиц в пояса во время геомагнитных возмущений (магнитных бурь ), 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 (эта причина ограничивает, например, пребывание протонов внутреннего пояса в магнитной ловушке временем t 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 . 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 3,5), чем в периоды минимума солнечной активности (L 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 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 и вызвать помутнение тонких оптических покрытий. Длительное пребывание во внутреннем поясе может привести к лучевому поражению 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.

Большая Советская Энциклопедия М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978

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.

Как уже говорилось, едва американцы начали свою космическую программу, их ученый Джеймс Ван Аллен совершил достаточно важное открытие. Первый американский искусственный спутник, запущенный ими на орбиту, был куда меньше советского, но Ван Аллен додумался прикрепить к нему счетчик Гейгера. Таким образом, была официально подтверждена высказанная еще в конце ХIХ в. выдающимся ученым Николой Теслой гипотеза о том, что Землю окружает пояс интенсивной радиации.

Фотография Земли астронавта Уильяма Андерса

во время миссии «Аполлон-8» (архив НАСА)

Тесла, однако, считался большим чудаком, а академической наукой - даже сумасшедшим, поэтому его гипотезы о генерируемом Солнцем гигантском электрическом заряде давно лежали под сукном, а термин «солнечный ветер» не вызывал ничего, кроме улыбок. Но благодаря Ван Аллену теории Теслы были реанимированы. С подачи Ван Аллена и ряда других исследователей было установлено, что радиационные пояса в космосе начинаются у отметки 800 км над поверхностью Земли и простираются до 24 000 км. Поскольку уровень радиации там более или менее постоянен, входящая радиация должна приблизительно равняться исходящей. В противном случае она либо накапливалась бы до тех пор, пока не «запекла» Землю, как в духовке, либо иссякла. По этому поводу Ван Аллен писал: «Радиационные пояса можно сравнить с протекающим сосудом, который постоянно пополняется от Солнца и протекает в атмосферу. Большая порция солнечных частиц переполняет сосуд и выплескивается, особенно в полярных зонах, приводя к полярным сияниям, магнитным бурям и прочим подобным явлениям».

Радиация поясов Ван Аллена зависит от солнечного ветра. Кроме того, они, по-видимому, фокусируют или концентрируют в себе эту радиацию. Но поскольку концентрировать в себе они могут только то, что пришло напрямую от Солнца, то открытым остается еще один вопрос: сколько радиации в остальной части космоса?

Орбиты атмосферных частиц в экзосфере (dic.academic.ru)

У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна - она смертельна!

В 1963 году советские ученые заявили известному британскому астроному Бернарду Ловеллу, что они не знают способа защитить космонавтов от смертельного воздействия космической радиации. Это означало, что даже намного более толстостенные металлические оболочки российских аппаратов не могли справиться с радиацией. Каким же образом тончайший (почти как фольга) металл, используемый в американских капсулах, мог защитить астронавтов? НАСА знало, что это невозможно. Космические обезьяны погибли менее чем через 10 дней после возвращения, но НАСА так и не сообщило нам об истинной причине их гибели.

Обезьяна-астронавт (архив РГАНТ)

Большинство людей, даже сведущих в космосе, и не подозревают о существовании пронизывающей его просторы смертельной радиации. Как ни странно (а может быть, как раз по причинам, о которых можно догадаться), в американской «Иллюстрированной энциклопедии космической технологии» словосочетание «космическая радиация» не встречается ни разу. Да и вообще эту тему американские исследователи (особенно связанные с НАСА) обходят за версту.

Между тем Ловелл после беседы с русскими коллегами, которые отлично знали о космической радиации, отправил имевшуюся у него информацию администратору НАСА Хью Драйдену, но тот проигнорировал ее.

Один из якобы посетивших Луну астронавтов Коллинз в своей книге упоминал о космической радиации только дважды:

«По крайней мере, Луна была далеко за пределами земных поясов Ван Аллена, что предвещало хорошую дозу радиации для тех, кто побывал там, и смертельную - для тех, кто задержался».

«Таким образом, радиационные пояса Ван Аллена, окружающие Землю, и возможность солнечных вспышек требуют понимания и подготовки, чтобы не подвергать экипаж повышенным дозам радиации».

Так что же означает «понимание и подготовка»? Означает ли это, что за пределами поясов Ван Аллена остальной космос свободен от радиации? Или у НАСА была секретная стратегия укрытия от солнечных вспышек после принятия окончательного решения об экспедиции?

НАСА утверждало, что просто может предсказывать солнечные вспышки, и поэтому отправляло на Луну астронавтов тогда, когда вспышек не ожидалось, и радиационная опасность для них была минимальна.

Пока Армстронг и Олдрин выполняли работу в открытом космосе

на поверхности Луны,Майкл Коллинз

ставался на орбите (архив НАСА)

Впрочем, другие специалисты утверждают: «Возможно предсказать только приблизительную дату будущих максимальных излучений и их плотность».

Советский космонавт Леонов все же вышел в 1966 году в открытый космос - правда, в сверхтяжелом свинцовом костюме. Но спустя всего лишь три года американские астронавты прыгали на поверхности Луны, причем отнюдь не в сверхтяжелых скафандрах, а скорее совсем наоборот! Может, за эти годы специалисты из НАСА сумели найти какой-то сверхлегкий материал, надежно защищающий от радиации?

Однако исследователи вдруг выясняют, что по крайней мере «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» отправились в путь именно в те периоды, когда количество солнечных пятен и соответствующая солнечная активность приближались к максимуму. Общепринятый теоретический максимум 20-го солнечного цикла длился с декабря 1968 по декабрь 1969 гг. В этот период миссии «Аполлон-8», «Аполлон-9», «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» предположительно вышли за пределы зоны защиты поясов Ван Аллена и вошли в окололунное пространство.

Дальнейшее изучение ежемесячных графиков показало, что единичные солнечные вспышки - явление случайное, происходящее спонтанно на протяжении 11-летнего цикла. Бывает и так, что в «низкий» период цикла случается большое количество вспышек за короткий промежуток времени, а во время «высокого» периода - совсем незначительное количество. Но важно именно то, что очень сильные вспышки могут иметь место в любое время цикла.

В эпоху «Аполлонов» американские астронавты провели в космосе в общей сложности почти 90 дней. Поскольку радиация от непредсказуемых солнечных вспышек долетает до Земли или Луны менее чем за 15 минут, защититься от нее можно было бы только с помощью свинцовых контейнеров. Но если мощности ракеты хватило, чтобы поднять такой лишний вес, то почему надо было выходить в космос в тонюсеньких капсулах (буквально в 0,1 мм алюминия) при давлении в 0,34 атмосфер?

Это притом, что даже тонкий слой защитного покрытия, именуемого «майларом», по утверждениям экипажа «Аполлон-11», оказался столь тяжек, что его пришлось срочно стирать с лунного модуля!

Похоже, в лунные экспедиции НАСА отбирало особенных парней, правда, с поправкой на обстоятельства, отлитых не из стали, а из свинца. Американский исследователь проблемы Ральф Рене не поленился рассчитать, как часто каждая из якобы состоявшихся лунных экспедиций должна была попасть под солнечную активность.

Между прочим, один из авторитетных сотрудников НАСА (заслуженный физик, кстати) Билл Модлин в своей работе «Перспективы межзвездных путешествий» откровенно сообщал: «Солнечные вспышки могут выбрасывать ГэВ протоны в том же энергетическом диапазоне, что и большинство космических частиц, но гораздо более интенсивные. Увеличение их энергии при усиленной радиации представляет особую опасность, поскольку ГэВ протоны проникают сквозь несколько метров материала… Солнечные (или звездные) вспышки с выбросом протонов - это периодически возникающая очень серьезная опасность в межпланетном пространстве, которая обеспечивает дозу радиации в сотни тысяч рентген за несколько часов на расстоянии от Солнца до Земли. Такая доза является смертельной и в миллионы раз превышает допустимую. Смерть может наступить уже после 500 рентген за короткий промежуток времени».

Да, бравые американские парни потом должны были сиять похлеще четвертого чернобыльского энергоблока. «Космические частицы опасны, они исходят со всех сторон и требуют как минимум двух метров плотного экрана вокруг любых живых организмов». А ведь космические капсулы, которые по сей день демонстрирует НАСА, имели чуть более 4 м в диаметре. При толщине стен, рекомендуемой Модлиным, астронавты, даже без всякого оборудования, в них бы не влезли, уж не говоря о том, что и не хватило бы топлива для того, чтобы такие капсулы поднять. Но, очевидно, ни руководство НАСА, ни посланные им на Луну астронавты книжек своего коллеги не читали и, находясь в блаженном неведении, преодолели все тернии по дороге к звездам.

Впрочем, может быть, НАСА и впрямь разработало для них некие сверхнадежные скафандры, используя (понятно, очень засекреченный) сверхлегкий материал, защищающий от радиации? Но почему же его так больше нигде и не использовали, как говорится, в мирных целях? Ну ладно, с Чернобылем СССР они не захотели помогать: все-таки перестройка еще не началась. Но ведь, к примеру, в 1979 году в тех же США на АЭС «Тримайл-Айленд» произошла крупная авария реакторного блока, которая привела к расплавлению активной зоны реактора. Так что же американские ликвидаторы не использовали космические скафандры по столь разрекламированной технологии НАСА стоимостью ни много ни мало в $7 млн, чтобы ликвидировать эту атомную мину замедленного действия на своей территории?..

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.

Радиационный пояс Земли (РПЗ), или пояс Ван Аллена - это область ближайшего космического пространства около нашей планеты, имеющая вид кольца, в которой находятся гигантские потоки электронов и протонов. Земля удерживает их с помощью дипольного магнитного поля.

Открытие

РПЗ был обнаружен в 1957-58 гг. учеными из Соединенных Штатов и СССР. "Эксплорер-1" (на фото ниже), первый космический спутник США, запуск которого состоялся в 1958 году, предоставил очень важные данные. Благодаря проведенному американцами бортовому эксперименту над поверхностью Земли (на высоте примерно 1000 км), был найден пояс радиации (внутренний). Позже на высоте около 20000 км была обнаружена вторая такая зона. Не существует четкой границы между внутренним и внешним поясами - первый постепенно переходит во второй. Эти две зоны радиоактивности различаются по степени заряженности частиц и их составу.

Данные области стали называться поясами Ван Аллена. Джеймс Ван Аллен - физик, эксперимент которого помог их обнаружить. Ученые выяснили, что эти пояса состоят из солнечного ветра и заряженных частиц космических лучей, которые притягиваются к Земле ее магнитным полем. Каждый из них формирует тор вокруг нашей планеты (фигуру, которая по форме напоминает пончик).

В космосе с того времени было проведено множество экспериментов. Они позволили исследовать основные особенности и свойства РПЗ. Не только у нашей планеты существуют радиационные пояса. Они имеются и у других небесных тел, которые обладают атмосферой и магнитным полем. Пояс радиации Ван Аллена был обнаружен, благодаря межпланетным кораблям США у Марса. Кроме того, американцы нашли его у Сатурна и Юпитера.

Дипольное магнитное поле

У нашей планеты имеется не только пояс Ван Аллена, но и дипольное магнитное поле. Оно представляет собой набор магнитных оболочек, вложенных друг в друга. Структура этого поля напоминает кочан капусты или луковицу. Магнитную оболочку можно представить себе как сотканную из силовых магнитных линий замкнутую поверхность. Чем ближе к центру диполя находится оболочка, тем больше становится напряженность магнитного поля. Кроме того, импульс, который требуется заряженной частице для проникновения в нее извне, также увеличивается.

Итак, N-я оболочка обладает P n . В случае, когда начальный импульс частицы не превышает P n , ее отражает магнитное поле. Частица тогда возвращается в космическое пространство. Однако бывает и так, что она оказывается на N-й оболочке. В этом случае она уже не способна ее покинуть. Захваченная частица будет находиться в ловушке до тех пор, пока она не рассеется или, столкнувшись с остаточной атмосферой, не потеряет энергию.

В нашей планеты одна и та же оболочка находится на различном расстоянии от земной поверхности на разных долготах. Это происходит из-за несовпадения оси магнитного поля с осью вращения планеты. Данный эффект заметен лучше всего над Бразильской магнитной аномалией. В этой области силовые магнитные линии опускаются, и захваченные частицы, движущиеся по ним, могут оказаться ниже 100 км высоты, а значит, погибнуть в земной атмосфере.

Состав РПЗ

Внутри радиационного пояса распределение протонов и электронов неодинаково. Первые находятся во внутренней его части, а вторые - во внешней. Поэтому на раннем этапе исследования ученые считали, что имеются внешний (электронный) и внутренний (протонный) радиационные пояса Земли. В настоящее время это мнение уже неактуально.

Наиболее значительным механизмом генерации заполняющих пояс Ван Аллена частиц является распад альбедных нейтронов. Необходимо отметить, что нейтроны создаются, когда атмосфера взаимодействует с Поток этих частиц, движущихся по направлению от нашей планеты (нейтроны альбедо), проходит через магнитное поле Земли беспрепятственно. Однако они являются нестабильными и легко распадаются на электроны, протоны и электронное антинейтрино. Радиоактивные альбедные ядра, обладающие большой энергией, распадаются внутри зоны захвата. Именно так пояс Ван Аллена пополняется позитронами и электронами.

РПЗ и магнитные бури

Когда начинаются сильные эти частицы не просто ускоряются, они покидают радиоактивный пояс Ван Аллена, высыпаясь из него. Дело в том, что, если конфигурация магнитного поля меняется, зеркальные точки могут быть погружены в атмосферу. В этом случае частицы, теряя энергию (ионизационные потери, рассеяние) изменяют питч-углы, а затем гибнут, достигнув верхних слоев магнитосферы.

РПЗ и северное сияние

Радиационный пояс Ван Аллена окружен плазменным слоем, представляющим собой захваченные потоки протонов (ионов) и электронов. Одна из причин такого явления, как северное (полярное) сияние - это то, что частицы высыпаются из плазменного слоя, а также частично из внешнего РПЗ. Северное сияние представляет собой излучение атомов атмосферы, которые возбуждаются из-за столкновения с высыпавшимися из пояса частицами.

Исследование РПЗ

Почти все основополагающие результаты исследований таких образований, как радиационные пояса, были получены примерно в 1960-70-е годы. Недавние наблюдения с применением межпланетных кораблей и новейшей научной аппаратуры позволили ученым добыть очень важные новые сведения. Пояса Ван Аллена вокруг Земли продолжают изучаться и в наше время. Вкратце расскажем о важнейших достижениях в этой области.

Данные, полученные от "Салюта-6"

Исследователи из МИФИ в начале 80-х годов прошлого века исследовали потоки электронов с высоким уровнем энергии в ближайшей окрестности нашей планеты. Для этого они использовали аппаратуру, которая находилась на орбитальной станции "Салют-6". Она позволяла ученым очень эффективно выделять потоки позитронов и электронов, энергия которых превышает 40 МэВ. Орбита станции (наклонение 52°, высота около 350-400 км) проходила в основном ниже радиационного пояса нашей планеты. Однако она все-таки задевала внутреннюю его часть у Бразильской магнитной аномалии. При пересечении этого района были найдены стационарные потоки, состоящие из высокоэнергичных электронов. В РПЗ до этого эксперимента были зафиксированы только электроны, энергия которых не превышала 5 МэВ.

Данные искусственных спутников серии "Метеор-3"

Исследователи из МИФИ провели дальнейшие измерения на искусственных спутниках нашей планеты серии "Метеор-3", у которых высота круговых орбит составляла 800 и 1200 км. На этот раз прибор внедрился в РПЗ очень глубоко. Он подтвердил результаты, которые были получены ранее на станции "Салют-6". Затем исследователи получили еще один важный результат, использовав установленные на станциях "Мир" и "Салют-7" магнитные спектрометры. Было доказано, что обнаруженный ранее стабильный пояс состоит исключительно из электронов (без позитронов), энергия которых очень велика (до 200 МэВ).

Открытие стационарного пояса ядер CNO

Группа исследователей из НИЯФ МГУ в конце 80-х-начале 90-х годов прошлого века осуществила эксперимент, нацеленный на изучение ядер, которые расположены в ближайшем космическом пространстве. Данные измерения были проведены с использованием пропорциональных камер и ядерных фотоэмульсий. Они осуществлялись на ИСЗ серии "Космос". Ученые обнаружили наличие потоков ядер N, O и Ne в области космического пространства, в которой орбита искусственного спутника (наклонение 52°, высота около 400-500 км) пересекала Бразильскую аномалию.

Как показал анализ, эти ядра, энергия которых достигала нескольких десятков МэВ/нуклон, имели не галактическое, альбедное или солнечное происхождение, поскольку они никак не могли с такой энергией глубоко внедриться в магнитосферу нашей планеты. Так ученые обнаружили аномальную компоненту космических лучей, захваченную магнитным полем.

Малоэнергичные атомы, находящиеся в межзвездной материи, способны проникать в гелиосферу. Затем ультрафиолетовое излучение Солнца их ионизирует однократно или двукратно. Образовавшиеся в результате этого заряженные частицы разгоняются на фронтах солнечного ветра, достигая нескольких десятков МэВ/нуклон. Затем они проникают в магнитосферу, в которой захватываются и полностью ионизируются.

Квазистационарный пояс протонов и электронов

На Солнце 22 марта 1991 г. случилась мощная вспышка, которая сопровождалась выбросом огромной массы солнечного вещества. Оно достигло магнитосферы к 24 марта и изменило ее внешнюю область. В магнитосферу ворвались частицы солнечного ветра, имевшие большую энергию. Они достигли района, в котором тогда находился CRESS, американский спутник. Установленные на нем приборы зафиксировали резкое возрастание протонов, энергия которых составляла от 20 до 110 МэВ, а также мощных электронов (около 15 МэВ). Это свидетельствовало о появлении нового пояса. Сначала квазистационарный пояс наблюдали на целом ряде космических аппаратов. Однако лишь на станции "Мир" он изучался в течение всего срока жизни, составляющего около двух лет.

Кстати, в 60-х годах прошлого столетия в результате того, что в космосе взорвались ядерные устройства, появился квазистационарный пояс, состоящий из электронов, имеющих малые энергии. Он просуществовал примерно 10 лет. Радиоактивные осколки деления распадались, что и было источником заряженных частиц.

Есть ли РПЗ на Луне

У спутника нашей планеты отсутствует радиационный пояс Ван Аллена. Кроме того, у него нет и защитной атмосферы. Поверхность Луны открыта солнечным ветрам. Сильная если бы она произошла во время лунной экспедиции, испепелила бы и астронавтов, и капсулы, поскольку произошел бы выброс колоссального потока радиации, которая является смертельной.

Можно ли защититься от космической радиации

Этот вопрос уже долгие годы интересует ученых. В небольших дозах радиация, как известно, практически не влияет на состояние нашего здоровья. Однако она безопасна лишь тогда, когда не превышает определенный порог. Знаете ли вы, какой уровень радиации вне пояса Ван Аллена, на поверхности нашей планеты? Обычно содержание частиц радона и тория не превышает 100 Бк на 1 м 3 . Внутри РПЗ эти показатели намного выше.

Безусловно, радиационные пояса Земли Ван Аллена очень опасны для человека. Их воздействие на организм изучало множество исследователей. Советские ученые в 1963 году заявили Бернарду Ловеллу, известному британскому астроному, что им неизвестно средство защиты человека от воздействия радиации в космосе. Это означало, что с ней не могли справиться даже толстостенные оболочки советских аппаратов. Каким же образом используемый в капсулах американцев тончайший металл, почти как фольга, смог защитить астронавтов?

Согласно заверениям НАСА, оно отправило астронавтов на Луну лишь тогда, когда не ожидалось вспышек, которые организация способна предсказывать. Именно это позволило снизить до минимума радиационную опасность. Другие специалисты, впрочем, утверждают, что можно только примерно предсказать дату больших излучений.

Пояс Ван Аллена и полет на Луну

Леонов, советский космонавт, в 1966 году все же вышел в открытый космос. Однако он был одет в сверхтяжелый свинцовый костюм. А уже через 3 года астронавты из США прыгали по лунной поверхности, причем явно не в тяжеленных скафандрах. Возможно, специалистам из НАСА за эти годы удалось обнаружить сверхлегкий материал, который надежно защищает космонавтов от радиации? до сих пор вызывает множество вопросов. Один из основных аргументов тех, кто считает, что американцы не высаживались на нее - существование радиационных поясов.