Радиационные пояса земли реферат
Обновлено: 04.07.2024
Юрий Иванович Логачев — доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Участник исследований радиации в космосе начиная с первых полетов искусственных спутников Земли, соавтор открытия внешнего радиационного пояса Земли.
Про первый спутник написано немало, но гораздо менее известны следующие пять, результаты которых принесли важное открытие: были обнаружены радиационные пояса Земли. Неожиданно оказалось, что за пределами своей атмосферы Земля, находящаяся, как ожидалось, в совершенно пустом космическом пространстве, окружена интенсивными потоками заряженных частиц, которые захвачены магнитным полем планеты. Эти пояса радиации имеют сложную пространственную структуру и испытывают сильные вариации, связанные с активностью Солнца. К настоящему времени радиационные пояса хорошо изучены, понята физика явления, найдены источники частиц (это космические лучи; частицы, ускоренные во время вспышек на Солнце; частицы из ионосферы и атмосферы Земли), определена их важность и связанные с ними опасности для человечества. Пояса радиации исследовались многими различными аппаратами, в том числе и для решения прикладных задач, без которых мы уже не можем обойтись. Достаточно перечислить телеретрансляторы на геостационарной орбите, навигационные системы (GPS и Глонасс), метеоспутники, аппараты для поисков полезных ископаемых из космоса. Важная задача — обеспечение радиационной безопасности космических полетов, в частности при планировании освоения Луны и полетов человека на Марс.
Календарь первых космических событий
О том, что Земля постоянно облучается заряженными частицами высокой энергии — космическими лучами, ученые узнали в 1912 г. После открытия будущего нобелевского лауреата В. Гесса исследователи все время стремились забраться повыше — поближе к их возможному источнику. В 30-е годы для изучения космических лучей в стратосферу запускались аэростаты, шары-зонды, а сразу после окончания войны — ракеты (сначала немецкие ФАУ, затем США и СССР стали делать свои ракеты). Интерес представляли не только космические лучи: для измерения ультрафиолетового излучения Солнца тоже нужно уйти выше слоя озона, эффективного УФ-поглотителя. Магнитное поле Земли и ионосфера также требовали измерений на больших высотах. Уже в 50-е годы идея создания искусственных спутников активно обсуждалась научным сообществом, особенно в связи с намечавшимися исследованиями в Международном геофизическом году (МГГ, 1957–1958).
В СССР подготовка экспериментов на спутниках началась в середине 1956 г. На совещании в Академии наук СССР ведущие специалисты по физике верхней атмосферы Земли, магнитного поля, ионосферы и космических лучей получили задание подготовить предложения-проекты экспериментов на искусственных спутниках Земли. Собранные заявки охватывали широкий спектр исследований от атмосферы до микрометеоров (и космической радиации в том числе), причем предполагалось все измерения проводить на одном аппарате. У каждого эксперимента были свои требования, и столь большой набор приборов нуждался в длительной подготовке спутника. Забегая чуть вперед, скажем, что запуск такого спутника (он оказался уже третьим) состоялся лишь 15 мая 1958 г.
Между тем было известно, что США также готовят к полету космический аппарат. В ситуации жесткой конкуренции возникло естественное желание быть первыми. Успешный запуск баллистической ракеты в СССР в августе 1957 г. подтолкнул руководителей спутниковой программы не дожидаться готовности основного научного аппарата, а запустить более простой, лишь бы обогнать США. Цель, как все знают, была достигнута, первым спутником в космосе стал советский.
С. Н. Вернов (1910–1982)
Дж. Ван Аллен (1914–2006).
Первые полеты — первые неожиданности
Как потом стало ясно, это несовершенство эксперимента лишило нас очень важной информации, фактически приоритета обнаружения повышенной радиации на больших высотах над значительной частью поверхности Земли.
А. Е. Чудаков (1921–2001)
Рис. 3. Траектории частиц, захваченных в ловушку магнитного диполя Земли. Движение заряженной частицы в геомагнитной ловушке (вверху). Внизу показаны траектория перемещения частицы по спирали на силовой линии магнитного поля (слева) и процесс отражения частицы в сильно неоднородном магнитном поле (магнитная пробка, справа)
Предположения о стабильном захвате частиц в магнитном поле Земли было также выдвинуто Н. Кристофилосом еще в 1957 г., но соответствующие работы не публиковались до 1959 г. [16, 17], по-видимому, из-за секретности — в связи с подготовкой проекта Argus, инициатором которого он был. До этого проекта Кристофилос работал с установками для получения управляемых термоядерных реакций и распространил идею удержания частиц в магнитных ловушках лабораторных размеров на масштабы Земли. Он предположил, что магнитное поле Земли способно захватывать и удерживать энергичные частицы и что ядерный взрыв может служить приемлемым источником для заполнения геомагнитной ловушки частицами. И действительно, Explorer-4 зарегистрировал пояса частиц, образованных в результате каждого из трех взрывов операции Argus. Наиболее интересным результатом этих взрывов было появление частиц на магнитной оболочке с L = 2 (L — расстояние магнитной оболочки от центра Земли в экваториальной плоскости, выраженное в радиусах Земли), сохранявшейся устойчивой в течение нескольких недель. Искусственные пояса имели поперечные размеры около 100 км, они не дрейфовали по радиусу, расширение их было незначительным (рис. 4). Результаты операции Argus опубликованы в августе 1959 г. [17] и в более поздней книге Кристофилоса [18].
Рис. 4. Движение частиц после их импульсной инжекции в магнитное поле Земли. Начальный период долготного дрейфа частиц после атомного взрыва (вверху). Электроны дрейфуют в одну сторону, протоны (и другие положительно заряженные частицы) — в другую. Примерное расположение пояса электронов после операции Argus (внизу)
В 1957 г. Ф. Сингер (США) для объяснения магнитных бурь предположил, что главная фаза бури обусловлена долготным дрейфом частиц, захваченных магнитным полем Земли [19]. Эта идея уже содержала некоторые представления, которыми сейчас описываются основные явления в радиационных поясах Земли.
Приведенные примеры показывают: к 1957 г. были группы исследователей, в основном геофизиков, которые серьезно обсуждали природу частиц в магнитосфере Земли для объяснения полярных сияний, выясняли траектории солнечных и космических частиц в магнитном поле Земли и были готовы к восприятию новых открытий. Исследователи космических лучей (Вернов и Ван Аллен) этими вопросами не занимались, и успехи геофизиков были им неизвестны. Разобщенность геофизиков и физиков-космиков — одна из причин непонимания полученных последними результатов.
Рис. 5. Нейтронный источник протонов во внутреннем поясе (нейтронное альбедо). Модель образования внутренней зоны радиации: протоны галактических космических лучей (1) испытывают столкновения в атмосфере (2) и рождают нейтроны (3), которые, выходя из атмосферы, распадаются (4), создавая захваченные электроны (5) и протоны (6)
На ассамблее обсуждалась и количественно анализировалась идея, что протоны внутреннего пояса появляются в процессе распада нейтронов, образующихся при реакциях взаимодействия высокоэнергичных частиц космических лучей с ядрами атомов атмосферы Земли и вылетающих из нее (их назвали нейтронами альбедо космических лучей). При распаде нейтронов образуются протоны и электроны, которые попадают в магнитную ловушку и захватываются там (рис. 5). В СССР эта гипотеза впервые прозвучала на семинаре в Физическом институте АН СССР уже 6 июня 1958 г., когда Вернов рассказывал о расчетах по нейтронному источнику протонов * . На V ассамблее МГГ доклад был повторен. Докладывали на эту тему и другие исследователи — Ф. Сингер и П. Келлог. С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков представили также доклады на Х съезде Международного астрономического союза (Москва, август 1958 г.) и на 2-й Международной конференции по мирному использованию атомной энергии (Женева, сентябрь 1958 г.) [6].
Первая публикация по протонам от распада нейтронов альбедо принадлежит, по-видимому, Сингеру [21]. И это несмотря на то, что Вернов рассмотрел идею нейтронов альбедо на две недели раньше Сингера, как известно из переписки М. И. Панасюка с Сингером, где тот признает первенство Вернова ** . Потом были и другие публикации, например [22, 23].
О приоритете и сотрудничестве
До сих пор в истории физики стоит вопрос: кого же считать автором открытия радиационных поясов Земли? Суммируем различные сведения и соображения, которые могут помочь составить некоторое представление о вкладе различных групп и отдельных ученых в обнаружение и объяснение этого явления.
В нашем случае ситуация оказалась несколько сложней: столкнулись с поясами одни исследователи, а разгадали эффект другие.
Обоснованно ли именовать Ван Аллена автором открытия радиационных поясов? Почему сложилось подобное мнение? Причин несколько.
Все вместе привело к тому, что Вернов со своими спутниковыми результатами просто не был известен широкой научной и масс-медийной общественности, тогда как Ван Аллен — у всех на слуху и в блеске новых перспективных исследований. Естественно, научная общественность и признала последнего автором открытия радиационных поясов Земли. А вы кому бы отдали пальму первенства в этих условиях?
Рис. 6. Представление об околоземном пространстве до (слева) и после (справа) открытия радиационных поясов Земли
Но самое главное — полет первых спутников указал путь к дальнейшему прогрессу науки. Был сделан начальный шаг к полному освоению Солнечной системы и, помечтаем, Вселенной.
Исследования, выполненные с помощью искусственных спутников Земли; показали, что наша планета окружена помимо газовой оболочки, слоями заряженных частиц большой энергии, так называемыми радиационными поясами.
Работа содержит 1 файл
Документ Microsoft Office Word (3).docx
Радиационные пояса Земли
Смещений диполя, разумеется, приводит к некоторой асимметрии ловушки относительно поверхности Земли. Точнее, области с заданным значением напряженности магнитного поля располагаются на различной высоте над поверхностью в зависимости от географических координат выбранного места.
Заметим, что малая абсолютная величина напряженности магнитного поля в околоземном пространстве (десятые доли эрстеда) с лихвой компенсируется большой его протяженностью.
Радиационные пояса Земли были открыты Ван-Алленом и Верновым в 1958 г. при первых полетах советских и американских искусственных спутников. На спутниках были установлены гейгеровские счетчики заряженных частиц, предназначавшиеся первоначально для исследования космических лучей. Высотный ход интенсивности космического излучения, вплоть до расстояний порядка сотни километров над поверхностью Земли, был хорошо изучен в проводившихся ранее опытах с подъемом счетчиков на шарах-зондах и метеорологических ракетах. После начального довольно быстрого роста, связанного с уменьшением экранирующего действия атмосферы, интенсивность космического излучения достигала области насыщения. Естественно было ожидать, что примерно такой же уровень счета будет обнаружен и с помощью спутника, летящего на больших высотах. Вместо этого счетчики Гейгера на спутниках зарегистрировали периодически повторявшееся резкое (в десятки тысяч раз) повышение скорости счета. После обработки результатов измерений, т. е. пересчета временного хода показаний счетчиков на зависимость интенсивности от геофизических координат (это было нетрудно сделать, так как траектория спутника известна), оказалось, что в окрестности Земли расположена кольцеобразная область, при прохождении которой счетчики регистрируют высокую скорость счета, а, следовательно, и повышенную плотность заряженных частиц. Размещая перед окнами счетчика фильтры различной толщины, можно было кроме того получить суждение об энергии частиц в поясе.
На рис. 2 приведены экспериментальные кривые, полученные в ходе подобных измерений на американских спутниках. Как видно из графиков, область стремительного возрастания скорости счета (масштаб по оси ординат - логарифмический!), т. е. граница радиационного пояса, располагается на разных высотах над поверхностью Земли в районе Атлантического и в районе океанов. Это обстоятельство находится в соответствии с отмеченной ранее асимметрией земного магнитного поля.
Последующие эксперименты установили существование еще одной области повышенного счета. Первая область, которую мы называем теперь внутренним радиационным поясом, располагается на расстоянии 1,5R от центра Земли (от 1000 до 4500 км, считая от поверхности Земли). Вторая область имеет более неопределенные меняющиеся со временем очертания, ее середина находится на расстоянии около 3,5R (рис. 3). Внутренний радиационный пояс образован частицами большой энергии (в основном это протоны и электроны); его положение и характеристики сравнительно устойчивы и регулярно воспроизводятся при повторных исследованиях.
Вопрос о происхождении радиационных поясов не может считаться полностью разъясненным. Кажется вероятным, что внутренний пояс формируется в результате распада быстрых нейтронов в соответствующих областях околоземного пространства. Точнее: космические частицы высоких энергий в верхних слоях земной атмосферы (на высоте 100 км) взаимодействуют с ядрами азота и кислорода. Возникающие при этих ядерных процессах быстрые нейтроны (примерно по четыре нейтрона на одну космическую частицу) затем распадаются на протон, электрон, и нейтрино. (Согласно закону сохранения лептонного заряда, рождение легких частиц может происходить только парами; поэтому при распаде нейтрона, помимо одной легкой частицы - электрона, рождается и вторая - нейтрино. Дальнейшая судьба нейтрино нас не интересует: электрически нейтральный, ядерно не взаимодействующий с окружающими частицами, он ускользает от наблюдения). Период полураспада нейтрона 12 минут. Некоторое число нейтронов будет застигнуто распадом в ловушечной области. Тогда при благоприятном направлении начальной скорости протоны, рожденные при распаде, окажутся захваченными в ловушку.
Приведенная картина представляется в целом достаточно правдоподобной. Количественные оценки интенсивности потока космических частиц, альбедо возникающих нейтронов, вероятности их распада в ловушечной области и наблюдаемые плотности частиц в радиационном поясе, в общем, согласуются между собой. Но остается непонятным, почему получаются два радиационных пояса, а не один широкий, заполняющий всю ловушечную конфигурацию магнитного поля от границ атмосферы (где захваченные частицы должны гибнуть, производя возбуждение и ионизацию молекул азота и кислорода) до областей исчезающее слабого магнитного поля. Сомнителен и неясен также механизм заполнения внешнего радиационного пояса. Несомненна его связь с потоками заряженных частиц, испускаемых Солнцем (так называемый "солнечный ветер"), но детальная картина процесса отсутствует.
Конечно, все сказанное стало бы несравненно более убедительным, если бы помимо астрофизических наблюдений были проделаны прямые эксперименты с искусственным заполнением земной ловушки частицами. С этой целью в августе 1958 г. на высоте около 480 км над поверхностью Земли над южной частью Атлантического океана был осуществлен ядерный взрыв малой мощности. Значительную часть продуктов ядерного деления составляют короткоживущие бета-активные ядра; испытывая распад в зоне ловушки, заряженные продукты ядерных реакций должны быть, захвачены магнитным полем Земли. При этом заполнение радиационного пояса вокруг всего земного шара должно произойти за счет дрейфа частиц в неоднородном магнитном поле за короткое время, примерно 2-3 часа.
Искусственный радиационный пояс должен был разместиться между первым и вторым естественными поясами (см. схему рис. 4). Запущенный перед описываемым экспериментом спутник -IV> совершил в течение сентября 1958 г. свыше тысячи полетов сквозь искусственно созданную оболочку. При каждом пролете счетчики, установленные на спутнике, давали интенсивный всплеск счета импульсов. В качестве иллюстрации на рис. 5 приведена одна из записей интенсивности счета импульсов в функции времени. Резкий максимум отвечает пролету спутника через искусственный радиационный пояс. По известной скорости спутника и геометрии его траектории можно оценить ширину возникшей радиационной зоны она составляет около 100 км. Начальная (в первые числа сентября) скорость счета при пролете искусственного пояса в 10 2 - 10 3 раз превышала нормальную (для данных геофизических координат) скорость счета. Контрольные опыты, в которых наблюдалось прохождение спутником тех же областей околоземного пространства до инжекции частиц, не обнаруживали, как и следовало ожидать, никаких аномалий в скорости счета. Аналогичные результаты, подтверждающие появление новой радиационной зоны, были получены при запусках метеорологических ракет.
Радиационный пояс сформировался над всем земным шаром, в соответствии с приведенным выше расчетом, спустя несколько часов после инжекции. Распад пояса растянулся на несколько месяцев; так, космическая ракета
-III>, запущенная в декабре 1958 г., еще обнаружила слабые следы радиации, но ракета запущенная в марте 1959 г., уже не зарегистрировала практически никаких сигналов.
Географическая зона, сопряженная по отношению к месту инжекции частиц, находилась в северном полушарии над Азорскими островами. В этом районе наблюдалось искусственное полярное сияние, начавшееся через несколько минут после инжекции.
В целом опыт заполнения ловушки искусственно созданными частицами оказался удачным, и тем самым было получено прямое экспериментальное подтверждение факта существования земной магнитной ловушки.
В заключение еще один интересный вопрос. Является ли радиационная корона специфической привилегией Земли или она присуща и другим небесным телам? В трех случаях ответ нам известен. Луна, как показали исследования, проделанные впервые с помощью космических ракет, запущенных в направлении Луны в Советском Союзе, и как было подтверждено измерениями, выполненными на поверхности Луны, не обладает магнитным полем. Точнее, напряженность лунного магнитного поля не превышает 2*10 -4 э. Соответственно в окрестностях Луны не обнаруживается никаких следов повышенной радиации.
Венера также лишена магнитного поля и радиационных поясов (H ~ 0,003 э). Измерения были выполнены на расстоянии 30000 км от поверхности планеты с помощью космической станции в 1962 г. и полностью подтверждены в 1968 г. при полете и посадке на поверхность Венеры советской космической станции "Венера-III" и облете Венеры американской станцией .Отсутствие магнитного поля вокруг Венеры, возможно, следует связать с ее очень медленным суточным вращением.
Магнитное поле и радиационные пояса вблизи Марса также не обнаружены. На расстоянии около 10000 км от поверхности планеты напряженность поля не превышает 3 *10 -4 э, т. е. составляет меньше 1/1000 доли земного магнитного поля (IV, 1965 г.). Между тем, скоростисуточные вращения Земли и Марса почти совпадают.
Название работы: РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ
Предметная область: Физика
Описание: Радиационные пояса Земли При запуске первых спутников был установлен факт существования радиационных поясов состоящих из заряженных частиц высоких энергий. Данные пояса можно объяснить исходя из представлений о структуре магнитного поля Земли и движении заря
Дата добавления: 2013-07-11
Размер файла: 93.5 KB
Работу скачали: 6 чел.
Радиационные пояса Земли
При запуске первых спутников был установлен факт существования радиационных поясов, состоящих из заряженных частиц высоких энергий. Данные пояса можно объяснить исходя из представлений о структуре магнитного поля Земли и движении заряженных частиц в плазменных установках, например, в магнитных ловушках. Источником заряженных частиц, формирующих магнитные пояса, является солнечный ветер, приходящий от Солнца. Во всем мире ведется постоянное наблюдение за состоянием солнечной активности и магнитосферы Земли, как, например, в институте земного магнетизма ИЗМИРАН (Москва). Информация о состоянии радиационных поясов является чрезвычайно важной при запуске космических кораблей и спутников.
Известным фактом является потеря Солнцем значительной, по земным критериям, массы в виде солнечного ветра - потока высокоэнергетичных (100 кэВ-50 МэВ) заряженных частиц: протонов и электронов. Приведем значение скорости уменьшения массы Солнца, а также массы Солнца и Земли:
Ввиду вращения Солнца (период Т =25,4 сут) структура магнитного межпланетного поля Солнца и потоки солнечного ветра закручиваются в спираль Архимеда. Скорость истечения плазмы с поверхности Солнца достигает порядка 100 км/ c , а скорость ударных волн при вспышках на Солнце может достигать значения 1000 км/ c .
Магнитное поле Земли имеет сложную структуру, содержащую как постоянную ( В 0,5 Гс у поверхности), так и переменную составляющую. Наклон магнитной оси к оси вращения Земли составляет . Самой простейшей моделью постоянного поля Земли, не учитывающей более тонких эффектов, является поле магнитного диполя. Причем ось магнитного диполя и ось вращения Земли оказываются смещенными друг относительно друга на длину около 400 км. Для объяснения генерации магнитного поля Земли были выдвинуты различные теории, получившие общее название теорий динамо-эффекта. Одной из первых в 40 х годах прошлого века была предложена теория Я.Б.Френкеля, учитывающая вихревое движение металлических масс в магнитном поле. Представим схематичное изображение возникновения магнитного поля, которое предложил несколько позднее в своей теории Э.Буллард (рис.1). Предполагалось, что твердое металлическое ядро Земли имеет жидкую проводящую оболочку, граничащую с мантией. Буллард предположил, что твердое ядро вращается с несколько меньшей скоростью, чем проводящая жидкая оболочка. При этом генерируются вихревые кольцевые токи и располагаются в меридиональных плоскостях. Данная теория позволила объяснить дипольную составляющую магнитного поля и выдвинуть гипотезы относительно недипольных составляющих поля.
Для изучения возможности формирования радиационных поясов Земли приближение магнитного диполя оказывается достаточным. Приведем выражение для напряженности магнитного поля диполя (рис.2):
Где - магнитный момент,
В теории плазмы из лагранжиана частицы в электромагнитном поле выводится уравнение ее движения и траектория. Запишем исходное выражение и наиболее важный результат. Удобными для рассмотрения движения заряженных частиц оказываются цилиндрические координаты ( r , , z ). Лагранжиан заряженной частицы представляется в виде:
Выражение, описывающее траекторию заряженной частицы, имеет форму:
M момент количества движения частицы.
Для наиболее важного случая при >2 области движения частиц представлены на рис.3. на этом рисунке области, недоступные для движения частиц имеют штриховку. Частицы, попавшие во внутреннюю серповидную область, оказываются запертыми в магнитной ловушке, созданной этим полем.
Более детальный анализ дипольного магнитного поля, проведенный К.Штермером, дает для разрешенных областей движения различные серповидные области, изображенные на рис.4, расположенные на различных расстояниях от диполя (показано только три). Для каждой области такой области определяющим фактором является значение . В силу более сложной структуры магнитного поля Земли по сравнению с полем диполя в реальном случае заряженные частицы заполняют лишь часть областей, предсказанных теорией.
Рассмотрим общую структуру магнитосферы Земли (рис.5). Солнечный ветер сжимает магнитосферу, образуя на расстоянии R ~ 15 R З ударную волну. С другой стороны линии поля являются вытянутыми, образуя шлейф. Типичные параметры в солнечном ветре составляют: концентрация частиц n =5-20 см -3 , скорость потока v =350-1000 км/ c . Межпланетное магнитное поле ( В ~10 -4 Гс) перезамыкается с полем Земли, которое в магнитосфере составляет В ~10 -1 -10 -4 Гс.
Счетчики заряженных частиц, установленные на первых российских и американских спутниках (1958 г.) показали наличие высокоэнергетичных заряженных частиц. При более детальном изучении данных областей были обнаружены два радиационных пояса (рис.6). Внутренний радиационный пояс (1) расположен на расстоянии около R ~1,5 R З и занимает пространство L =1000-45000 км от поверхности Земли. В нем присутствуют наиболее высокоэнергетичные частицы с энергиями Е =10-40 МэВ. Его заполнение происходит за счет частиц солнечного ветра и при распадах нейтронов, возникающих в верхних слоях атмосферы.
Внешний радиационный пояс (2) расположен на расстоянии R =(3-5) R З и содержит заряженные частицы в диапазоне энергий Е =(0,1-0,5) МэВ. Заполнение данного пояса происходит после периодов сильных солнечных бурь. Это подтверждается с помощью регистрации интенсивности радиации на спутниках, проходящих через данный пояс, спустя 1-2 суток после вспышки на Солнце. Эксперимент по искусственному заполнению радиационных поясов был предпринят в 1958 г. при ядерном взрыве малой мощности на высоте около 480 км над поверхностью Земли в районе южной части Атлантического океана. Основным продуктами, заполняющими природную магнитную ловушку являлись -активные ядра. Искусственный радиационный пояс был сформирован между первым и вторым радиационными поясами на расстоянии около R ~2 R З и существовал на протяжении нескольких месяцев.
Область ближайшего околоземного космического пространства в виде кольца, окружающего Землю, в которой сосредоточены огромные потоки протонов и электронов, захваченных дипольным магнитным полем Земли, получила название радиационного пояса Земли (РПЗ). За рубежом ее обычно называют поясом Ван-Аллена. РПЗ был открыт американскими и советскими учеными в1957-1958 годах. С тех пор в космосе было проведено огромное количество экспериментов, позволивших изучить основные свойства и особенности РПЗ. Радиационные пояса наподобие земного существуют у планет, обладающих магнитным полем и атмосферой. Благодаря американским межпланетным кораблям они были обнаружены у Юпитера, Сатурна и Марса.
Что же такое РПЗ? Качественно это можно объяснить следующимобразом. Дипольное магнитное поле Земли - это набор вложенных друг в друга магнитных оболочек. Его структура напоминает луковицу или кочан капусты. Магнитную оболочку можно определить как замкнутую поверхность, сотканную из магнитных силовых линий. Чем ближе оболочка к центру диполя, тем больше напряженность магнитного поля и импульс, необходимый заряженной частице, чтобы проникнуть извне к этой оболочке. Такимобразом, N-я оболочка характеризуется импульсом частицы PN . Если же начальный импульс частицы меньше, чем PN , то магнитное поле ее отразит и частица вернется в космическое пространство. Если же эта частица каким-то образом окажется на N-й оболочке, то покинуть ее она уже не сможет. Такая захваченная частица останется в ловушке, пока не рассеется или не потеряет энергию при столкновении состаточной атмосферой.
Общее описание РПЗ. Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли - диполь, ось которого составляет с осью вращения Земли угол 11°, не проходит через геометрический центр вращения Земли, а сдвинута на 342 км в сторону, противоположную восточной оконечности Бразилии. Полярность магнитного поля Земли противоположна географической. Северный магнитный полюс расположен на юге, вАнтарктиде, а Южный - на севере, в Канаде. Так, Москва, расположенная на 56° северной географической широты, имеет южную магнитную широту 51°. Магнитный момент Земли M = 8,1 [pic] 1025 Гс [pic] см3, и средняя напряженность магнитного поля на поверхности Земли составляет ~ 0,4 Гс. Общепризнанной теории происхождения магнитного поля Земли до сих пор нет. Среди имеющихся гипотез наиболее правдоподобны две: полевызвано вращающимся железным ядром Земли или гигантским электрическим током, опоясывающим Землю на большом расстоянии от центра Земли.
Наклон и смещение оси диполя по отношению к оси вращения, а также величина магнитного момента определяют лишь общую картину магнитного поля Земли. На малых расстояниях от Земли поле несколько искажается под влиянием магнитных.
Начало космонавтики ознаменовалось рядом открытий, одним из которых было открытие радиационных поясов Земли. Внутренний радиационный пояс Земли был открыт американским учёным Джеймсом ван Алленом после полета Эксплорер-1. Внешний радиационный пояс Земли был открыт советскими учёными С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым после полёта Спутник-3 в 1958 году.
На некоторых высотах первые спутники попадали в области, которые были густо насыщенны заряженными частицами, обладающими очень большой энергией, резко отличными от наблюдавшихся ранее космических частиц, и первичных, и вторичных. После обработки данных со спутников стало ясно, что речь идет о заряженных частицах, захваченных магнитным полем Земли.
Эти области магнитосферы, где накапливаются и удерживаются проникшие в нее высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны) и частицы с кинетической энергией E меньше критической называются радиационными поясами. Земля имеет три радиационных пояса, а сейчас открыли еще и четвертый. Радиационный пояс Земли представляет собой тороид.
Первый такой пояс начинается на высоте примерно 500 км над западным и 1500 км над восточным полушарием Земли. Самая большая концентрация частиц этого пояса — его ядро — находится на высоте двух-трех тысяч километров. Верхняя граница этого пояса достигает трех-четырех тысяч километров над поверхностью Земли.
Второй пояс простирается от 10—11 до 40—60 тыс. км с максимальной плотностью частиц на высоте 20 тыс. км.
Внешний пояс начинается на высоте 60—75 тыс. км.
Приведенные границы поясов определены пока еще только приблизительно и, видимо, в каких-то пределах периодически изменяются.
Отличаются эти пояса друг от друга тем, что первый из них, самый близкий к Земле, состоит из положительно заряженных протонов, обладающих очень большой энергией — порядка 100 Мое. Их смогла захватить и удержать только самая плотная часть магнитного поля Земли. Поток протонов в нем довольно устойчив во времени и не испытывает резких колебаний.
В третьем поясе, где магнитное поле Земли самое слабое, удерживаются частицы с энергией 200 эв и более.
Кроме того, электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю область захвата. Для них нет разделения на пояса, они присутствуют во всех трех поясах.
Чтобы понять, насколько опасны для всего живого на Земле заряженные частицы в радиационных поясах, приведем для сравнения пример. Так, обычное рентгеновское излучение, применяемое кратковременно для медицинских целей, обладает энергией 30—50 кэв, а мощные установки для просвечивания огромных слитков и глыб металла — от 200 кэв до 2 Мэв. Поэтому самыми опасными для космонавтов будущего и для всего живого при полетах на другие планеты являются первый и второй пояс.
Вот почему ученые сейчас столь упорно и тщательно пытаются уточнить месторасположение и форму этих поясов, распределение частиц в них. Пока ясно лишь одно. Коридорами для выхода обитаемых космических кораблей на трассы к другим мирам будут области, близкие к магнитным полюсам Земли, свободные от частиц больших энергий.
Разделение зарядов на слои и образование радиационных поясов Земли происходит под действием акусто-магнитоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что коротковолновое излучение Солнца, проходя через плазму поперек силовых линий магнитного поля Земли, производит сортировку зарядов по энергетическому состоянию на разные уровни. Наличие определенного количества зарядов в каждом слое, в том числе и на поверхности Земли, дает основание предположить, что Землю вместе со всей атмосферой можно рассматривать как электрическую машину, которую по конструкции можно отождествить со сферической многослойной, многороторной, асинхронной электрической емкостно-индуктивной машиной.
Захваченные в магнитную ловушку Земли частицы под действием силы Лоренца совершают колебательное движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля из Северного полушария в Южное и обратно. Одновременно частицы совершают более медленное перемещение (долготный дрейф) вокруг Земли.
Долготный дрейф происходит со значительно меньшей скоростью. В зависимости от энергии частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток. Положительные ионы дрейфуют в западном направлении, а электроны — в восточном. Движение частицы по спирали вокруг силовой линии магнитного поля можно представить как состоящее из вращения около т. н. мгновенного центра вращения и поступательного перемещения этого центра вдоль силовой линии.
Читайте также: