Astronet > Radiacionnyi poyas Zemli

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Radiacionnyi poyas Zemli

A.M.GAL'PER

Moskovskii inzhenerno-fizicheskii institut

Rassmotreno sovremennoe predstavlenie o prirode i osnovnyh harakteristikah radiacionnogo poyasa Zemli, estestvennogo okolozemnogo obrazovaniya, uderzhivayushego ogromnye potoki zaryazhennyh chastic - protonov i elektronov. Privedeny rezul'taty poslednih issledovanii sostava i dinamiki RPZ, vypolnennyh na iskusstvennyh sputnikah Zemli i orbital'nyh stanciyah.

1. Vvedenie

Oblast' blizhaishego okolozemnogo kosmicheskogo prostranstva v vide kol'ca, okruzhayushego Zemlyu, v kotoroi sosredotocheny ogromnye potoki protonov i elektronov, zahvachennyh dipol'nym magnitnym polem Zemli, poluchila nazvanie radiacionnogo poyasa Zemli (RPZ). Za rubezhom ee obychno nazyvayut poyasom Van-Allena. RPZ byl otkryt amerikanskimi i sovetskimi uchenymi v 1957-1958 godah [1],[2]. S teh por v kosmose bylo provedeno ogromnoe kolichestvo eksperimentov, pozvolivshih izuchit' osnovnye svoistva i osobennosti RPZ. Radiacionnye poyasa napodobie zemnogo sushestvuyut u planet, obladayushih magnitnym polem i atmosferoi. Blagodarya amerikanskim mezhplanetnym korablyam oni byli obnaruzheny u Yupitera, Saturna i Marsa.

Chto zhe takoe RPZ? Kachestvenno eto mozhno ob'yasnit' sleduyushim obrazom. Dipol'noe magnitnoe pole Zemli - eto nabor vlozhennyh drug v druga magnitnyh obolochek. Ego struktura napominaet lukovicu ili kochan kapusty. Magnitnuyu obolochku mozhno opredelit' kak zamknutuyu poverhnost', sotkannuyu iz magnitnyh silovyh linii. Chem blizhe obolochka k centru dipolya, tem bol'she napryazhennost' magnitnogo polya i impul's, neobhodimyi zaryazhennoi chastice, chtoby proniknut' izvne k etoi obolochke. Takim obrazom, N-ya obolochka harakterizuetsya impul'som chasticy P_N . Esli zhe nachal'nyi impul's chasticy men'she, chem P_N , to magnitnoe pole ee otrazit i chastica vernetsya v kosmicheskoe prostranstvo. Esli zhe eta chastica kakim-to obrazom okazhetsya na N-i obolochke, to pokinut' ee ona uzhe ne smozhet. Takaya zahvachennaya chastica ostanetsya v lovushke, poka ne rasseetsya ili ne poteryaet energiyu pri stolknovenii s ostatochnoi atmosferoi.

2. Obshee opisanie RPZ

2.1. Magnitnoe pole Zemli

Magnitnoe pole Zemli - dipol', os' kotorogo sostavlyaet s os'yu vrasheniya Zemli ugol 11°, ne prohodit cherez geometricheskii centr vrasheniya Zemli, a sdvinuta na 342 km v storonu, protivopolozhnuyu vostochnoi okonechnosti Brazilii. Polyarnost' magnitnogo polya Zemli protivopolozhna geograficheskoi. Severnyi magnitnyi polyus raspolozhen na yuge, v Antarktide, a Yuzhnyi - na severe, v Kanade. Tak, Moskva, raspolozhennaya na 56° severnoi geograficheskoi shiroty, imeet yuzhnuyu magnitnuyu shirotu 51°. Magnitnyi moment Zemli M = 8,1 $\cdot$ 10²⁵ Gs $\cdot$ sm³, i srednyaya napryazhennost' magnitnogo polya na poverhnosti Zemli sostavlyaet ~ 0,4 Gs. Obshepriznannoi teorii proishozhdeniya magnitnogo polya Zemli do sih por net. Sredi imeyushihsya gipotez naibolee pravdopodobny dve: pole vyzvano vrashayushimsya zheleznym yadrom Zemli ili gigantskim elektricheskim tokom, opoyasyvayushim Zemlyu na bol'shom rasstoyanii ot centra Zemli.

Naklon i smeshenie osi dipolya po otnosheniyu k osi vrasheniya, a takzhe velichina magnitnogo momenta opredelyayut lish' obshuyu kartinu magnitnogo polya Zemli. Na malyh rasstoyaniyah ot Zemli pole neskol'ko iskazhaetsya pod vliyaniem magnitnyh anomalii: Brazil'skoi, Yuzhnoatlanticheskoi, Severnoi i dr. Na rasstoyaniyah zhe bolee 6-7 radiusov Zemli ono sushestvenno iskazheno solnechnym vetrom (magnitnym polem, vmorozhennym v plazmu solnechnogo vetra). Na ris. 1 predstavlena kartina prostranstva, zanimaemogo magnitnym polem Zemli i nazyvaemogo magnitosferoi. Magnitosfera sil'no splyusnuta so storony Solnca i ochen' vytyanuta s protivopolozhnoi (to est' nochnoi). “Hvost” zemnoi magnitosfery prostiraetsya do traektorii Luny. Imenno v vytyanutoi chasti magnitosfery inogda sluchayutsya razryvy magnitnyh silovyh linii, i cherez nih solnechnyi veter proryvaetsya vnutr' magnitosfery.

Ris. 1. a) - dipol'noe magnitnoe pole, b) - magnitnoe pole Zemli, transformirovannoe potokom solnechnogo vetra (meridional'naya ploskost').

Na rasstoyaniyah menee 6-7 radiusov Zemli magnitnoe pole mozhno schitat' pochti dipol'nym, sfericheski simmetrichnym i ne zavisyashim ot dolgoty. Togda napryazhennost' magnitnogo polya v lyuboi tochke prostranstva opredelyaetsya kak

$B(\lambda_{M},r)=\frac{M}{r^3}\sqrt{1+3\sin {\lambda}^2{}_M}\,.$

(1)

V ploskom dvumernom priblizhenii kazhdaya tochka mozhet byt' opredelena magnitnoi silovoi liniei, na kotoroi ona nahoditsya, i uglom $\lambda_{M}$ , to est' magnitnoi shirotoi. Pri etom samu magnitnuyu silovuyu liniyu mozhno “pometit'” rasstoyaniem mezhdu ekvatorial'noi tochkoi etoi linii i centrom dipolya i vyrazit' v otnositel'nyh edinicah L = r_ekv/r_z , gde r_ekv - rasstoyanie ot ekvatorial'noi tochki do centra dipolya, a r_z - radius Zemli. Tak, magnitnaya silovaya liniya s parametrom L = 1 imeet ekvatorial'nuyu tochku na poverhnosti Zemli.

Polozhenie lyuboi tochki v magnitosfere Zemli mozhet byt' oboznacheno kak trehmernymi geograficheskimi koordinatami, tak i magnitnoi sistemoi koordinat. Obychno dlya opisaniya dvizheniya zaryazhennyh chastic ispol'zuyut magnitnuyu koordinatnuyu sistemu (L, B ), nazyvaemuyu sistemoi koordinat Mak-Ilvaina po imeni predlozhivshego ee uchenogo.

2.2. Dvizhenie chastic v magnitnom pole Zemli

1. Esli v magnitnom pole skorost' zaryazhennoi chasticy napravlena pod nekotorom uglom q (tak nazyvaemyi pitch-ugol) k napravleniyu magnitnoi silovoi linii, gde nahoditsya chastica, to vektor ee skorosti mozhno razlozhit' na dve sostavlyayushie: po kasatel'noi k magnitnoi silovoi linii i perpendikulyarno k nei. Dvizhenie takoi chasticy mozhet byt' predstavleno kak larmorovskoe vrashenie vokrug magnitnoi silovoi linii (centr vrasheniya chasticy v magnitnom pole nazyvayut vedushim centrom) i postupatel'noe (dvizhenie centra vrasheniya vdol' magnitnoi silovoi linii). V rezul'tate slozheniya etih sostavlyayushih chastica dvizhetsya po spiral'noi traektorii, navivayas' na magnitnye silovye linii, i, esli eti magnitnye linii zamknutye, voznikaet obychnyi effekt magnitnogo uderzhaniya (ris. 2).

Ris. 2. a) - razlozhenie vektora skorosti na dve sostavlyayushie; b) - dvizhenie chasticy mezhdu zerkal'nymi tochkami.

Radius vrasheniya R_l vokrug silovoi linii, obychno nazyvaemyi larmorovskim, opredelyaetsya iz ravenstva centrobezhnoi sily i sily Lorenca. Period obrasheniya T_l sostavlyaet

$T_{\textrm{\normalsize L}}=\frac{2\pi R_{\\textrm{\normalsize L}}}{\upsilon_{\perp}}=\frac{2\pi R_{\\textrm{\normalsize L}}}{\upsilon \sin \theta}=2\pi \frac{mc}{ZeB}\,,$

(2)

gde m - massa chasticy, c - skorost' sveta, Ze - zaryad chasticy, a $\upsilon_{\perp}$ - sostavlyayushaya skorosti, perpendikulyarnaya k magnitnomu polyu.

My polagaem magnitnoe pole dostatochno odnorodnym i stabil'nym: ego izmeneniya v prostranstve $\frac{\partial B}{\partial r}$ i vo vremeni $\frac{\partial B}{\partial t}$ ochen' maly na protyazhenii larmorovskogo radiusa i odnogo perioda obrasheniya, iz-za chego vypolnyayutsya usloviya

$R_\textrm{\normalsize L} \left|\frac{\partial B}{\partial r}\right| \ll B\,,$

(3)

$T_\textrm{\normalsize L} \left|\frac{\partial B}{\partial t}\right| \ll B\,.$

(4)

Ogranicheniya (3) i (4) udovletvoryayut usloviyam adiabatichnosti. Pri ih vypolnenii zadacha o dvizhenii zaryazhennoi chasticy v magnitnom pole reshaetsya prosto, a velichiny R_l i T_l opredelyayutsya dostatochno tochno. Naprimer, dlya elektrona i protona s energiei 10 MeV larmorovskie radiusy sostavlyayut sootvetstvenno 12,2 i 118 km, a periody ih vrasheniya ~10^-6 i ~10^-3 s. Konechno, larmorovskii radius chastic dolzhen byt' gorazdo men'she radiusa Zemli. Eto nuzhno dlya vypolneniya uslovii adiabatichnosti (dlya chego dostatochno sootnosheniya R_l/R_z $\leq$ 0,1). Est' i eshe odno ogranichenie:R_l dolzhen byt' dostatochno malym, chtoby chastica pri svoem vrashenii ne zadevala plotnyh sloev atmosfery, granica kotoroi nahoditsya na vysote ~100 km.

Rassmotrim teper' postupatel'noe dvizhenie. Dvigayas' po inercii vdol' magnitnoi silovoi linii dipol'nogo polya, chastica priblizhaetsya k Severnomu ili Yuzhnomu magnitnomu polyusu, prichem napryazhennost' polya sil'no uvelichivaetsya. Na chasticu deistvuet sila $\overrightarrow {F}_{||} =(Ze/c)[\upsilon_{\perp} B_{r}]$ narastayushaya po mere priblizheniya k polyusu (B_r - radial'naya sostavlyayushaya magnitnogo polya). Ona zamedlyaet postupatel'noe dvizhenie chasticy k polyusu do polnoi ostanovki, posle chego zastavlyaet chasticu dvigat'sya s uskoreniem k protivopolozhnomu polyusu. Tochku, gde dvizhenie chasticy vdol' magnitnoi silovoi linii izmenyaet napravlenie na obratnoe, nazyvayut zerkal'noi tochkoi. Dlya elektronov i protonov s energiei 10 MeV periody kolebanii mezhdu paroi zerkal'nyh tochek RPZ sostavlyayut sekundu i desyatuyu dolyu sekundy sootvetstvenno.

Pomimo etih dvuh vidov dvizheniya zahvachennoi chasticy sushestvuet i tretii. V dipol'nom magnitnom pole nel'zya polnost'yu vypolnit' uslovie adiabatichnosti (3), osobenno dlya zahvachennyh chastic s vysokimi energiyami. Deistvitel'no, kogda chastica sovershaet odin oborot vokrug magnitnoi silovoi linii, ona peresekaet oblasti s raznoi napryazhennost'yu magnitnogo polya: ono bol'she na vnutrennei chasti larmorovskoi okruzhnosti, chem na vneshnei. Sledovatel'no, i larmorovskii radius men'she na vnutrennei chasti, chem na vneshnei. Po etoi prichine chastica, sovershiv polnyi oborot, promahivaetsya mimo ishodnoi tochki, tak chto vedushii centr smeshaetsya k zapadu v sluchae polozhitel'nogo zaryada chasticy ili k vostoku v sluchae otricatel'nogo. Smeshenie budet proishodit' i na posleduyushih vitkah. Tak voznikaet tretii vid dvizheniya - dolgotnyi dreif. Chastica oborachivaetsya vokrug Zemli imenno iz-za dolgotnogo dreifa: period obrasheniya obratno proporcionalen energii chasticy. Dlya elektronov i protonov s energiei ~10 MeV etot period raven priblizitel'no dvum minutam i neskol'kim desyatkam sekund sootvetstvenno.

2. Pri dvizhenii zaryazhennoi chasticy v dipol'nom magnitnom pole voznikayut dva tak nazyvaemyh adiabaticheskih invarianta dvizheniya.

Pervyi invariant. Larmorovskoe vrashenie chasticy privodit k sohraneniyu magnitnogo momenta $\overrightarrow{\mu}=\pi R^2_{\textrm{\normalsize L}}\overrightarrow{j}_{\textrm{\normalsize L}}$ , gde $\overrightarrow{j}_{\textrm{\normalsize L}} = Ze\omega_{\textrm{\normalsize L}}$ - tok chastic, $\omega_{\textrm{\normalsize L}}$ - chastota larmorovskogo vrasheniya i e - zaryad chasticy. Uchityvaya (2), poluchaem vyrazhenie

$\mu=\pi c \frac{m\upsilon^2}{Ze} \frac{\sin \theta ^2}{B}\,.$

(5)

Esli chasticy ne podvergayutsya tormozheniyu, a pole stacionarno, to $\mu ~ \sin \theta^{2}/B\approx$ const. Takim obrazom, $\mu$ i est' pervyi adiabaticheskii invariant - sohranyayushayasya velichina v processe dvizheniya zahvachennoi chasticy. V kazhdyi moment vremeni magnitnyi moment napravlen po kasatel'noi k magnitnoi silovoi linii, sleduya za vsemi ee izgibami. Inymi slovami, vedushii centr obladaet magnitnym momentom i dvizhetsya vdol' magnitnoi silovoi linii. Poskol'ku $\overrightarrow{B}$ izmenyaetsya vdol' magnitnoi silovoi linii, to sootvetstvenno pomenyaetsya i pitch-ugol. Pri nekotorom znachenii napryazhennosti magnitnogo polya $\sin \theta$ stanet ravnym edinice. Znachit, v sootvetstvuyushei tochke skorost' chasticy $\overrightarrow \upsilon$ perpendikulyarna k $\overrightarrow B$ i dal'neishee prodvizhenie vdol' silovoi linii k polyusu prekrashaetsya. Eto i est' matematicheskoe opredelenie zerkal'noi tochki. Posle ostanovki v zerkal'noi tochke totchas zhe nachinaetsya obratnoe spiral'noe dvizhenie chasticy k protivopolozhnomu polyusu. Iz vyrazheniya (5) sleduet, chto esli na magnitnom ekvatore chastica imela pitch-ugol opredelennoi velichiny, to emu sootvetstvuet znachenie polya B_z , pri kotorom proizoidet zerkal'noe otrazhenie. Ispol'zuya vyrazheniya (1) i (2), mozhno ustanovit', na kakoi geograficheskoi shirote pole stanovitsya ravnym raschetnoi velichine B_z .

V stacionarnyh usloviyah oscillyacii mogli by prodolzhat'sya beskonechno, no zahvachennye chasticy nepreryvno rastrachivayut energiyu na ionizaciyu ostatochnoi atmosfery, sinhrotronnoe izluchenie (elektrony) i na rasseyanie na elektromagnitnyh volnah. Vse eto privodit k potere skorosti i izmeneniyu pitch-ugla chastic, chto sil'no vliyaet na usloviya ih dvizheniya. Osobenno kritichnoi okazyvaetsya vysota zerkal'nyh tochek. Esli ona vyshe uslovnoi verhnei granicy atmosfery, to ionizacionnye poteri prenebrezhimo maly i chislo oscillyacii veliko. Esli pri dolgotnom dreife zerkal'nye tochki nigde ne opuskayutsya nizhe 100 km, to chastica oboidet Zemlyu bez kakih-libo posledstvii. Dlya chastic s nulevym pitch-uglom na magnitnom ekvatore zerkal'nyh tochek net: oni pronikayut v plotnye sloi atmosfery, dostigayut poverhnosti Zemli, gde pogibayut.

Vtoroi adiabaticheskii invariant (dolgotnyi). Integral deistviya J pri oscillyaciyah mezhdu severnoi Z_s i yuzhnoi Z_yu zerkal'nymi tochkami

$J=\int\limits_{\mbox{Z}_{\mbox{yu}}}^{\mbox{Z}_{\mbox{s}}} p_{||} ds\,,$

gde $p_{||} = p\,\cos\theta$ - sostavlyayushaya impul'sa vdol' magnitnoi silovoi linii, a ds - element puti. Uchityvaya, chto v zerkal'noi tochke sin² $\theta$ = 1/B_z , nahodim, chto $p_{||}=p\sqrt{1-B/B_3\,.}$ V magnitnom pole p = const i

$J=p\int\limits_{\mbox{Z}_{\mbox{yu}}}^{\mbox{Z}_{\mbox{s}}} \sqrt{1-B/B_3\,} ds\,.$

Vvedem velichinu

$I=\frac{J}{p}=\int\limits_{\mbox{Z}_{\mbox{yu}}}^{\mbox{Z}_{\mbox{s}}} \sqrt{1-B/B_3\,} ds$

Esli za vremya kazhdoi oscillyacii chasticy mezhdu dvumya zerkal'nymi tochkami znachenie I sohranyaetsya i chastica sovershaet pri etom dolgotnyi dreif, to mozhno schitat', chto ona vse vremya nahoditsya na vpolne opredelennyh silovyh liniyah. Sovokupnost' etih silovyh linii sostavlyaet poverhnost' (ris. 3) i nazyvaetsya obolochkoi. Obolochka napominaet zamknutyi vypuklyi poyas, gde verhnii i nizhnii kraya - eto mnozhestvo shirot raspolozheniya zerkal'nyh tochek. Kraya poyasa, ego vypuklost' ili vognutost' zavisyat uzhe ot real'noi konfiguracii dipol'nogo magnitnogo polya Zemli. Poyas dlya konkretnoi chasticy imeet tolshinu, opredelyaemuyu ee larmorovskim radiusom. Zahvachennye chasticy otlichayutsya impul'sami, pitch-uglami i t.p. i kazhdaya imeet svoi poyas. Vse vmeste oni obrazuyut RPZ.

Ris. 3. Meridional'noe sechenie radiacionnogo poyasa Zemli. Obolochki L = 1-3 - vnutrennyaya chast' poyasa; L = 3,5-7 - vneshnyaya chast'; L = 1,2-1,5 - stabil'nyi poyas vysokoenergetichnyh elektronov (sm. razdel 3.1); L ~ 2 - stabil'nyi poyas yader anomal'noi komponenty kosmicheskih luchei (sm. razdel 3.2); L ~ 2,6 - kvazistabil'nyi poyas (sm. razdel 3.3).

2.3. Prostranstvennoe i energeticheskoe raspredeleniya zahvachennyh chastic v radiacionnom poyase Zemli

V magnitnom pole Zemli odna i ta zhe obolochka na raznyh dolgotah otstoit na razlichnom rasstoyanii ot poverhnosti Zemli iz-za nesovpadeniya osi vrasheniya s os'yu magnitnogo polya. Etot effekt naibolee zameten nad Brazil'skoi magnitnoi anomaliei, gde magnitnye silovye linii opuskayutsya i dvizhushiesya po nim zahvachennye chasticy riskuyut okazat'sya nizhe vysoty 100 km i pogibnut' v atmosfere Zemli.

Raspredelenie elektronov i protonov vnutri poyasa neodinakovo. V chastnosti, iz ris. 4 vidno, chto protony raspolagayutsya vo vnutrennei chasti poyasa, a elektrony - vo vneshnei. Poetomu pri otkrytii i na rannem etape issledovaniya radiacionnogo poyasa schitalos', chto poyasov dva: vnutrennii - protonnyi i vneshnii - elektronnyi.

Ris. 4. Potoki elektronov i protonov razlichnyh energii v ploskosti geomagnitnogo ekvatora. R - rasstoyanie ot centra Zemli, vyrazhennoe v radiusah Zemli. Stabil'nyi poyas elektronov s E_e > 20 MeV vydelen zhirnoi liniei (sm. razdel 3.1).

2.4. Priroda chastic radiacionnogo poyasa

Samyi sushestvennyi mehanizm generacii chastic, zapolnyayushih RPZ, - eto raspad al'bednyh neitronov. Neitrony obrazuyutsya pri vzaimodeistvii kosmicheskogo izlucheniya s atmosferoi. Potok neitronov po napravleniyu ot Zemli (neitrony al'bedo) besprepyatstvenno prohodit skvoz' ee magnitnoe pole. Odnako oni nestabil'ny i raspadayutsya na protony, elektrony i elektronnoe antineitrino. V zavisimosti ot napryazhennosti magnitnogo polya v tochke raspada neitrona i pitch-uglov elektronov i protonov oni budut zahvacheny ili zhe pokinut RPZ. Neitrony al'bedo snabzhayut radiacionnyi poyas protonami s energiei do 10³ MeV i elektronami s energiei do neskol'kih MeV.

Vtoroi mehanizm - radial'naya diffuziya. Plazma solnechnogo vetra, obtekaya magnitosferu, vryvaetsya v magnitnoe pole Zemli so storony hvosta magnitosfery, i zaryazhennye chasticy, okazavshis' na magnitnoi silovoi linii, zahvatyvayutsya i uchastvuyut vo vseh treh opisannyh vyshe dvizheniyah. Nahodyas' na opredelennoi silovoi linii L, zahvachennaya chastica imeet sootvetstvuyushuyu energiyu E, prichem EL³ = const. Deistvitel'no, iz vyrazheniya (5) sleduet, chto $\mu$ ~ (E /B) ~ const. Uchityvaya, chto B ~ r^-3 ~ L^-3, poluchaem EL³ = const. Pri rezkom izmenenii davleniya solnechnogo vetra magnitnoe pole mozhet sil'no izmenit'sya dazhe za odin oborot chasticy vokrug zemnogo shara. Togda vtoroe uslovie adiabatichnosti (4) narushaetsya i chastica perehodit na obolochku s men'shim L. Proishodit uvelichenie energii za schet izmeneniya magnitnogo polya. Eto sravnitel'no medlennyi process uskoreniya, odnako on dopolnitel'no obespechivaet radiacionnyi poyas protonami i elektronami do energii ~ 30 MeV. Vneshnyaya chast' RPZ v osnovnom i formiruetsya etim mehanizmom, i poskol'ku etot istochnik zavisit ot magnitnyh vozmushenii, to vneshnii elektronnyi poyas dostatochno dinamichnyi i izmenyaemyi v otlichie ot vnutrennei chasti.

Est' eshe neskol'ko mehanizmov nakachki poyasa vysokoenergichnymi chasticami. Naprimer, al'bednye atmosfernye elektrony i protony, voznikshie v rezul'tate vzaimodeistviya pervichnyh protonov s yadrami v verhnei atmosfere, rasseivayutsya na ostatochnoi atmosfere i zahvatyvayutsya v RPZ ili vysokoenergichnye radioaktivnye al'bednye yadra preterpevayut raspad vnutri zony zahvata i popolnyayut radiacionnyi poyas elektronami i pozitronami.

Vo vremya sil'nyh magnitnyh bur' chasticy ne tol'ko uskoryayutsya, no i vysypayutsya iz poyasa. Delo v tom, chto izmeneniya konfiguracii magnitnogo polya mogut pogruzit' zerkal'nye tochki v atmosferu i chasticy, teryaya energiyu (rasseyanie, ionizacionnye poteri), izmenyayut pitch-ugly i gibnut v verhnih sloyah magnitosfery.

RPZ okruzhen tak nazyvaemym plazmennym sloem (zahvachennye potoki elektronov i protonov (ionov) c plotnost'yu ~1 sm^-3 i energiei do 1 keV) (ris. 1). Odnoi iz prichin vozniknoveniya severnyh (polyarnyh) siyanii yavlyaetsya vysypanie chastic iz plazmennogo sloya i chastichno iz vneshnego RPZ. Yavlenie “severnye siyaniya” - eto izluchenie atomov atmosfery, vozbuzhdaemyh v rezul'tate stolknovenii s chasticami, vysypayushimisya iz poyasa.

3. Rezul'taty issledovaniya radiacionnogo poyasa Zemli

Prakticheski vse rezul'taty issledovanii RPZ, pozvolivshie sozdat' osnovopolagayushuyu fizicheskuyu kartinu etogo yavleniya, byli polucheny v 1960-1970 godah. Noveishie issledovaniya s ispol'zovaniem mezhplanetnyh korablei, orbital'nyh stancii i nauchnoi apparatury novogo pokoleniya pozvolili poluchit' ochen' vazhnye novye dannye o RPZ.

3.1. Obnaruzhenie stacionarnogo poyasa elektronov vysokoi energii

V nachale 80-h godov uchenye MIFI izuchali potoki vysokoenergichnyh elektronov v blizhaishei okrestnosti Zemli s pomosh'yu apparatury, ustanovlennoi na orbital'noi stancii “Salyut-6”. Apparatura pozvolyala s vysokoi effektivnost'yu vydelyat' potoki elektronov i pozitronov s energiei bolee 40 MeV [3]. Orbita stancii “Salyut-6” (vysota 350-400 km, naklonenie 52°) v osnovnom prohodila nizhe radiacionnogo poyasa Zemli, no v raione Brazil'skoi magnitnoi anomalii ona zadevala vnutrennyuyu chast' RPZ. I imenno, pri peresechenii stanciei Brazil'skoi anomalii byli obnaruzheny stacionarnye potoki vysokoenergichnyh elektronov (ris. 3). Do etogo eksperimenta v RPZ byli zaregistrirovany lish' elektrony s energiei ne bolee 5 MeV (v sootvetstvii s al'bednym mehanizmom vozniknoveniya).

Posleduyushie izmereniya gruppa MIFI provela na iskusstvennyh sputnikah Zemli serii “Meteor-3” (vysota krugovyh orbit 800 i 1200 km). Pribor gluboko vnedrilsya v radiacionnyi poyas i podtverdil rezul'taty, poluchennye na stancii “Salyut-6”, - sushestvovanie stabil'nogo poyasa vysokoenergichnyh elektronov. Zatem gruppa MIFI poluchila eshe bolee vazhnyi rezul'tat s pomosh'yu magnitnyh spektrometrov, ustanovlennyh na stanciyah “Salyut-7” i “Mir”. Bylo dokazano, chto stabil'nyi poyas sostoit tol'ko iz elektronov (bez pozitronov) vysokoi energii (do 200 MeV). Eto oznachaet, chto v magnitosfere Zemli realizuetsya ves'ma effektivnyi uskoritel'nyi mehanizm (odnoi tol'ko radial'noi diffuziei nablyudaemoe uskorenie ob'yasnit' nel'zya) [4]. V nastoyashee vremya izmereniya na stancii “Mir”' prodolzhayutsya.

3.2. Obnaruzhenie stacionarnogo poyasa yader CNO

V konce 80-h - nachale 90-h godov gruppa uchenyh NIYaF MGU postavila eksperiment po issledovaniyu yader, nahodyashihsya v blizhaishem kosmicheskom prostranstve. Izmereniya provodilis' na ISZ serii “Kosmos” s ispol'zovaniem yadernyh fotoemul'sii i proporcional'nyh kamer. Byli obnaruzheny potoki yader O, N i Ne v oblasti kosmicheskogo prostranstva, gde orbita iskusstvennogo sputnika (H ~ 400-500 km, naklonenie 52°) peresekala Brazil'skuyu anomaliyu. Analiz pokazal, chto eti yadra s energiei do neskol'kih desyatkov MeV/nuklon ne mogli byt' ni al'bednymi, ni galakticheskimi, ni solnechnogo proishozhdeniya, tak kak s takoi energiei nikak ne mogli by stol' gluboko vnedrit'sya v magnitosferu Zemli. Eto zahvachennaya magnitnym polem tak nazyvaemaya anomal'naya komponenta kosmicheskih luchei (ris. 3). Maloenergichnye atomy mezhzvezdnoi materii pronikayut v geliosferu. Ul'trafioletovoe izluchenie Solnca mozhet odnokratno - i rezhe dvukratno - ionizirovat' atomy. Obrazovavshiesya zaryazhennye chasticy uskoryayutsya na udarnyh frontah solnechnogo vetra do neskol'kih desyatkov MeV/nuklon i pronikayut v glub' magnitosfery, gde polnost'yu ionizuyutsya i zahvatyvayutsya.

3.3. Kvazistacionarnyi poyas elektronov i protonov

22 marta 1991 goda na Solnce proizoshla moshnaya vspyshka, soprovozhdavshayasya vybrosom bol'shoi massy solnechnogo veshestva. K 24 marta veshestvo dostiglo magnitosfery i transformirovalo ee vneshnyuyu oblast'. Energichnye chasticy solnechnogo vetra vorvalis' v magnitosferu i dostigli obolochki L ~ 2,6, na kotoroi v to vremya nahodilsya amerikanskii sputnik “CRESS” (vysota orbity v apogee ~ 33,6 tys. km, v perigee 323 km, naklonenie 18°) [6]. Pribory, ustanovlennye na etom sputnike, zaregistrirovali rezkoe vozrastanie potokov elektronov s energiei ~15 MeV i protonov s energiei 20-110 MeV, svidetel'stvuyushee ob obrazovanii novogo poyasa na L = 2,6 (ris. 3). Kvazistacionarnyi poyas snachala nablyudali na razlichnyh kosmicheskih apparatah, no tol'ko na stancii “Mir” v techenie pochti vsego dvuhletnego sroka zhizni. S pomosh'yu magnitnogo spektrometra MIFI byl opredelen zaryadovyi sostav kvazistacionarnogo poyasa i izmeren energeticheskii spektr chastic.

V svyazi s obrazovaniem kvazistacionarnogo poyasa solnechnogo proishozhdeniya napomnim, chto v 60-h godah v rezul'tate vzryvov yadernyh ustroistv v kosmose obrazovalsya kvazistacionarnyi poyas iz elektronov malyh energii, prosushestvovavshii okolo 10 let. Istochnikom zaryazhennyh chastic byl raspad radioaktivnyh oskolkov deleniya.

3.4. Seismomagnitosfernye svyazi

Detal'noe izuchenie izmenenii potokov vysokoenergichnyh zahvachennyh chastic, provedennoe MIFI na orbital'nyh stanciyah “Salyut-6”, “Mir” i ISZ “Meteor”, privelo k obnaruzheniyu novogo yavleniya prirody, svyazannogo s vozdeistviem seismicheskoi aktivnosti Zemli na vnutrennyuyu granicu radiacionnogo poyasa, - seismomagnitosfernoi svyazi [7]. Fizicheskoe ob'yasnenie etogo yavleniya svoditsya k sleduyushemu. Iz epicentra predstoyashego zemletryaseniya ispuskaetsya elektromagnitnoe izluchenie, voznikayushee iz-za mehanicheskih peremeshenii podzemnyh porod (treniya, rastreskivaniya, p'ezoeffekta i t.p.). Chastotnyi spektr izlucheniya dovol'no shirokii. Odnako dostignut' RPZ, proidya prakticheski bez poter' skvoz' zemnuyu koru i atmosferu, mozhet tol'ko izluchenie v diapazone chastot ~ 0,1-10 Gc. Dostignuv nizhnei granicy RPZ, elektromagnitnoe izluchenie vzaimodeistvuet s zahvachennymi elektronami i protonami. Aktivno uchastvuyut vo vzaimodeistvii chasticy, privyazannye k tem magnitnym silovym liniyam (tochnee, k trubkam iz linii), kotorye prohodyat cherez epicentr predstoyashego zemletryaseniya. Esli chastota oscillyacii chastic mezhdu zerkal'nymi tochkami sovpadet s chastotoi seismicheskogo elektromagnitnogo izlucheniya (SEMI), vzaimodeistvie priobretet kvazirezonansnyi harakter, proyavlyayushiisya v izmenenii pitch-uglov zahvachennyh chastic. Esli v zerkal'noi tochke pitch-ugol chasticy stanet otlichnym ot 90°, eto neizbezhno vyzovet snizhenie zerkal'noi tochki, soprovozhdaemoe vysypaniem chastic iz radiacionnogo poyasa (ris. 5). Iz-za dolgotnogo dreifa zahvachennyh chastic volna vysypaniya (to est' uhod chastic vniz) ogibaet Zemlyu, i vdol' magnitnoi shiroty, na kotoroi raspolozhen epicentr predstoyashego zemletryaseniya, obrazuetsya kol'co vysypaniya. Kol'co mozhet prosushestvovat' 15-20 min, poka vse chasticy ne pogibnut v atmosfere. Kosmicheskii apparat na orbite, prohodyashei pod radiacionnym poyasom, zaregistriruet vsplesk vysypayushihsya chastic, kogda budet peresekat' shirotu epicentra predstoyashego zemletryaseniya. Analiz energeticheskogo i vremennogo raspredelenii chastic v zaregistrirovannyh vspleskah pozvolyaet opredelit' mesto i vremya prognoziruemogo zemletryaseniya (ris. 5). Obnaruzhenie svyazi mezhdu seismicheskimi processami i povedeniem zahvachennyh chastic v magnitosfere Zemli leglo v osnovu razrabatyvaemogo v nastoyashee vremya novogo metoda operativnogo prognoza zemletryasenii.

Ris. 5. a) - stacionarnaya traektoriya zaryazhennoi chasticy v radiacionnom poyase: 1 - geomagnitnoe pole, 2 - traektoriya chasticy, 3 - nizhnyaya granica radiacionnogo poyasa; b) - vysypaniya chastic iz SEMI radiacionnogo poyasa posle vzaimodeistviya s EMI seismicheskogo proishozhdeniya: 1 - geomagnitnoe pole, 2 - traektoriya chasticy, 3 - nizhnyaya granica radiacionnogo poyasa, 4 - ochag zemletryaseniya, 5 - elektromagnitnoe izluchenie, 6 - vysypayushiesya chasticy, 7 - traektoriya sputnika.

4. Zaklyuchenie

V poslednee vremya znachitel'nye usiliya napravleny na utochnenie matematicheskih modelei RPZ, pozvolyayushih prognozirovat' potoki chastic, radiacionnye dozy s uchetom solnechnoi aktivnosti. No naryadu s etim prodolzhayutsya i pryamye eksperimental'nye i teoreticheskie issledovaniya RPZ, predstavlyayushie bol'shoi nauchnyi i prakticheskii interes.

Literatura


[1].	Vernov S.N., Chudakov A.E. // Uspehi fiz. nauk. 1960. T. 70, vyp. 3. S. 585.
[2].	Van-Allen Dzh.A. // Tam zhe. S. 715.
[3].	Gal'per A.M., Grachev V.M., Dmitrienko V.V. i dr. // Pis'ma v ZhETF. 1983. T. 38. S. 409.
[4].	Voronov S.A., Gal'per A.M., Dmitrienko V.V. i dr. Yadernaya fizika, kosmicheskoe izluchenie, astronomiya. M.: GNTP, MGU, 1994. S. 23.
[5].	Borovskaeya V., Grigorov N.L., Kondratyeva M.A. et al. // Proc. 23rd Intern. Cosmic Ray Conf. Calgary (Canada), 1993. Vol. 3. P. 432.
[6].	Blake J.B., Kolasinski W.A., Fillius R.W., Mullen E.G. // Geophys. Res. Lett. 1992. No 19. R. 821.
[7].	Gal'per A.M. Zemletryaseniya: Prognoz iz Kosmosa? // Nauka v Rossii. 1994. Vyp. 1. S. 39.

Publikacii s klyuchevymi slovami: solnechnye kosmicheskie luchi - zaryazhennye chasticy - magnitosfera Zemli - Solnechnyi veter - Radiacionnye poyasa Publikacii so slovami: solnechnye kosmicheskie luchi - zaryazhennye chasticy - magnitosfera Zemli - Solnechnyi veter - Radiacionnye poyasa
Sm. takzhe: Smotrya v storonu s solnechnogo zonda "Parker" Apollon-11: kak poimat' nemnogo Solnca Zhestkaya posadka letayushei tarelki v pustyne Yuta Zond "Parker": zvuki solnechnogo vetra Laitseil-A Atlas-5 zapuskaet MMS Polyarnoe siyanie v steklyannyh sharikah Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mnenie chitatelya [1]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce