Радиационный пояс не защищает землю. Радиационные пояса земли

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.

Известно, что любые заряженные частицы, попав в магнитное поле, начинают «навиваться» на силовые линии магнитного поля, одновременно передвигаясь вдоль них. Размеры витков получающейся спирали зависят от первоначальной скорости частиц, их массы, заряда и напряженности магнитного поля Земли в той области околоземного пространства, в которую они влетели и изменили направление движения.

Магнитное поле Земли неоднородно. У полюсов оно «сгущается» - уплотняется. Поэтому заряженная частица, начавшая движение по спирали вдоль «оседланной» ею магнитной линии из области, близкой к экватору, по мере приближения к какому-либо полюсу испытывает все большее и большее сопротивление, пока не остановится. А затем возвращается назад к экватору и дальше к противоположному полюсу, откуда начинает движение в обратном направлении. Частица оказывается как бы в гигантской «магнитной ловушке» планеты.

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.

Второй пояс состоит, главным образом, из электронов с энергией «всего лишь» 30-100 кэв. В нем движутся большие потоки частиц, чем во внутреннем поясе, он испытывает резкие колебания.

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.

Естествен вопрос: откуда взялись все эти частицы? Их в основном выбрасывает из своих недр наше Солнце. Сейчас уже установлено, что Земля, несмотря на огромное расстояние от Солнца, находится в самой внешней части его атмосферы. Это, в частности, подтверждается тем, что каждый раз, когда возрастает солнечная активность, а следовательно, увеличиваются количество и энергия испускаемых Солнцем частиц, возрастает и количество электронов во втором радиационном поясе, который как бы под напором «ветра» из этих частиц прижимается к Земле.

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.

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 (~ 3×109 сек), за это время он может совершить до 1010 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, 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.

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.

Оригинал взят у sokolov9686 в Так были ли американцы на Луне?...

Выше 24 000 км над Землей радиация убивает все живое

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?

NASA | Гелиофизика | Спутник открыл новый пояс радиации!

про кольца Ван Аллена 28.30 минута радиация убивает все

Куча музеев в европе, где выставлен реголит в свободном для просмотра доступе довольно большими кусками. Не верите, адреса музеев есть, легко проверить.

Вот например камень в Тулузском Cité de l"Espace:

Оригинал взят у toomth в Почему НАСА прячет «лунный грунт» от всего мира?

Считается, что американцы привезли с Луны 378 кг лунного грунта и камней. Во всяком случае, об этом заявляет НАСА. Это почти четыре центнера. Ясно, что доставить такое количество грунта могли только астронавты: никаким космическим станциям это не под силу.

Камни сфотографированы, переписаны и являются постоянными статистами «лунных» фильмов НАСА. Во многих таких фильмах в роли эксперта и комментатора выступает астронавт-геолог «Аполлона-17», доктор Хариссон Шмидт, якобы лично собравший на Луне много таких камней

Логично ожидать, что при таком лунном богатстве Америка будет им потрясать, всячески демонстрировать и уж кому-кому, а своему главному сопернику отвалит от щедрот килограммов 30-50. Нате, мол, исследуйте, убеждайтесь в наших успехах... Но с этим-то как раз почему-то не получается. Грунта нам дали мало. Зато «свои» (опять же, по данным НАСА) получили 45 кг лунного грунта и камней.

Правда, некоторые особо въедливые исследователи провели подсчет по соответствующим публикациям научных центров и не смогли обнаружить убедительных свидетельств того, что эти 45 кг дошли до лабораторий даже западных ученых. Более того, по ним получается, что в настоящее время в мире из лаборатории в лабораторию кочует не более 100 г американского лунного грунта, так что обычно исследователь получал полграмма горной породы.

Т. е. НАСА относится к лунному грунту, как скупой рыцарь к золоту: хранит заветные центнеры в своих подвалах в надежно запертых сундуках, выдавая исследователям лишь жалкие граммы. Не избежал этой участи и СССР.

В нашей стране в то время головной научной организацией по всем исследованиям лунного грунта являлся Институт геохимии АН СССР (ныне - ГЕОХИ РАН). Заведующий отделом метеоритики этого института доктор М.А. Назаров сообщает: «Американцами было передано в СССР 29,4 грамма (!) лунного реголита (проще говоря, лунной пыли) из всех экспедиций «Аполлон», а из нашей коллекции образцов «Луны-16, 20 и 24» было выдано за рубеж 30,2 г». Фактически американцы обменялись с нами лунным прахом, который может доставить любая автоматическая станция, хотя космонавты должны бы были привезти увесистые булыжники, и интереснее всего посмотреть на них.

Что НАСА собирается делать с остальным лунным «добром»? О, это - «песня».

«В США принято решение сохранить главную массу доставленных образцов в полной неприкосновенности до тех пор, пока не будут разработаны новые, более совершенные способы их изучения», - пишут компетентные советские авторы, из-под пера которых вышла не одна книга по лунному грунту.

«Необходимо расходовать минимальное количество материала, оставив нетронутой и незагрязненной бóльшую часть каждого отдельного образца для изучения будущими поколениями ученых», - разъясняет позицию НАСА американский специалист Дж. А. Вуд.

Очевидно, американский специалист полагает, что на Луну уже не полетит никто и никогда - ни сейчас, ни в будущем. А посему нужно беречь центнеры лунного грунта пуще глаза. Одновременно унижены современные ученые: они своими приборами могут рассмотреть каждый отдельный атом в веществе, а им отказано в доверии - не доросли. Или рылом не вышли. Такая настойчивая забота НАСА о будущих ученых более похожа на то, что это - удобный предлог, чтобы скрыть неутешительный факт: в ее кладовых нет ни лунных камней, ни центнеров лунного грунта.

Еще одна странность: после завершения «лунных» полетов НАСА вдруг стало испытывать острую нехватку денег на их исследование.

Вот что пишет по состоянию на 1974 год один из американских исследователей: «Значительная часть образцов будет храниться в качестве резерва в центре космических полетов в Хьюстоне. Сокращение ассигнований уменьшит число исследователей и замедлит темпы исследований».

Потратив $25 млрд на то, чтобы доставить лунные образцы, НАСА вдруг обнаружило, что денег на их исследование не осталось...

Интересна и история с обменом советского и американского грунта. Вот сообщение от 14 апреля 1972 года главного официального издания советского периода - газеты «Правда»:

«13 апреля Президиум Академии наук СССР посетили представители НАСА. Состоялась передача образцов лунного грунта из числа доставленных на Землю советской автоматической станцией «Луна-20». Одновременно советским ученым был передан образец лунного грунта, полученного экипажем американского корабля «Аполлон-15». Обмен совершен в соответствии с соглашением между Академией наук СССР и НАСА, подписанным в январе 1971 года».

Теперь нужно пройтись по срокам.

Июль 1969 г. Астронавты «Аполлона-11» якобы привозят 20 кг лунного грунта. СССР из этого количества не дают ничего. У СССР к этому моменту лунного грунта еще нет.

Сентябрь 1970 г. Наша станция «Луна-16» доставляет на Землю лунный грунт, и отныне советские ученым есть что предложить в обмен. Это ставит НАСА в трудное положение. Но НАСА рассчитывает, что в начале 1971 года оно сможет автоматически доставить на Землю свой лунный грунт, и в расчете на это в январе 1971 г. соглашение об обмене уже заключено. Но самого обмена не происходит еще 10 месяцев. Видимо, у США что-то не заладилось с автоматической доставкой. И американцы начинают тянуть резину.

Июль 1971 г. В порядке доброй воли СССР в одностороннем порядке передает США 3 г грунта от «Луны-16», но от США не получает ничего, хотя соглашение об обмене подписано уже полгода назад, а в кладовых НАСА якобы уже лежит 96 кг лунного грунта (от «Аполлона-11», «Аполлона-12» и «Аполлона-14»). Проходит еще 9 месяцев.

Апрель 1972 г. Наконец-то НАСА передает образец лунного грунта. Он якобы доставлен экипажем американского корабля «Аполлон-15», хотя со времени полета «Аполлона-15» (июль 1971 г.) прошло уже 8 месяцев. В кладовых НАСА к этому времени якобы уже лежат 173 кг лунных камней (от «Аполлона-11», «Аполлона-12», «Аполлона-14» и «Аполлона-15»).

Советские ученые получают от этих богатств некий образец, параметры которого в газете «Правда» не сообщаются. Но благодаря доктору М.А. Назарову мы знаем, что этот образец состоял из реголита и не превышал 29 г по массе.

Очень похоже на то, что примерно до июля 1972 года у США вообще не было настоящего лунного грунта. Видимо, где-то в первой половине 1972 года у американцев появились первые граммы настоящего лунного грунта, который был доставлен с Луны автоматическим способом. Вот только тогда у НАСА и проявилась готовность к совершению обмена.

А в последние годы лунный грунт у американцев (точнее, то, что они выдают за лунный грунт) и вовсе начал исчезать. Летом 2002 года огромное количество образцов лунного вещества - сейф весом почти 3 центнера - исчезло из запасников музея Американского космического центра НАСА им. Джонсона в Хьюстоне.

Вы никогда не пробовали украсть 300-килограммовый сейф с территории космического центра? И не пробуйте: слишком тяжелая и опасная работа. А вот воришкам, на след которых полиция вышла на диво быстро, это легко удалось. Тиффани Фоулер и Тэд Робертс, работавшие в здании в период пропажи, были арестованы специальными агентами ФБР и НАСА в одном из ресторанов штата Флорида. Впоследствии в Хьюстоне был взят под стражу и третий подельщик, Шэ Саур, а затем - и четвертый участник преступления, Гордон Мак Вотер, способствовавший транспортировке краденого. Воры намеревались сбыть бесценные свидетельства лунной миссии НАСА по цене $1000-5000 за грамм через сайт минералогического клуба в Антверпене (Голландия). Стоимость украденного, по информации из-за океана, составляла более $1 млн.

Через несколько лет - новое несчастье. В США в районе Вирджиния-Бич из автомобиля неизвестными злоумышленниками были выкрадены две небольших запаянных пластиковых коробки в форме диска с образцами метеоритного и лунного вещества, судя по имевшейся на них маркировке. Образцы такого рода, сообщает Space, передаются НАСА специальным инструкторам «для учебных целей». Прежде чем получить подобные образцы, преподаватели проходят специальный инструктаж, в ходе которого их обучают правильно обращаться с этим национальным достоянием США. А «национальное достояние», оказывается, так просто украсть... Хотя это похоже не на кражу, а на инсценировку кражи в целях избавления от улик: нет грунта - нет «неудобных» вопросов.

РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ. ЧТО МЫ ЗНАЕМ О НИХ ТЕПЕРЬ?

После трех десятилетий изучения радиационных поясов у ученых сложилось достаточно полное представление об их природе и строении. Радиационными поясами теперь принято считать область околоземного пространства, в которой магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы, обладающие кинетической энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. В их число входят протоны, электроны и α-частицы. Частицы не могут покинуть радиационные пояса из-за того, что магнитное поле здесь имеет форму так называемой магнитной ловушки, лабораторным аналогом которой может служить зеркальная ловушка, используемая для создания термоядерного синтеза. Некоторые частицы находятся здесь очень долгое время, например, протоны - многие десятилетия. Под действием силы Лоренца частицы совершают в радиационных поясах сложное движение: колебательное по спиральной траектории вдоль силовой линии из северного полушария в южное и обратно с одновременным более медленным перемещением вокруг Земли.

Радиационные пояса принято разделять на внутренний и внешний, хотя это разделение носит весьма условный характер. Внутренний пояс расположен в экваториальных широтах, и его нижняя граница находится на различной высоте над разными районами Земли. Например, над Южной Америкой пояс проходит лишь на высоте всего 200-300 км, в то время как над Австралией - на высоте 1600 км. Максимальная концентрация протонов во внутреннем поясе (а он составлен в основном этими частицами) наблюдается на высоте около 3000 км. Энергии протонов здесь лежат в пределах 20-800 МэВ. Число протонов с этими энергиями значительно уменьшается при росте расстояния от Земли и при его сокращении. Из-за своей огромной проникающей способности протоны представляют значительную опасность для экипажей космических кораблей, достигающих значительных высот. Энергия электронов внутреннего пояса, как правило, бывает порядка 100 кэВ, а максимальная их концентрация наблюдается на высотах около 3400 км от земной поверхности.

Границы внешнего радиационного пояса принято считать находящимися на расстояниях 19 тыс. и 45 тыс. км. от Земли. Здесь преобладают протоны с энергиями до нескольких сотен кэВ и электроны с энергиями от 40 до 100 кэВ.

Существующие теории объясняют появление частиц в радиационных поясах их дрейфом из «хвоста» магнитосферы во внешний пояс во время магнитных бурь под действием электрического поля и медленной диффузией частиц в магнитную ловушку при небольших вариациях магнитного поля. Процессы, приводящие к тому, что частицы покидают радиационные пояса, до сих пор остаются неясными. Лишь одна причина этого явления пока точно установлена - столкновение с частицами атмосферы. Остается надеяться, что дальнейшие исследования позволят ответить и на этот вопрос.

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.