РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ

РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ внутренние
области земной магнитосферы, в к-рых магнитное поле Земли удерживает заряженные
частицы (протоны, электроны, альфа-частицы), обладающие кинетической
энергией от десятков кэв до сотен Мэв (в разных областях
Р. п. 3. энергия частиц различна, см. ст. Земля, раздел Строение
Земли). Выходу заряженных частиц из Р. п. 3. 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, к-рое можно представить как колебательное
движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля из
Сев. 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 нек-рой точке (её наз. зеркальной) происходит "отражение" частицы.
Она начинает двигаться в обратном направлении - к сопряжённой зеркальной
точке в др. полушарии. Одно колебание вдоль силовой линии из Сев. 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<^.10⁹сек), 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, 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.

Рис. 1. Движение заряженных частиц,
захваченных в геомагнитную ловушку. Частицы движутся по спирали вдоль силовой
линии магнитного поля Земли и одновременно дрейфуют по долготе.

Рис. 2. Поверхность, описываемая частицей
(электроном) радиационного пояса; основной характеристикой поверхности
является параметр L; N и S -магнитные полюсы Земли.

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 к-рое 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. З., 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> 20 Мэв до
10⁴ протон/(см² <^.сек<^.стер)
на
расстоянии L 1,5. Во внутр. поясе присутствуют также электроны
с энергиями от 20-40 кэв до 1 Мэв, плотность потока электронов
с E 40 кэв составляет в максимуме 10⁶-10⁷
электрон/(см² <^.сек<^.стер).

Рис. 3. Структура радиационных поясов
Земли (сечение соответствует полуденному меридиану): I- внутренний пояс;
II -пояс протонов малых энергий; III - внешний пояс; IV - зона квазизахвата.

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

Рис. 4. Распределение плотности потоков
протонов различных энергий над геомагнитным экватором. Кривые соответствуют
потокам протонов с энергией выше указанной: 1 - Е1 Мэв; 2
-Е1,6 Мэв; 3 - Е 5 Мэв; 4 - Е9
Мэв; 5 -Е 30 мэв.

С внеш. стороны этот пояс ограничен магнитной
оболочкой с L 2, к-рая пересекается с поверхностью Земли на геомагнитных
широтах 45°. Ближе всего к поверхности Земли (на высоты до 200-300
км)
внутр.
пояс подходит вблизи Бразильской магнитной аномалии, где магнитное поле
сильно ослаблено; над география, экватором ниж. граница внутр. пояса отстоит
от Земли на 600 км над Америкой и до 1600 км
над Австралией.
На ниж. границе внутр. пояса частицы, испытывая частые столкновения с атомами
и молекулами атм. газов, теряют свою энергию, рассеиваются и "поглощаются"
атмосферой.

Внешний Р. п. 3. заключён между магнитными
оболочками c L3 и L 6 с макс. плотностью потока частиц на L4,5. Для
внеш. пояса характерны электроны с энергиями 40-100 кэв, поток к-рых
в максимуме достигает 10⁶- 10⁷ электрон/(см^2<.сек<^.стер).
Среднее
время "жизни" частиц внешнего Р. п. 3. составляет 10⁵-10⁷сек.
В
периоды повышенной солнечной активности во внеш. поясе присутствуют также
электроны больших энергий (до 1 Мэв и выше).

Пояс протонов малых энергий (Е 0,03-10 Мэв) простирается от L 1,5 до L 7-8. Зона
квазизахвата, или авроральной радиации, расположена за внеш. 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. Внеш. 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 нек-рые периоды
отмечается существование узких поясов электронов высоких энергий (E
5 Мэв) на магнитных оболочках с L 2,5-3,0.

Энергетич. спектры для всех частиц Р. п.
3. описываются функциями вида: N (E) E^y, где N (E)
- число частиц с данной энергией E, или N (E) е^-E/Eo с
характерными значениями у 1,8 для протонов в интервале энергий от 40
до 800 Мэв, E 200-500 кэв для электронов внеш.
и внутр. поясов и Eкэв для протонов малых энергий.

История открытия радиационных поясов. Исторически
первыми были открыты внутр. пояс (группой амер. учёных под рук. Дж. Ван
Аллена, 1958) и внеш. пояс (сов. учёными во главе с С. Н. Верновым и А.
Е. Чудаковым, 1958). Потоки частиц Р. п. 3. были зарегистрированы приборами
(Гейгера
- Мюллера счётчиками), установленными на искусственных спутниках Земли.
По существу, Р. п. 3. не имеют чётко 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. 3. 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 X. Алъфвена (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 внутр.
Р. п. 3.); "накачкой" частиц в пояса во время геомагнитных возмущений (магнитных
бурь), к-рая в первую очередь обусловливает существование электронов
внутр. пояса; ускорением и медленным переносом частиц солнечного происхождения
из внеш. во внутр. области магнитосферы (так пополняются электроны внеш.
пояса и пояс протонов малых энергий). Проникновение частиц солнечного ветра
в Р. п. 3. 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. 3. пополняются
также за счёт захвата протонов и электронов солнечных космич. лучей, проникающих
во внутр. области магнитосферы. Перечисленных источников частиц, по-видимому,
достаточно для создания Р. п. 3. с характерным распределением потоков частиц.
В Р. п. 3. существует динамич. равновесие между процессами пополнения поясов
и процессами потерь частиц. В основном частицы покидают Р. п. 3. из-за
потери своей энергии на ионизацию (эта причина ограничивает, напр.,
пребывание протонов внутр. пояса в магнитной ловушке временем т 10⁹сек),
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 внеш. пояса до 10⁴-10⁵сек.
Эти
эффекты приводят к нарушению условий стационарного движения частиц в геомагнитном
поле (т. н. адиабатических инвариантов) и к "высыпанию" частиц из Р. п.
3. в атмосферу вдоль силовых линий магнитного поля.

Рис. 5. Разрез магнитосферы Земли по
полуденному меридиану для случая, когда ось земного магнитного диполя перпендикулярна
направлению на Солнце. Стрелками указаны области, через к-рые частицы солнечного
ветра проникают в магнитосферу.

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
внутр. пояс - незначительные, внеш. пояс - наиболее частые и сильные. Для
внутреннего Р. п. 3. характерны небольшие вариации в течение 11-летнего
цикла солнечной активности. Внеш. 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. 3. претерпевают во время магнитных бурь. Сначала во внеш.
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 к-рых в поясах появляются потоки
частиц па расстояниях обычно более близких к Земле, чем в спокойных условиях.
После фазы сжатия происходит медленное, постепенное возвращение Р. п. 3.
к исходному состоянию. В периоды высокой солнечной активности магнитные
бури происходят очень часто, так что эффекты от отдельных бурь накладываются
друг па друга, и максимум внеш. 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. 3., однако, недостаточен для поддержания продолжительного
полярного сияния, и связь полярных сияний с вариациями потоков частиц в
Р. п. 3. говорит лишь об их общей природе, т. е. о том, что во время магнитных
бурь происходит как накачка частиц в Р. п. 3., так и сброс их в атмосферу
Земли. Полярные сияния длятся всё время, пока идут эти процессы,- иногда
сутки и более. Р. п. 3. могут быть созданы также искусственным образом:
при взрыве ядерного устройства на больших высотах; при инжекции искусственно
ускоренных частиц, напр. с помощью ускорителя на борту спутника; при распылении
в околоземном пространстве радиоактивных веществ, продукты распада к-рых
будут захвачены магнитным полем. Создание искусственных поясов при взрыве
ядерных устройств было осуществлено в 1958 и в 1962 годах. Так, после амер.
ядерного взрыва (9 июля 1962) во внутр. пояс было инжектировано ок. 10²⁵
электронов с энергией 1 Мэв, что на два-три порядка превысило
интенсивность потока электронов естеств. происхождения. Остатки этих электронов
наблюдались в поясах в течение почти 10-летнего периода.

Р. п. 3. представляют собой серьёзную опасность
при длит. полётах в околоземном пространстве. Потоки протонов малых энергий
могут вывести из строя солнечные батареи и вызвать помутнение тонких
оптич. покрытий. Длит. пребывание во внутр. поясе может привести к лучевому
поражению живых организмов внутри космич: корабля под воздействием
протонов высоких энергий.

Кроме Земли, радиационные пояса существуют
у Юпитера и, возможно, у Сатурна и Меркурия. Радиационные пояса Юпитера,
исследованные амер. космич. аппаратом "Пионер-10", имеют значительно большую
протяжённость и большие энергии частиц и плотности потоков частиц, чем
Р. п. 3. Радиационные пояса Сатурна обнаружены радиоастрономич. методами.
Сов. и амер. космич. аппараты показали, что Венера, Марс и Луна радиационных
поясов не имеют. Магнитное поле Меркурия обнаружено амер. космич. 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 сб.: 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 X., Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем, пер.
с англ., М., 1972; Xесс 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., ХазановБ. И., Измерение радиации в космосе,
М., 1972.

Ю. И. Логачёв.