Радиационный пояс. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиационный пояс - область околоземного (околопланетного) пространства с интенсивными потоками энергичных заряженных частиц. Радиационный пояс Земли открыт в 1958 в результате полётов первых ИСЗ. Детекторы заряженных частиц, регистрировавшие поток космических лучей вне атмосферы, обнаружили, что потоки электронов и протонов с энергиями от неск. десятков кэВ до сотен МэВ на неск. порядков превышают фоновый поток космич. лучей в окрестности Земли. Позже в радиационном поясе Земли обнаружены a-частицы, ионы кислорода и тяжёлые ионы.

Геомагн. поле экранирует поверхность Земли от потоков солнечных и галактич. космич. лучей и является ловушкой для заряж. частиц (см. Геомагнитная ловушка ).Концентрация захваченных в подобную ловушку частиц определяется интенсивностью источника этих частиц и их временем жизни, или, др. словами, потеря-ми. Т. к. диапазон энергий захваченных частиц (т. е.

частиц, траектории которых в пренебрежении процессами потерь бесконечно долго остаются в области радиационного пояса) весьма широк, то оказываются существенно различными источники частиц разных энергий и наиб. эфф. механизмы потерь. Осн. источником частиц самых высоких энергий является распад нейтронов альбедо космич. лучей (нейтронов, образующихся при взаимодействии космич. лучей с плотными слоями атмосферы). Частицы меньших энергий, вносящие наиб. вклад в плотность энергии радиационного пояса, появляются в результате процессов переноса и ускорения малоэнергичной магни-тосферной плазмы, к-рая, в свою очередь, восполняется за счёт истечения ионосферной плазмы вдоль силовых линий магн. поля в полярных областях Земли. Др. источником магнитосферной плазмы являются частицы солнечного ветра, проникающие внутрь магнитосферы Земли. Во время интенсивных магнито-сферных возмущений - магнитосферных суббурь и магн. бурь (см. Магнитные вариации)- особенно велика роль ионосферного источника.

В 1980-х гг. появилась гипотеза о "круговороте" плазмы в магнитосфере Земли. Эксперим. подтверждение этой гипотезы получено при измерениях ионного состава радиационного пояса - среди энергичных частиц зарегистрирована значит. доля ионосферных ионов (ионов кислорода и молекулярных ионов). Хотя мн. аспекты процессов ускорения и переноса частиц в магнитосфере недостаточно ясны, в первом приближении радиационный пояс можно считать промежуточным резервуаром накопления энергичных частиц, перемещающихся по энергетич. шкале в процессе "круговорота". Предполагается, что "круговорот" плазмы в магнитосфере Земли происходит по следующей схеме. В полярных областях вдоль открытых силовых линий геомагн. поля, уходящих в удалённые области магнитосферы, ионосферные ионы и электроны с энергией неск. эВ (превышающей их тепловую энергию) "испаряются" из плотных слоев атмосферы, преодолевая гравитац. притяжение Земли (т. н. полярный ветер). Попадая в плазменный слой хвоста магнитосферы, эти частицы ускоряются до энергий порядка неск. кэВ и вовлекаются в конвективное движение плазмы к Земле. На внешней границе радиационного пояса (на геоцентрич. расстояниях 6-10 R_З, R_З - радиус Земли) большие квазистационарные электрнч. поля и сильно неоднородные магн. поля увеличивают энергию частиц ещё на один-два порядка. Далее, перемещаясь ближе к Земле, в район максимума потоков частиц радиационного пояса (2-5 R_З), в результате рассеяния на колебаниях электрич. и магн. полей, частицы попадают в область всё более сильного магн. поля, испытывая индукц. ускорение вплоть до энергий в сотни МэВ. Те же процессы рассеяния, к-рые приводят к радиальному перемещению частиц к Земле, обусловливают их попадание в конус потерь (см. Магнитные ловушки ).Он определяется соотношением между полем в вершине силовой линии (в экваториальной плоскости) и полем

вблизи торца геомагн. ловушки (в верх. слоях атмосферы). Частицы, у к-рых достаточно велика продольная (по отношению к магн. полю) компонента скорости при движении вдоль силовой линии, попадают в плотные слои атмосферы. Здесь они сталкиваются с ионами или нейтральными атомами и тормозятся, "теряясь" среди тепловых ионов. После переноса в полярные области заряж. частицы готовы вновь "стать" полярным ветром и начать новый цикл. Помимо высыпания в верх, атмосферу др. механизмом потерь является перезарядка энергичных частиц (см. Перезарядка ионов)на нейтральных атомах экзосферы. Этот процесс особенно важен для долгоживущих энергичных частиц. В целом различия в механизмах ускорения и потерь разных составляющих радиационного пояса - электронов, протонов и др. частиц - настолько велики, что делают условным их объединение единым термином "частицы радиационного пояса".

Удержание заряженных частиц в радиационном поясе осуществляется геомагным полем. В первом приближении его можно считать дипольным. Траектория заряж. частицы в ди-польном поле может рассматриваться как суперпозиция трёх циклич. движений: вращения вокруг силовой

линии магн. ноля, осцилляции вдоль силовой линии между точками отражения (расположенными симметрично относительно геомагн. экватора) и азимутального дрейфа вокруг Земли. Для описания пространственного распределения частиц в радиационном поясе используют координаты L и В. Они имеют смысл геоцентрич. экваториального расстояния до силовой линии, вокруг к-рой частица совершает циклотронное вращение (L), и напряжённости магн. поля (В)в точке отражения, где продольная скорость частицы обращается в ноль, меняя свой знак. При перемещении от периферии в глубь магнитосферы интенсивность потоков частиц возрастает до нек-рого максимума и затем быстро падает. Чем выше энергия частиц, тем ближе к Земле расположен максимум интенсивности. Для интенсивности потока электронов характерно двугорбое распределение по L. Поэтому выделяют внутр. и внеш. радиационном поясе электронов с зазором на L = 2-3 Rз. Иногда употребляют понятия внутр. и внеш. радиационного пояса протонов. Такое разделение условно, поскольку распределение протонов данной энергии по L имеет один максимум. Теоретически профиль интенсивности потока частиц получают как результат пространственной диффузии частиц, диффузии и переноса частиц в пространстве скоростей. Механизмами, обеспечивающими стохастизацию траекторий частиц, служат рассеяние на волнах и на внезапных скачках магн. и элект-рич. полей, обусловленных резкими изменениями параметров плазмы солнечного ветра на фронтах межпланетных ударных волн. Конкурирующим механизмом сто-хастизации может быть т. н. динамич. хаос ,связанный с нелинейными резонансами между осцилляциями по разл. степеням свободы. Существует достаточно разработанная теория диффузии частиц в фазовом пространстве. Построены модели взаимодействия частиц с разл. модами колебаний, наблюдаемыми в магнитосфере. Для подобного взаимодействия характерны нелинейные процессы, связанные с раскачкой плазменных неустойчи-востей. Как правило, теоретич. модели хорошо описывают усреднённые во времени профили интенсивности частиц. На рис. a и б изображены изолинии наблюдаемой интенсивности потоков (cм^-2·c^-1) протонов характерных энергий

(S и N - южный и северный магн. полюсы Земли). Нестационарные процессы и детальная пространственная структура потоков частиц описаны лишь фрагментарно. Требуют дальнейших эксперим. исследований и теоретич. анализа сильные вариации потоков частиц в радиационном поясе во время инжекции в период магнито-сферных суббурь и магн. бурь.

Помимо Земли радиационного пояса обнаружены у Юпитера, Сатурна и Урана, обладающих сильным магн. полем. Они обнаружены по регистрируемому на Земле декаметровому и километровому радиоизлучениям частиц радиационного пояса. Потоки энергичных частиц непосредственно регистрировались при пролётах космических аппаратов вблизи этих планет. Т. к. магн. поле планет-гигантов больше земного, они имеют более мощные магнитосферы и радиационные пояса. Несмотря на подобие (с учётом соответствующего изменения масштабов) магнитосфер Юпитера, Сатурна и Земли, в структуре их радиационные пояса имеются существ. различия. Они обусловлены тем, что спутники Юпитера и Сатурна оказываются в зоне радиационного пояса. Эффект поглощения частиц поверхностью спутника может существенно изменить профиль радиационного пояса. Сильное магн. поле Юпитера значительно ослабляет поток космич. лучей у верх. границы атмосферы. Это делает пренебрежимо малым вклад от распада нейтронов альбедо. В результате энергетич. спектр частиц в радиационном поясе. Юпитера оказывается более "мягким", чем в радиационном поясе Земли. Большие размеры магнитосферы и мощная энергетика процесса ускорения (до 10¹³ Вт) делают Юпитер самым мощным источником космич. лучей низких энергий (1 - 10 Мэв).

Радиационный пояс представляет собой серьёзную опасность при длительных полётах в околоземном (околопланетном) пространстве. Из-за сильной электризации может выйти из строя бортовая аппаратура. Живые организмы внутри космич. корабля могут получить лучевое поражение.

Литература по радиационным поясам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.