Радиационный пояс

Воспроизвести медиафайл

Видеоиллюстрация активности радиационных поясов

Схема внутреннего и внешнего радиационных поясов

Радиацио́нный по́яс — область магнитосфер планет, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны).

Радиационный пояс Земли

РПЗ (пояс Ван Аллена)

Другое название (обычно в западной литературе) — «радиационный пояс Ван Аллена» (англ. Van Allen radiation belt).

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E < Е_кр, которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тороид, в котором выделяются две области:

• внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;
• внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Высота нижней границы радиационного пояса меняется на одной и той же географической широте по долготам из-за наклона оси магнитного поля Земли к оси вращения Земли, а на одной и той же географической долготе она меняется по широтам из-за собственной формы радиационного пояса, обусловленной разной высотой силовых линий магнитного поля Земли. Например, над Атлантикой возрастание интенсивности излучения начинается на высоте 500 км, а над Индонезией на высоте 1300 км. Если те же графики построить в зависимости от магнитной индукции, то все измерения уложатся на одну кривую, что ещё раз подтверждает магнитную природу захвата частиц.

Между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Потоки частиц во внешнем поясе больше, чем во внутреннем. Различен и состав частиц: во внутреннем поясе протоны и электроны, во внешнем — электроны. Применение неэкранированных детекторов существенно расширило сведения о радиационных поясах. Были обнаружены электроны и протоны с энергией несколько десятков и сотен килоэлектронвольт соответственно. Эти частицы имеют существенно иное пространственное распределение (по сравнению с проникающими).

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстоянии около 3 радиусов Земли от её центра (приблизительно на высоте 12 500 км от поверхности). Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Частицы с энергией десятки кэВ непривычно относить к космическим лучам, однако радиационные пояса представляют собой единое явление и должны изучаться в комплексе с частицами всех энергий.

Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Первые эксперименты показали, что электроны высокой энергии (E > 1—5 МэВ) сосредоточены во внешнем поясе. Электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю магнитосферу. Внутренний пояс очень стабилен, тогда как внешний испытывает резкие колебания.

История открытия

Существование радиационного пояса было впервые обнаружено американским учёным Джеймсом ван Алленом в феврале 1958 года при анализе данных с американского спутника «Эксплорер-1» и убедительно доказано записью периодически изменяющегося уровня радиации на полном витке орбиты специально модифицированного Ван Алленом для изучения обнаруженного феномена спутника «Эксплорер-3». Открытие Ван Аллена было озвучено 1 мая 1958 г. и вскоре нашло независимое подтверждение в данных советского «Спутника-3». Более поздний повторный анализ данных более раннего советского «Спутника-2» показал что радиационные пояса фиксировались и его оборудованием, предназначенным для анализа солнечной активности, однако странным показаниям солнечного датчика тогда не сумели дать верную интерпретацию. Негативно сказалось на советском приоритете и отсутствие на «Спутниках» записывающего оборудования (на «Спутнике-2» оно не предусматривалось, а на «Спутнике-3» сломалось), из-за чего полученные данные оказались отрывочными и не давали цельной картины об изменении радиации с высотой и наличии в околоземном пространстве не просто космической радиации, но характерного «пояса», охватывающего лишь определённые высоты. Однако более разнообразное оборудование «Спутника-3» помогло уточнить «состав» внутреннего пояса. В конце 1958 года анализ данных «Пионера-3» и чуть более поздней «Луны-1» привёл к открытию существования внешнего радиационного пояса, а американские высотные ядерные взрывы продемонстрировали, что на радиационные пояса Земли может оказывать влияние человек. Анализ этих данных привёл к постепенному формированию с середины 1959 года современных представлений о существовании двух радиационных поясов вокруг Земли и механизмах их образования.

Радиационные пояса планет

Радиоизображение Юпитера: яркие области (белые) — радиоизлучение радиационных поясов

Благодаря наличию сильного магнитного поля планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) также обладают сильными радиационными поясами, напоминающими внешний радиационный пояс Земли. Советские и американские космические зонды показали, что Венера, Марс, Меркурий и Луна радиационных поясов не имеют.

История исследований

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 31 января 2017 года.

Радиоизлучение радиационного пояса Юпитера впервые было обнаружено в 1955 году, однако природа излучения тогда оставалась непонятной. Непосредственные измерения в радиационном поясе Юпитера впервые были проведены КА «Пионер-10», прошедшим через его наиболее плотную область в 1973 году.

30 августа 2012 года с космодрома на мысе Канаверал с помощью ракеты Atlas V 410 на высокоэллиптическую орбиту с высотой апогея около 30 тысяч километров были выведены два идентичных зонда RBSP (Radiation Belt Storm Probes), предназначенных для изучения радиационных поясов. Впоследствии они были переименованы в «Зонды Ван Аллена» (Van Allen Probes). Два аппарата нужны были для того, чтобы отличить изменения, связанные с переходом из одной области в другую с изменениями, происходящими в самих поясах.^[1]. Одним из основных результатов этой миссии было открытие третьего радиационного пояса, появляющегося на короткое время порядка нескольких недель. На февраль 2017 года работа обоих зондов продолжалась.

См. также

• Starfish Prime — эксперимент по изучению высотного ядерного взрыва в условиях космического пространства.

Примечания

Литература

• Мурзин С. В. Введение в физику космических лучей. — М.: Атомиздат, 1979.
• Модель космического пространства : в 3 т. — М.: Изд-во МГУ, 1976.
• Вернов С. Н., Вакулов П. В., Логачёв Ю. И. Радиационные пояса Земли // Успехи СССР в исследовании космического пространства : сб. — 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.

Ссылки

• The Exploration of the Earth’s Magnetosphere: Explorers 1 and 3 (англ.)
• А. М. Гальпер, Радиационный пояс Земли (рус.)
• Радиационные пояса Земли, статья на сайте НПФ Янтарь (рус.)