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 любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.