Радиационный пояс

Радиационный пояс — 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 Земли (внутренний) был открыт американским учёным (Джеймсом ван Алленом) после полета Эксплорер-1 и советскими учёными (С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков) после полёта Спутник-3 (внешний пояс) в 1958 году и представляет собой, в первом приближении, тороид, в котором выделяется 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.

Зависимость положения нижней границы радиационного пояса — долготная. Над Атлантикой возрастание интенсивности 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.

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, по сравнению с проникающими, пространственное распределение.

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстояниях L~3 от центра Земли. 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.

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.

История исследований

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.

Существование радиационных поясов Земли было открыто в ходе полёта американского ИСЗ «Эксплорер-1» в 1958 году, сконструированного и построенного группой Ван Аллена (англ. James van Allen), в честь которого они и были названы.

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 поясов Ван Аллена. Приборы на борту зондов RBSP позволят провести количественные и качественные измерения и получить новые данные о процессах в радиационных поясах и лучше понять процессы, происходящие во время магнитных бурь, просчитать реакцию магнитосферы на выбросы плазмы, приходящие от Солнца. Зонды будут отслеживать изменения в составе и свойствах заряженных частиц - протонов, электронов и ионов. Кроме того, аппараты позволят специалистам на Земле получать оперативную информацию о космической погоде. Два аппарата нужны для того, чтобы отличить изменения, связанные с переходом из одной области в другую с изменениями, происходящими в самих поясах. Миссия рассчитана на 2 года, с возможным продлением еще на 2 года. Проект RBSP осуществляется в рамках программы НАСА «Жизнь со звездой». Его общая стоимость составляет 686 млн долларов.

См. также

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

Литература

• С. В. Мурзин. Введение в физику космических лучей. Москва, М.: Атомиздат, 1979.
• Модель космического пространства — , изд-во МГУ, в 3-х томах.
• 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.

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.)