Пояс радіації між землею та місяцем. Радіаційний пояс ван аллена

Радіаційні пояси Землі

внутрішні області земної магнітосфери, в яких магнітне поле Землі утримує заряджені частинки (Протони, Електрони, Альфа-частинки), що володіють кінетичною енергією від десятків кевдо сотень Мев(У різних областях Р. п. З. енергія частинок різна, див. ст. Земля, розділ Будова Землі). Виходу заряджених частинок з Р. п. З. заважає особлива конфігурація силових ліній геомагнітного поля, що створює для заряджених частинок магнітну пастку. . Захоплені в магнітну пастку Землі частинки під дією Лоренца сили роблять складний рух, який можна представити як коливальний рух по спіральній траєкторії вздовж силової лінії магнітного поля з Північної півкулі в Південну і назад з одночасним повільнішим переміщенням (довгим дрейфом) навколо Землі ( Рис. 1 ). Коли частка рухається по спіралі у бік збільшення магнітного поля (наближаючись до Землі), радіус спіралі та її крок зменшуються. Вектор швидкості частки, залишаючись незмінним за величиною, наближається до площини, перпендикулярної до напряму поля. Нарешті, у певній точці (її називають дзеркальною) відбувається «відбиття» частки. Вона починає рухатися у зворотному напрямку - до сполученої дзеркальної точки в ін. півкулі. Одне коливання вздовж силової лінії з Північної півкулі до Південного протону з енергією Радіаційні пояси Землі 100 Мевздійснює за час Радіаційні пояси Землі 0,3 сек.Час перебування («життя») такого протона в геомагнітній пастці може досягати 100 років (Радіаційні пояси Землі 3-10 9 сік), за цей час він може здійснити до 10 10 коливань. У середньому захоплені частки великої енергії здійснюють до кількох сотень мільйонів коливань із півкулі до іншого. Довготний дрейф відбувається зі значно меншою швидкістю. Залежно від енергії частки здійснюють повний оборот навколо Землі протягом декількох хвилин до доби. Позитивні іони дрейфують у західному напрямку, електрони – у східному. Рух частинки по спіралі навколо силової лінії магнітного поля можна як складається з обертання близько т. зв. миттєвого центру обертання та поступального переміщення цього центру вздовж силової лінії.

Структура радіаційних поясів.При русі зарядженої частки магнітному полі Землі її миттєвий центр обертання перебуває в одній і тієї ж поверхні, що отримала назву магнітної оболонки ( Рис. 2 ). Магнітну оболонку характеризують параметром L, його чисельне значення у разі дипольного поля (див. Диполь) дорівнює відстані, вираженому в радіусах Землі, на яке відходить магнітна оболонка (в екваторіальній площині диполя) від центру диполя. Для реального магнітного поля Землі (див. Земний магнетизм) параметр Lприблизно зберігає такий самий простий сенс. Енергія частинок пов'язана із значенням параметра L; на оболонках із меншими значеннями Lзнаходяться частинки, які мають великі енергії. Це тим, що частки високих енергій може бути утримані лише сильним магнітним полем, т. е. у внутрішніх областях магнітосфери. Зазвичай виділяють внутрішній та зовнішній Р. п. 3., пояс протонів малих енергій (пояс кільцевого струму) та зону квазізахоплення частинок ( Рис. 3 ), або авроральної радіації (по лат. назві полярних сяйв). Внутрішній радіаційний пояс характеризується наявністю протонів високих енергій (від 20 до 800) Мев) з максимумом щільності потоку протонів з енергією E p> 20 Мев до 10 4 протон/( см 2 ․сік․стер) на відстані LРадіаційні пояси Землі 1,5. У внутрішньому поясі є також електрони з енергіями від 20-40 кевдо 1 Мев; щільність потоку електронів з E e≥ 40 кевстановить у максимумі Радіаційні пояси Землі 10 6 -10 7 електрон/( см 2 ․сек․стер).

Внутрішній пояс розташований навколо Землі в екваторіальних широтах. Рис. 4 ).

З зовнішнього боку цей пояс обмежений магнітною оболонкою з LРадіаційні пояси Землі 2, яка перетинається з поверхнею Землі на геомагнітних широтах. Радіаційні пояси Землі 45°. Найближче до поверхні Землі (на висоти до 200-300 км) внутрішній пояс підходить поблизу Бразильської магнітної аномалії, де магнітне поле сильно ослаблене; над географічним екватором нижня межа внутрішнього поясу віддалена від Землі на 600 кмнад Америкою та до 1600 кмнад Австралією. На нижній межі внутрішнього поясу частинки, відчуваючи часті зіткнення з атомами та молекулами атмосферних газів, втрачають свою енергію, розсіюються та «поглинаються» атмосферою.

Зовнішній Р. п. З. укладений між магнітними оболонками c LРадіаційні пояси Землі 3 та LРадіаційні пояси Землі 6 з максимальною щільністю потоку частинок LРадіаційні пояси Землі 4,5. Для зовнішнього поясу характерні електрони з енергіями 40-100 кев,потік яких у максимумі досягає 10 6 -10 7 електрон/( см 2 ․сек․стер). Середній час "життя" частинок зовнішнього Р. п. З. складає 10 5 -10 7 сек.У періоди підвищеної сонячної активності у зовнішньому поясі є також електрони великих енергій (до 1 Меві вище).

Пояс протонів малих енергій ( E pРадіаційні пояси Землі 0,03-10 Мев) простягається від LРадіаційні пояси Землі 1,5 до LРадіаційні пояси Землі 7-8. Зона квазізахоплення, або авроральної радіації, розташована за зовнішнім поясом, вона має складну просторову структуру, обумовлену деформацією магнітосфери сонячним вітром. Основною складовою частинок зони квазізахоплення є електрони та протони з енергіями Eкев. Зовнішній пояс та пояс протонів малих енергій найближче (до висоти 200-300) км) підходить до Землі на широтах 50-60 °. На широти вище 60° проектується зона квазізахоплення, що збігається з областю максимальної частоти появи сяйв. У деякі періоди відзначається існування вузьких поясів електронів високих енергій. E eРадіаційні пояси Землі 5 Мев) на магнітних оболонках з LРадіаційні пояси Землі 25-30.

Енергетичні спектри для всіх частинок Р. п. З. описуються функціями виду: N(E) Радіаційні пояси Землі E γ, де N(E) - число частинок із даною енергією E, або N(E) Радіаційні пояси Землі з характерними значеннями γ ≈ 1,8 для протонів в інтервалі енергій від 40 до 800 Мев, E 0Радіаційні пояси Землі 200-500 кевдля електронів зовнішніх та внутрішніх поясів та E 0Радіаційні пояси Землі 100 кевдля протонів невеликих енергій.

Історія відкриття радіаційних поясів.Історично першими були відкриті внутрішній пояс (групою американських вчених під керівництвом Дж. Ван Аллена, 1958) та зовнішній пояс (сов. вченими на чолі з С. Н. Верновим та А. Є. Чудаковим, 1958). Потоки частинок Р. п. З. були зареєстровані приладами (Гейгера - Мюллера лічильниками), встановленими на штучних супутниках Землі. Фактично, Р. п. З. немає чітко виражених меж, т.к. кожен тип частинок відповідно до своєї енергії утворює «свій» радіаційний пояс, тому правильніше говорити про один єдиний радіаційний пояс Землі. Поділ Р. п. З. на зовнішній і внутрішній, прийнятий на першій стадії досліджень і зберігся дотепер через ряд відмінностей у їх властивостях, по суті, умовно.

Принципова можливість існування магнітної пастки в магнітному полі Землі була показана розрахунками К. Стермера (1913) і Х. Альфвена (1950), але експерименти на супутниках показали, що пастка реально існує і заповнена частками високих енергій.

Поповнення радіаційних поясів Землі частинками та механізм втрати частинок.Походження захоплених частинок з енергією, що значно перевищує середню енергію теплового руху атомів і молекул атмосфери, пов'язують з дією декількох фізичних механізмів: розпадом Нейтронів, створених космічними променями в атмосфері Землі. .З.); «накачуванням» частинок у пояси під час геомагнітних збурень (магнітних бур (див. Магнітні бурі)), що насамперед обумовлює існування електронів внутрішнього поясу; прискоренням та повільним перенесенням частинок сонячного походження із зовнішнього у внутрішні області магнітосфери (так поповнюються електрони зовнішнього поясу та пояс протонів малих енергій). Проникнення частинок сонячного вітру в Р. п. З. можливе через особливі точки магнітосфери (денні полярні каспи, див. Рис. 5 ), а також через т.з. нейтральний шар у хвості магнітосфери (з її нічного боку). В області денних касп і в нейтральному шарі хвоста геомагнітне поле різко ослаблене і не є суттєвою перешкодою для заряджених частинок міжпланетної плазми. Частково Р. п. З. поповнюються також за рахунок захоплення протонів та електронів сонячних космічних променів, що проникають у внутрішні області магнітосфери. Перерахованих джерел часток, мабуть, достатньо для створення Р. п. З. з характерним розподілом потоків частинок. У Р. п. З. існує динамічна рівновага між процесами поповнення поясів та процесами втрат частинок. В основному частки залишають Р. п. З. через втрату своєї енергії на іонізацію (ця причина обмежує, наприклад, перебування протонів внутрішнього поясу в магнітній пастці часом τ Радіаційні пояси Землі 10 9 сік), через розсіювання частинок при взаємних зіткненнях та розсіювання на магнітних неоднорідностях та плазмових хвилях різного походження (див. Плазма). Розсіювання може скоротити час «життя» електронів зовнішнього поясу до 10 4 -10 5 сек.Ці ефекти призводять до порушення умов стаціонарного руху частинок у геомагнітному полі (т. зв. адіабатичних інваріантів) та до «висипання» частинок з Р. п. З. в атмосферу вздовж силових ліній магнітного поля.

Зв'язок процесів у радіаційних поясах Землі з іншими в навколоземному просторі.Радіаційні пояси зазнають різних тимчасових варіацій: розташований ближче до Землі і більш стабільний внутрішній пояс - незначні, зовнішній пояс - найчастіші та найсильніші. Для внутрішнього Р. п. З. характерні невеликі варіації протягом 11-річного циклу сонячної активності. Зовнішній пояс помітно змінює свої межі та структуру навіть за незначних обурень магнітосфери. Пояс протонів малих енергій займає у сенсі проміжне становище. Особливо сильні варіації Р. п. З. зазнають під час магнітних бур (див. Магнітні бурі). Спочатку у зовнішньому поясі різко зростає щільність потоку частинок малих енергій й те водночас губиться помітна частка часток великих енергій. Потім відбувається захоплення і прискорення нових частинок, у яких у поясах з'являються потоки частинок на відстанях зазвичай ближчих до Землі, ніж у спокійних умовах. Після фази стиску відбувається повільне, поступове повернення Р. п. З. до вихідного стану. У періоди високої сонячної активності магнітні бурі відбуваються дуже часто, так що ефекти від окремих бур накладаються один на одного, і максимум зовнішнього поясу в ці періоди розташовується ближче до Землі. LРадіаційні пояси Землі 3,5), ніж у періоди мінімуму сонячної активності ( LРадіаційні пояси Землі 4,5-5,0).

Висипання частинок з магнітної пастки, особливо із зони квазізахвату (авроральної радіації), призводить до посилення іонізації іоносфери, а інтенсивне висипання - до полярних сяйв. Запас частинок на Р. п. З., однак, недостатній для підтримки тривалого полярного сяйва, і зв'язок полярних сяйв з варіаціями потоків частинок на Р. п. З. говорить лише про їх загальну природу, тобто про те, що в час магнітних бур відбувається як накачування частинок в Р. п. З., так і скидання їх в атмосферу Землі. Полярні сяйва тривають весь час, поки йдуть ці процеси, - іноді доба і більше. Р. п. З. можуть бути створені також штучним чином: під час вибуху ядерного пристрою на великих висотах; при інжекції штучно прискорених частинок, наприклад, за допомогою прискорювача на борту супутника; при розпиленні в навколоземному просторі радіоактивних речовин, продукти розпаду яких будуть захоплені магнітним полем. Створення штучних поясів при вибуху ядерних пристроїв було здійснено у 1958 та 1962 роках. Так, після американського ядерного вибуху (9 липня 1962) у внутрішній пояс було інжектовано близько 10 25 електронів з енергією. Мев,що на два-три порядки перевищило інтенсивність потоку електронів природного походження. Залишки цих електронів спостерігалися у поясах протягом майже 10-річного періоду.

Р. п. З. є серйозною небезпекою при тривалих польотах в навколоземному просторі. Потоки протонів малих енергій можуть вивести з ладу сонячні батареї та викликати помутніння тонких оптичних покриттів. Тривале перебування у внутрішньому поясі може призвести до променевого ураження живих організмів усередині космічного корабля під впливом протонів високих енергій.

Крім Землі, радіаційні пояси існують у Юпітера і, можливо, у Сатурна та Меркурія. Радіаційні пояси Юпітера, досліджені американським космічним апаратом «Піонер-10», мають значно більшу протяжність та більші енергії частинок та щільності потоків частинок, ніж Р. п. З. Радіаційні пояси Сатурна виявлені радіоастрономічними методами. Радянські та американські космічні апарати показали, що Венера, Марс та Місяць радіаційних поясів не мають. Магнітне поле Меркурія виявлено американською космічною станцією Марінер-10 при прольоті поблизу планети. Це уможливлює існування у Меркурія радіаційного поясу.

Літ.:Вернов С. Н., Вакулов П. Ст, Логачов Ю. І., Радіаційні пояси Землі, у збірнику: Успіхи СРСР у дослідженні космічного простору, М., 1968, с. 106; Космічна фізика, пров. з англ., М., 1966; Тверський Би. А., Динаміка радіаційних поясів Землі, М., 1968; Редерер Х. Динаміка радіації, захопленої геомагнітним полем, пров. з англ., М., 1972; Хесс Ст, Радіаційний пояс та магнітосфера, пров. з англ., М., 1972; Шабанський Ст П., Явлення в навколоземному просторі, М., 1972; Гальперін Ю. І., Горн Л. С., Хазанов Би. І., Вимірювання радіації в космосі, М., 1972.

Ю. І. Логачов.

Рис. 4. Розподіл густини потоків протонів різних енергій над геомагнітним екватором. Криві відповідають потокам протонів з енергією вище вказаної: 1 - Е p > 1 Мев; 2 - Е p > 1,6 Мев; 3 - Е p > 5 Мев; 4 - Е p > 9 Мев; 5 - Е p > 30 Мев.

Велика Радянська Енциклопедія. - М: Радянська енциклопедія. 1969-1978 .

Як уже говорилося, щойно американці розпочали свою космічну програму, їх вчений Джеймс Ван Аллен зробив досить важливе відкриття. Перший американський штучний супутник, запущений ними на орбіту, був куди менший за радянський, але Ван Аллен додумався прикріпити до нього лічильник Гейгера. Таким чином, було офіційно підтверджено висловлену ще наприкінці ХIХ ст. видатним вченим Миколою Теслою є гіпотеза про те, що Землю оточує пояс інтенсивної радіації.

Зображення Землі астронавта Вільяма Андерса

під час місії "Аполлон-8" (архів НАСА)

Тесла, однак, вважався великим диваком, а академічною наукою - навіть божевільним, тому його гіпотези про гігантський електричний заряд, що генерується Сонцем, давно лежали під сукном, а термін «сонячний вітер» не викликав нічого, крім усмішок. Але завдяки Ван Аллену теорії Тесла були реанімовані. З подачі Ван Аллена та інших дослідників було встановлено, що радіаційні пояси в космосі починаються біля позначки 800 км над поверхнею Землі і простягаються до 24 000 км. Оскільки рівень радіації там більш менш постійний, вхідна радіація повинна приблизно дорівнювати вихідної. Інакше вона або накопичувалася б доти, доки не «запекла» Землю, як у духовці, або вичерпалася. З цього приводу Ван Аллен писав: «Радіаційні пояси можна порівняти з судиною, яка постійно поповнюється від Сонця і протікає в атмосферу. Велика порція сонячних частинок переповнює посудину і виплескується, особливо в полярних зонах, приводячи до полярних сяйв, магнітних бур та інших подібних явищ».

Радіація поясів Ван Аллена залежить від сонячного вітру. Крім того, вони, мабуть, фокусують або концентрують у собі цю радіацію. Але оскільки концентрувати у собі вони можуть лише те, що прийшло безпосередньо від Сонця, то відкритим залишається ще одне питання: скільки радіації у решті космосу?

Орбіти атмосферних частинок в екзосфері(dic.academic.ru)

Місяць не має поясів Ван Аллена. Вона також не має захисної атмосфери. Вона відкрита всім сонячним вітрам. Якби під час місячної експедиції стався сильний сонячний спалах, то колосальний потік радіації спопелив би і капсули, і астронавтів на тій частині поверхні Місяця, де вони проводили свій день. Ця радіація не просто небезпечна – вона смертельна!

1963 року радянські вчені заявили відомому британському астроному Бернарду Ловеллу, що вони не знають способу захистити космонавтів від смертельного впливу космічної радіації. Це означало, що навіть набагато товстісті металеві оболонки російських апаратів не могли впоратися з радіацією. Яким чином найтонший (майже як фольга) метал, що використовується в американських капсулах, міг захистити астронавтів? НАСА знало, що це неможливо. Космічні мавпи загинули через 10 днів після повернення, але НАСА так і не повідомило нам про справжню причину їхньої загибелі.

Мавпа-астронавт (архів РГАНТ)

Більшість людей, навіть обізнаних у космосі, і не підозрюють про існування пронизливої його простори смертельної радіації. Як не дивно (а може, саме з причин, про які можна здогадатися), в американській «Ілюстрованій енциклопедії космічної технології» словосполучення «космічна радіація» не зустрічається жодного разу. Та й загалом цю тему американські дослідники (особливо пов'язані з НАСА) обходять за версту.

Тим часом Ловелл після бесіди з російськими колегами, які чудово знали про космічну радіацію, відправив інформацію адміністратору НАСА Х'ю Драйдену, але той проігнорував її.

Один з астронавтів Коллінз, що нібито відвідали Місяць, у своїй книзі згадував про космічну радіацію тільки двічі:

"Принаймні, Місяць був далеко за межами земних поясів Ван Аллена, що віщувало хорошу дозу радіації для тих, хто побував там, і смертельну – для тих, хто затримався".

«Таким чином, радіаційні пояси Ван Аллена, що оточують Землю, і можливість сонячних спалахів вимагають розуміння та підготовки, щоб не піддавати екіпажу підвищеним дозам радіації».

То що означає «розуміння і підготовка»? Чи означає це, що поза поясів Ван Аллена решта космосу вільний від радіації? Або НАСА мала секретну стратегію укриття від сонячних спалахів після ухвалення остаточного рішення про експедицію?

НАСА стверджувало, що просто може пророкувати сонячні спалахи, і тому відправляло на Місяць астронавтів тоді, коли спалахів не очікувалося, і радіаційна небезпека для них була мінімальною.

Поки що Армстронг і Олдрін виконували роботу у відкритому космосі

на поверхні Місяця, Майкл Коллінз

ставав на орбіті (архів НАСА)

Втім, інші фахівці стверджують: «Можливо передбачити лише приблизну дату майбутніх максимальних випромінювань та їхню щільність».

Радянський космонавт Леонов все ж таки вийшов у 1966 році у відкритий космос - правда, у надважкому свинцевому костюмі. Але лише через три роки американські астронавти стрибали на поверхні Місяця, причому аж ніяк не в надважких скафандрах, а швидше зовсім навпаки! Може, за ці роки фахівці з НАСА зуміли знайти якийсь надлегкий матеріал, що надійно захищає від радіації?

Проте дослідники раптом з'ясовують, що принаймні «Аполлон-10», «Аполлон-11» та «Аполлон-12» вирушили в дорогу саме в ті періоди, коли кількість сонячних плям та відповідна сонячна активність наближалися до максимуму. Загальноприйнятий теоретичний максимум 20-го сонячного циклу тривав із грудня 1968 до грудня 1969 р. У цей період місії "Аполлон-8", "Аполлон-9", "Аполлон-10", "Аполлон-11" і "Аполлон-12" імовірно вийшли за межі зони захисту поясів Ван Аллена і увійшли до навколомісячного простору.

Подальше вивчення щомісячних графіків показало, що поодинокі сонячні спалахи - явище випадкове, що відбувається спонтанно протягом 11-річного циклу. Буває і так, що в «низький» період циклу трапляється велика кількість спалахів за короткий проміжок часу, а під час «високого» періоду – зовсім незначна кількість. Але важливо саме те, що дуже сильні спалахи можуть мати місце у час циклу.

В епоху «Аполлонів» американські астронавти провели в космосі майже 90 днів. Оскільки радіація від непередбачуваних сонячних спалахів долітає до Землі або Місяця менш ніж за 15 хвилин, захиститись від неї можна було б тільки за допомогою свинцевих контейнерів. Але якщо потужності ракети вистачило, щоб підняти таку зайву вагу, то чому треба було виходити в космос у тонюсеньких капсулах (буквально 0,1 мм алюмінію) при тиску 0,34 атмосфер?

Це при тому, що навіть тонкий шар захисного покриття, що називається "майларом", за твердженнями екіпажу "Аполлон-11", виявився настільки важким, що його довелося терміново прати з місячного модуля!

Схоже, у місячні експедиції НАСА відбирало особливих хлопців, щоправда, з поправкою на обставини, відлиті не зі сталі, а зі свинцю. Американський дослідник проблеми Ральф Рене не полінувався розрахувати, як часто кожна з місячних експедицій, що нібито відбулися, повинна була потрапити під сонячну активність.

Між іншим, один з авторитетних співробітників НАСА (заслужений фізик, до речі) Білл Модлін у своїй роботі «Перспективи міжзоряних подорожей» відверто повідомляв: «Сонячні спалахи можуть викидати ГеВ протони в тому ж енергетичному діапазоні, що і більшість космічних частинок, але набагато більше . Збільшення їх енергії при посиленій радіації становить особливу небезпеку, оскільки ГеВ протони проникають крізь кілька метрів матеріалу… Сонячні (або зіркові) спалахи з викидом протонів - це дуже серйозна небезпека, що періодично виникає, в міжпланетному просторі, яка забезпечує дозу радіації в сотні тисяч рентген за кілька годин. на відстані від Сонця до Землі. Така доза є смертельною і в мільйони разів перевищує допустиму. Смерть може наступити вже після 500 рентгенів за короткий проміжок часу».

Так, браві американські хлопці потім повинні були сяяти дужче за четвертий чорнобильський енергоблок. "Космічні частинки небезпечні, вони виходять з усіх боків і вимагають щонайменше двох метрів щільного екрану навколо будь-яких живих організмів". Адже космічні капсули, які до цього часу демонструє НАСА, мали трохи більше 4 м у діаметрі. При товщині стін, рекомендованої Модліним, астронавти, навіть без будь-якого обладнання, у них би не влізли, не кажучи вже про те, що й не вистачило б палива для того, щоб такі капсули підняти. Але, очевидно, ні керівництво НАСА, ні послані ним на Місяць астронавти книжок свого колеги не читали і, перебуваючи в блаженному незнанні, подолали всі терни дорогою до зірок.

Втім, можливо, НАСА і справді розробило їм якісь наднадійні скафандри, використовуючи (зрозуміло, дуже засекречений) надлегкий матеріал, що захищає від радіації? Але чому ж його так більше ніде і не використовували, як кажуть, у мирних цілях? Ну гаразд, з Чорнобилем СРСР вони не захотіли допомагати: все ж таки перебудова ще не почалася. Але, наприклад, 1979 року в тих же США на АЕС «Тримайл-Айленд» сталася велика аварія реакторного блоку, що призвела до розплавлення активної зони реактора. Так що ж американські ліквідатори не використовували космічні скафандри за такою розрекламованою технологією НАСА вартістю ні багато ні мало в $7 млн, щоб ліквідувати цю атомну міну уповільненої дії на своїй території?

Минуло вже 48 років з дня оголошеного першого польоту астронавтів на Місяць, але людство, що сумнівається в їх дійсності, як і раніше, ставить сотні питань, які здебільшого залишаються без відповіді. Багатьох цікавить, як американці вимудрилися вирішити питання з радіаційним захистом таким чином, що за півстоліття ця засекречена технологія так і не була ніде помічена. NASA з питання пояса Аллена довго думало, розмірковувало і вирішило, нарешті, кинути кісточку - всі цілих 11 польотів було здійснено при "сприятливому зеленому світлі", через встановлені безпечні під час руху коридори:
Радіаційний пояс начебто не однаковий, і в різних місцях має різний рівень радіації, правда? До того ж, якщо швидко проскочити, великої дози можна уникнути. На мій дилетантський погляд, звичайно

Ще зовсім недавно, в 2014 році був випущений інший ролик, де NASA ще вирішує проблеми з цією шкідливою радіацією.

Весь XX століття людство мріяло про підкорення Всесвіту. Найкращі письменники всього світу складали книги з цієї теми. Але колонізація космосу все відкладається. Можливо, одна із причин лежить у феномені під назвою пояс Ван Аллена. Що це можна зрозуміти і без широких знань в астрофізиці.

Радіаційний пояс Ван Аллена: правда та помилки

Так називають зону насичених енергією заряджених частинок, що у внутрішній області земної магнітосфери. Пояс утворився внаслідок утримання магнітним полем Землі частини сонячного вітру (останній складається переважно з електронів, протонів та альфа-часток).

Вперше ідея щодо наявності такого пояса навколо нашої планети була висловлена ще до початку космічної ери. Таких висновків приходили такі вчені кінця XIX - початку XX століть, як Крістіан Біркеланд, Карл Стермер і Микола Хрестофілу. Експериментальне підтвердження їх шукання отримали у 1958 завдяки досвідам американського дослідника Джеймса Ван Аллена.

Незважаючи на те, що існування пояса є науково підтвердженим фактом, він оточений ореолом помилок. Найголовніше з них полягає в тому, що радіаційне випромінювання в магнітосфері настільки велике, що здатне вбити будь-яку живу істоту. Тим самим скептики доводять неможливість космічних подорожей.

Склад та характеристики об'єкта

Радіаційний пояс (РП) складається з наступних підпоясів:

внутрішній;
Зовнішній;
Іноді обмежений проміжок часу утворюється і третій шар РП. Такий феномен спостерігався, зокрема, у 2013 році. Він проіснував близько місяця та був знищений міжпланетною ударною хвилею від Сонця.

Розкриємо характеристики внутрішнього радіаційного поясу:

Розташовується на висоті від 1 тис. км. до 24 тис. км. від поверхні планети;
Під час високої сонячної активності та деяких географічних областях (наприклад, Бразильська магнітна аномалія) нижня межа може спуститися до 200 км від Землі;
Складається з електронів та протонів, енергія яких перевищує 100 електронвольт. Вважається, що протони тут утворюються завдяки бета-розпаду з нейтронів внаслідок дії космічних променів;
Протони нижчих енергій утворюються під час геомагнітних бур.

Наочно зображення внутрішнього РП було отримано у 2014 році. Малюнок нагадував «зебру» через ефекти, викликані природою магнітного поля Землі.

Подолання пояса Ван Аллена

Вважається, що навколоземна радіаційна зона є значною перешкодою для можливих космічних подорожей. І значною мірою це правда:

Радіація може пошкодити сонячні батареї, інтегральні схеми та датчики. Мініатюризація та оцифрування електроніки зробили космічні апарати більш уразливими для випромінювання, оскільки сумарний електричний заряд у цих ланцюгах досить невеликий;
Щоб уникнути негативних ефектів, застосовуються радіаційно-стійкі технології. Наприклад, супутники навколоземної орбіті мають захисний шар з 3 мм алюмінію;
Очевидно, що проходження через РП завдає людському організму певної шкоди. У живих космонавтам вдається залишатися лише завдяки тому, що вони знаходяться в цій галузі вкрай нетривалий період часу;
Отримана астронавтами сумарна радіація варіюється від місії до місії. У середньому вона становить 1,6 – 11,4 мілігрей. Це набагато менше тих доз, які отримують працівники атомних електростанцій, що працюють на землі;
Щоб отримати смертельну дозу, людині необхідно висіти в навколоземній орбіті більше місяця.

Для мінімізації випромінювання від РП російський фізик Валентин Данилов запропонував запустити супутники в небо і розтягнути між ними троси довжиною по 100 км. Ідея виявилася досить привабливою та отримала подальший теоретичний розвиток у США під назвою HiVOLT.

Властивості зовнішньої радіаційної оболонки

З фізичної точки зору зовнішній пояс набагато цікавіший за свого внутрішнього побратима, оскільки більшою мірою піддається впливу сонячної активності:

Розташовується на висоті від 13 000 до 60 000 кілометрів і має майже тороїдальну форму (тобто у вигляді бублика);
Складається переважно з електронів, значення енергій яких коливається не більше від 0,1 до 10 мегаелектронвольт;
У 2014 році було виявлено, що внутрішній кордон зовнішнього РП є досить різким. Нижче її електрони проникнути що неспроможні. У чому причина утворення такого щита до кінця не зрозуміло;
За розміром він набагато більший, ніж внутрішній РП. Кількість часток у ньому коливається залежно від геомагнітних бур та плазмових обурень, вироблених Сонцем;

У 2011 році було виявлено, що у складі потоку є також античастинки. Внаслідок взаємодії верхніх шарів атмосфери з космічними променями утворюються антипротони. Їхня енергія становить близько 60-750 МеВ.

Пояс Ван Аллена та політ на Місяць

Вище ми вже розглядали всі ризики, які супроводжують космонавта під час проходження через внутрішню частину магнітосфери. Відомі вони не лише з теоретичних викладок.

Політ американців на Місяць став першим експериментом, який перевірив на міцність людський організм у космічних умовах:

Відомо, що магнітні бурі значно збільшують активність протонів високих енергій. Такі аномалії передували багато місячних місій, зокрема, «Аполлон-8» і «Аполлон-17»;
Якби польоти були схожі без захисту (як самих літальних пристроїв, так і скафандрів), все закінчилося б плачевно. Так, після магнітного шторму, що пройшов на 31 жовтня 1968, доза випромінювання збільшилася в кілька разів;
Проте польоти як закінчувалися летальним результатом, а й призвели до дуже цікавим результатам. Вага астронавта Шепарда (з «Аполлон-14») збільшилася, учасники місії не приймали жодних медикаментів, наслідків для організму жодного з них не було;
Такого ефекту було досягнуто завдяки високоякісному захисту та короткочасному перебування в РП. Хоча багато скептиків вважають, що відсутність шкоди для здоров'я говорить про відсутність факту польоту на Місяць.

Планета Земля оточена щільним шаром електронів та протонів, які потрапляють у область магнітного поля переважно від Сонця. Цей шар відомий під назвою пояс Ван Аллена. Що це таке було відомо ще на початку XX століття. Але на доказ його існування пішло чимало десятків років.

Відео про радіаційний пояс Землі

У цьому ролику науковець, астрофізик Борис Глід розкаже кілька незвичайних фактів для радіаційний пояс Землі Ван Альона:

Радіаційний пояс Землі

Інша назва (зазвичай у західній літературі) – «радіаційний пояс Ван Аллена» (англ. Van Allen radiation belt).

Усередині магнітосфери, як і в будь-якому дипольному полі, є області, недоступні для часток з кінетичною енергією E, менше критичної. Ті самі частинки з енергією E < Екр, які все-таки вже там знаходяться, не можуть ці області покинути. Ці заборонені області магнітосфери називають зонами захоплення. У зонах захоплення дипольного (квазідипольного) поля Землі справді утримуються значні потоки захоплених частинок (насамперед, протонів та електронів).

Радіаційний пояс Землі (внутрішній) був передбачений радянськими вченими С. Н. Верновим і А. Є. Чудаковим, а також американським вченим Джеймсом-ван-Алленом. Існування радіаційного поясу було продемонстровано вимірами на «Супутнику-2», запущеному у 1957 році, а також на «Експлорері-1», запущеному у 1958 році. Радіаційний пояс у першому наближенні є тороїд , в якому виділяються дві області:

внутрішній радіаційний пояс на висоті ≈ 4000 км, що складається переважно з протонів з енергією в десятки МеВ;
зовнішній радіаційний пояс на висоті ≈ 17 000 км, що складається з електронів з енергією в десятки кеВ .

Висота нижньої межі радіаційного поясу змінюється на одній і тій же географічній широті по довготах через нахил осі магнітного поля Землі до осі обертання Землі, а на одній і тій самій географічній довготі вона змінюється за широтами через власну форму радіаційного поясу, зумовлену різною висотою силових ліній магнітного поля Землі. Наприклад, над Атлантикою зростання інтенсивності випромінювання починається висоті 500 км, а над Індонезією на висоті 1300 км. Якщо ті ж графіки побудувати в залежності від магнітної індукції , то всі вимірювання вкладуться на одну криву, що ще раз підтверджує магнітну природу захоплення частинок.

Між внутрішнім та зовнішнім радіаційними поясами є щілина, розташована в інтервалі від 2 до 3 радіусів Землі. Потоки частинок у зовнішньому поясі більші, ніж у внутрішньому. Розрізнений і склад частинок: у внутрішньому поясі протони та електрони, у зовнішньому – електрони. Застосування неекранованих детекторів значно розширило відомості про радіаційні пояси. Були виявлені електрони та протони з енергією кілька десятків та сотень кілоелектронвольт відповідно. Ці частки мають істотно інший просторовий розподіл (порівняно з проникаючими).

Максимум інтенсивності протонів низьких енергій розташований на відстані близько трьох радіусів Землі від її центру. Малоенергіческіе електрони заповнюють всю область захоплення. Для них немає поділу на внутрішній та зовнішній пояси. Частинки з енергією десятки кеВ незвично відносити до космічних променів, однак радіаційні пояси є єдиним явищем і повинні вивчатися в комплексі з частинками всіх енергій.

Потік протонів у внутрішньому поясі є досить стійким у часі. Перші експерименти показали, що електрони високої енергії E> 1-5 МеВ) зосереджені у зовнішньому поясі. Електрони з енергією менше 1 МеВ заповнюють майже всю магнітосферу. Внутрішній пояс дуже стабільний, тоді як зовнішній відчуває різкі коливання.

Радіаційні пояси планет

Завдяки наявності сильного магнітного поля, планети-гіганти (Юпітер, Сатурн, Уран і Нептун) також мають сильні радіаційні пояси, що нагадують зовнішній радіаційний пояс