§ 11. Радиационные пояса Земли

Исследования, выполненные с помощью искусственных спут­ников Земли, показали, что наша планета окружена, помимо газовой оболочки, слоями заряженных частиц большой энергии, так называемыми радиационными поясами. Открытие радиа­ционных поясов явилось, вероятно, одним из самых интересных и неожиданных научных событий, связанных с проникновением человека в космос. Между тем образование этих поясов является, в сущности, естественным следствием наличия маг­нитного поля Земли и существования потоков частиц, прони­зывающих космическое пространство.

Происхождение земного магнитного поля не может счи­таться выясненным окончательно. Несомненна, однако, его связь с вращением планеты и наличием токов в глубинных, жидких проводящих слоях земного ядра (эффект динамо-машины с самовозбуждением). Геометрия земного магнитного поля исследована тщательно и подробно. Земля — это гигант­ский линейный магнит, наклоненный под углом в 11,5° к оси вращения. Центр магнитного диполя смещен приблизительно на 400 км относительно центра Земли. Магнитные силовые линии сгущаются в области высоких геомагнитных широт (рис. 11.1), создавая в околоземном пространстве конфигура­цию кольцевой магнитной ловушки с пробками. Смещение диполя, разумеется, приводит к некоторой асимметрии ловушки относительно поверхности Земли. Точнее, области с заданным значением напряженности магнитного поля располагаются на различной высоте над поверхностью в зависимости от геогра­фических координат выбранного места.

На больших расстояниях форма магнитосферы Земли ока­зывается сильно искаженной действием потоков заряженных частиц, излучаемых Солнцем, — так называемым «солнечным ветром». Точнее, на дневной стороне магнитосфера сжимается и оказывается ограниченной поверхностью, на которой давление потока частиц солнечного ветра (главным образом протонов и электронов) уравновешивается магнитным давлением. Харак­терная величина направленной скорости потока частиц состав­ляет около 500 км/сек, плотность потока — примерно 10 час­тиц/см³. Принимая, что напряженность геомагнитного поля убывает с расстоянием по кубическому закону, как поле диполя, легко проверить, что равенство давлений достигается при L = (10 - 12)R₀, где R₀ — радиус Земли. В результате маг­нитосфера Земли, в меридиональном сечении, изобразится схе­матической картиной, приведенной на рис. 11.2.

Рис. 11.1. Силовые линии магнитного поля Земли.

Малая абсолютная величина напряженности магнитного поля в околоземном пространстве (десятые доли эрстеда) с лихвой компенсируется его большой протяженностью, так что критерий адиабатичности (10.1) оказывается выполненным даже для частиц сравнительно большой энергии. Забегая вперед, заметим, что спектр частиц, захваченных в земную ловушку, простирается от 100 кэB до 100 МэB, а основная доля

Рис. 11.2. Магнитосфера Земли (схема).

частиц обладает энергией в интервале 1 — 10 Мэв. Примем, что H=0,3 Э и W = 10 МэB.

Тогда радиус ларморовского кружка для протонов будет:

Для электронов надо воспользоваться релятивистской форму­лой (она приведена в § 17??):

В первом приближении вблизи поверхности Земли

где R₀ — радиус Земли, равный 6,37 • 10³ км. Таким образом, даже для протонов

т. е. условие (10.1) выполняется примерно с тысячекратным запасом.

Радиационные пояса Земли были открыты Ван-Алленом и Верновым в 1958 г. при первых полетах советских и аме­риканских искусственных спутников. На спутниках были установлены гейгеровские счетчики заряженных частиц, предназна­чавшиеся первоначально для исследования космических лучей. Высотный ход интенсивности космического излучения, вплоть до расстояний порядка сотни километров над поверхностью Земли, был хорошо изучен в проводившихся ранее опытах с подъемом счетчиков на шарах-зондах и метеорологических ракетах. После начального довольно быстрого роста, связан­ного с уменьшением экранирующего действия атмосферы, интенсивность космического излучения достигала области насы­щения. Естественно было ожидать, что примерно такой же уровень счета будет обнаружен и с помощью спутника, летя­щего на больших высотах. Вместо этого гейгеровские счет­чики на спутниках зарегистрировали периодически повторяв­шееся резкое (в десятки тысяч раз) повышение скорости счета. После обработки результатов измерений, т. е. пересчета вре­менного хода показаний счетчиков на зависимость интенсив­ности от геофизических координат (это было нетрудно сделать, так как траектория спутника известна), оказалось, что в окрестности Земли расположена кольцеобразная область, при про­хождении которой счетчики регистрируют высокую скорость счета, а следовательно, и повышенную плотность заряженных частиц. Размещая перед окнами счетчика фильтры различной толщины, можно было, кроме того, получить суждение об энергии частиц в поясе.

На рис. 11.3 приведены экспериментальные кривые, полу­ченные в ходе подобных измерений на американских спутни­ках. Как видно из графиков, область стремительного возрас­тания скорости счета (масштаб по оси ординат — логарифми­ческий!), т. е. граница радиационного пояса, располагается на разных высотах над поверхностью Земли в районе Атланти­ческого и в районе Тихого океанов. Это обстоятельство находится в соответствии с отмеченной ранее асимметрией земного магнитного поля.

Центр области резко повышенного счета, о которой идет речь и которую мы теперь называем внутренним радиацион­ным поясом, располагается в экваториальной плоскости на расстоянии L — 1,5R₀ от центра Земли, занимая пространство примерно от 1000 до 4500 км, считая от поверхности пла­неты. Последующие эксперименты показали, что частицы высоких энергий присутствуют в заметном количестве в земной магнитной ловушке и на много больших расстоя­ниях. Принято выделять вторую зону повышенного счета, расположенную в интервале значений от L ~ 3R₀ до L ~ 5R₀, и называть ее внешним радиационным поясом (см. рис. 11.4).

Рис. 11.3. Зависимость скорости счета гейгеровской трубки, установленной на спутнике. от высоты h над уровнем моря. А — кривая снята над центром Атлантики, В - кривая снята над Сингапуром.

Рис. 11.4. Расположение естественных радиационных поясов Земли. Цифры соответствуют темпу счета приборов, измеряющих интенсивность радиации.

Однако, если форма и характеристики внутреннего радиа­ционного пояса сравнительно устойчивы и регулярно воспроизводятся при повторных исследованиях, то очертания и свойства внешних зон радиации меняются со временем. В связи с этим правильнее говорить просто о наличии в магнитосфере Земли области захваченной радиации с достаточно сложной структурой.

Заметим еще, что энергия частиц, заполняющих радиаци­онные зоны, в общем убывает с расстоянием, что естественно, так как удержание в ловушке частиц с более высокой энергией требует более сильных магнитных полей.

Вопрос о механизме заполнения радиационных поясов не может считаться исчерпывающе разъясненным, но во всяком случае мы располагаем в настоящее время достаточно правдо­подобной моделью происходящих процессов. Формирование внутренней зоны радиации, содержащей протоны высоких энергий и электроны, происходит в результате распада быстрых нейтронов в соответствующих областях околоземного простран­ства. Точнее: космические частицы высоких энергий в верхних слоях земной атмосферы (на высоте ~100 км) взаимодействуют с ядрами азота и кислорода. Возникающие при этих ядерных процессах быстрые нейтроны (примерно по четыре нейтрона на одну космическую частицу) затем распадаются на протон, электрон и нейтрино. (Согласно закону сохранения лептонного заряда, рождение легких частиц может происходить только парами; поэтому при распаде нейтрона, помимо одной легкой частицы — электрона, рождается и вторая — нейтрино. Дальней­шая судьба нейтрино нас не интересует: электрически нейтраль­ный, ядерно не взаимодействующий с окружающими частицами, он ускользает от наблюдения.) Период полураспада свобод­ного нейтрона составляет 10³ сек. Некоторое число нейт­ронов будет застигнуто распадом в ловушечной области. Тогда при благоприятном направлении начальной скорости протоны, рожденные при распаде, окажутся захваченными в ло­вушку.

Приведенная картина представляется в целом достаточно правдоподобной. Количественные оценки интенсивности потока космических частиц, альбедо возникающих нейтронов, вероят­ности их распада в ловушечной области и наблюдаемые плотности частиц в радиационном поясе в общем согласуются между собой.

Образование внешней радиационной зоны связано с проник­новением в магнитосферу Земли частиц солнечного ветра в периоды геомагнитных возмущений. Более аккуратная фор­мулировка сделанного утверждения такова: флуктуации пара­метров солнечного ветра, провоцируемые магнитными бурями в солнечной хромосфере, нарушают пространственную струк­туру геомагнитного поля. Через колышущуюся магнитосферу и происходит процесс диффузии заряженных частиц к поверх­ности Земли. Как показывают расчеты, подобный механизм обеспечивает заполнение радиационной зоны протонами с энер­гией от 100 кэВ до 30 МэВ. Электронная компонента внешней зоны также формируется за счет диффузии из внешних обла­стей магнитосферы.

Конечно, все сказанное стало бы несравненно более убеди­тельным, если бы помимо астрофизических наблюдений были проделаны прямые эксперименты с искусственным заполнением земной ловушки частицами. С этой целью в августе 1958 г. на высоте около 480 км над поверхностью Земли над южной частью Атлантического океана был осуществлен ядерный взрыв малой мощности. Значительную часть продуктов ядерного деления составляют короткоживущие ( -активные ядра; испыты­вая распад в зоне ловушки, заряженные продукты ядерных реакций должны быть захвачены магнитным полем Земли. При этом заполнение радиационного пояса вокруг всего зем­ного шара должно произойти за счет дрейфа частиц в не­однородном магнитном поле за короткое время. Приведем оценочный расчет. Скорость дрейфа вычисляется по формуле (10.20), которую легко представить в виде

(11.1)

отношение - можно заменить через 1/К, где К —

радиус кривизны силовой линии. Тогда равенство (11.1) пере­пишется:

(И-2)

В качестве радиуса кривизны магнитной силовой линии можно взять два земных радиуса, т. е. положить К «2К0. Время заполнения пояса будет:

Подставляя численные значения констант и принимая Я« «ОД э; Жц-И^-1 Мэв =1,6-КГ6 эрг; К « 1,3 • Ю9 см, получим

Искусственный радиационный пояс должен был размес­титься между первым и вторым естественными поясами (см. схему рис. 11.5). Запущенный перед описываемым экспери­ментом спутник «Эксплорер-1У» совершил в течение сентября 1958 г. свыше тысячи полетов сквозь искусственно созданную оболочку. При каждом пролете счетчики, установленные на спутнике, давали интенсивный всплеск счета импульсов. В ка­честве иллюстрации на рис. 11.6 приведена одна из записей интенсивности счета импульсов в функции времени. Резкий максимум отвечает пролету спутника через искусственный радиационный пояс. По известной скорости спутника и гео­метрии его траектории можно оценить ширину возникшей радиационной зоны — она составляет около 100 км. Начальная (в первые числа сентября) скорость счета при пролете искус­ственного пояса в 102 —103 раз превышала нормальную (для данных геофизических координат) скорость счета. Контрольные опыты, в которых наблюдалось прохождение спутником тех же областей околоземного пространства до инжекции частиц, не обнаруживали, как и следовало ожидать, никаких аномалий в скорости счета. Аналогичные результаты, подтверждающие появление новой радиационной зоны, были получены при запусках метеорологических ракет.

Радиационный пояс сформировался над всем земным шаром, в соответствии с приведенным выше расчетом, спустя несколько часов после инжекции. Распад пояса растянулся на несколько месяцев; так, космическая ракета «Пионер-Ш», запущенная в декабре 1958 г., еще обнаружила слабые следы радиации, но ракета «Пионер-ГУ», запущенная в марте 1959 г., уже не зарегистрировала практически никаких сигналов.

Географическая зона, сопряженная по отношению к месту инжекции частиц, находилась в северном полушарии над Азорскими островами. В этом районе было наблюдено искус­ственное полярное сияние, начавшееся через несколько минут после инжекции.

В целом опыт заполнения ловушки искусственно создан­ными частицами оказался удачным, и тем самым было получено прямое экспериментальное подтверждение факта су­ществования земной магнитной ловушки.

В заключение еще один интересный вопрос. Является ли радиационная корона специфической привилегией Земли или она присуща и другим небесным телам? В пяти случаях ответ нам известен.

Луна, как показали исследования, проделанные впервые с помощью космических ракет, запущенных в направлении

87

Рис. II.?. Расположение искуссшениою радиационного пояса Земли.

Рис. П.6. Появление области повышенной радиации после высотного ядер­ного взрыва, а) График результатов наблюдений за естественной радиацией за сутки до ядерного взрыва, б) График результатов наблюдений за радиацией после ядерного взрыва (пик был зарегистрирован 27ав1уста 1958г. в 06 час. 08 мин, по Гринвичу, приблизительно через 3,5 часа после взрыва).

Луны в Советском Союзе, и как было подтверждено из­мерениями, выполненными на поверхности Луны, не обладает магнитным полем дипольного характера. Точнее, напряжен­ность лунного магнитного поля не превышает 2- 10~4 э. Соот­ветственно в окрестностях Луны не обнаруживается никаких следов повышенной радиации. Отсутствие глобального маг­нитного поля у Луны представляется совершенно естествен­ным, если учесть ее малую массу (0,012 массы Земли) и мед­ленное вращение вокруг оси (28 суток).

Венера также лишена магнитного поля и радиационных поясов. Во всяком случае результирующее магнитное поле этой планеты не превышает 1/1000 доли земного поля. Измерения были сначала выполнены на расстоянии 35 000 км от поверх­ности планеты с помощью американской космической станции «Маринер-2» в 1962 г. и затем полностью подтверждены при полете и посадке на поверхность Венеры советских космических станций «Венера-3», «Венера-4», «Венера-8» и облете Венеры космической станцией «Маринер-5». Отсутствие магнитного поля вокруг Венеры, вероятно, следует связать с ее очень медленным суточным вращением: один оборот происходит за 243 земных суток.

Отсутствует магнитное поле дипольного происхождения (а следовательно, нет и захваченной радиации) вблизи Марса. Н^ расстоянии около 10000 км от поверхности планеты напряженность поля не превышает 3-10~4 э, т.е. составляет меньше 1/1000 доли земного магнитного поля («Маринер-4», 1965 г.). Между тем, скорости суточного вращения Земли и Марса почти совпадают. В рамках рассматриваемой модели происхождения земного магнитного поля этот факт можно связать с малой массой планеты (0,108 массы Земли).

Однако, очень слабое магнитное поле, по-видимому диполь­ного происхождения, обнаружено вокруг Меркурия («Мари-нер-10», 1974 г.). Хотя напряженность этого поля приблизительно в 100 раз меньше напряженности земного поля, но энергия захваченных частиц (протонов и электронов) составляет не­сколько сотен кэв. Открытие радиационной зоны у Меркурия явилось большой неожиданностью, так как суточное вращение планеты медленное (59 земных суток), ее масса мала (0,055 мас­сы Земли), и трудно понять, как в этих условиях может сра­батывать механизм динамомашины с самовозбуждением, ко­торым мы объясняли образование земного поля.

Магнитные поля, огромные по протяженности и в десятки раз превышающие по интенсивности земные поля, окружают Юпитер («Пионер-10», 1973 г.; «Пионер-11», 1974 г.). Энергия

частиц (протонов и электронов) в радиационной короне Юпи­тера достигает десятков М$в. В данном случае обнаружение радиационной зоны согласуется и со стремительным вращением планеты вокруг оси (один оборот за 10 часов), и с огромной массой планеты (318 'земных масс), и с предыдущими наблю­дениями за радиоизлучением Юпитера.

На очереди исследование остальных планет Солнечной системы. В 1979 г. должно состояться космическое рандеву «Пионера-11» со второй гигантской планетой — Сатурном. Радиоизлучение Сатурна и физические характеристики планеты делают вероятным наличие радиационных поясов и в этом случае.

Уран, Нептун и Плутон остаются пока полностью 1егга тсоёш1а.