Interested Article - Радиационный пояс

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

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 , меньшей критической. Те же частицы с энергией E < Е _кр , которые всё-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» оно 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.

История исследований

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, от изменений, происходящих в самих поясах . Одним из основных результатов этой миссии было открытие третьего радиационного пояса, появляющегося на короткое время порядка нескольких недель. На октябрь 2019 года оба зонда окончили свою работу, первый — 19 июля, второй — 18 октября.

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

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 .

Последствия для космических путешествий

Космический аппарат, движущийся за пределы низкой околоземной орбиты , попадает в зону действия радиационных поясов. За пределами поясов он сталкивается с дополнительной радиационной опасностью от космических лучей и солнечно-протонных штормов . Область между внутренним и внешним радиационными поясами, находящаяся на расстоянии от двух до трёх радиусов Земли, иногда называется «безопасной зоной» .

Радиация может повреждать солнечные батареи , интегральные схемы и датчики . Также электронные компоненты на космических аппаратах иногда повреждаются геомагнитными бурями . Для обеспечения надёжной работы на спутниках приходится использовать радиационно стойкую электронику . Но даже если электроника не выходит из строя, влияние повышенного уровня радиации на чувствительные датчики приводит к получению неправильных показаний. Из-за этого, в частности, невозможно ведение наблюдений орбитальным телескопом Хаббл при прохождении через область Бразильской магнитной аномалии . Спутник, защищённый слоем алюминия толщиной 3 мм, на эллиптической орбите 320×32000 км, проходящей через радиационные пояса, получит около 2500 бэр (25 Зв ) в год (для сравнения, доза в 5 Зв для всего тела смертельна). При этом почти вся радиация будет получена при прохождении через внутренний пояс .

Впервые люди пересекли радиационные пояса в ходе полётов по программе Аполлон . Это была одна из нескольких опасностей, связанных с радиацией, известных на момент подготовки полётов . Астронавты получили малые дозы облучения в радиационных поясах из-за небольшого времени пролёта через них. Траектории полёта Аполлонов лежали вне области наиболее интенсивной радиации .

Основной вклад в облучение астронавтов вносили солнечные частицы в момент нахождения вне магнитного поля Земли. Общая поглощённая доза , полученная астронавтами, менялась от полёта к полёту и составляла от 0,16 до 1,14 рад (от 1,6 до 11,4 мЗв ), что гораздо меньше стандартной дозы в 5 бэр (50 мЗв ) в год, установленной комиссией по атомной энергии США для лиц, работающих с радиацией .

См. также

Ветерок и Уголёк

Примечания

от 27 ноября 2012 на Wayback Machine // РИА Новости, 25.08.2012
(англ.) . NASA/GSFC. Дата обращения: 27 апреля 2009. 22 ноября 2009 года.
Weintraub, Rachel A. (англ.) . NASA/GSFC (15 декабря 2004). Дата обращения: 27 апреля 2009. 7 мая 2016 года.
Donna Weaver. (англ.) . Baltimore, MD: Space Telescope Science Institute (18 июля 1996). Дата обращения: 25 января 2009. 25 июня 2016 года.
Andy Ptak. (англ.) . NASA/GSFC (1997). Дата обращения: 11 июня 2006. Архивировано из 22 марта 2009 года.
↑ J. Vernon Bailey. (англ.) . Biomedical Results of Apollo . Дата обращения: 13 июня 2011. 4 июня 2011 года.
Amy Shira Teitel. (англ.) . Popular science (19 сентября 2014). Дата обращения: 12 июня 2019. 17 июня 2019 года.
W. David Woods. How Apollo Flew to the Moon. — New York: Springer-Verlag , 2008. — ISBN 978-0-387-71675-6 .

Литература

Мурзин С. В. Введение в физику космических лучей. — М.: Атомиздат , 1979.
: 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.
Рёдерер 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.
Adams, L.; Daly, E. J.; Harboe-Sorensen, R.; Holmes-Siedle, A. G.; Ward, A. K.; Bull, R. A. Measurement of SEU and total dose in geostationary orbit under normal and solar flare conditions (англ.) // IEEE Transactions on Nuclear Science : journal. — 1991. — December ( vol. 38 , no. 6 ). — P. 1686—1692 . — doi : . — Bibcode : .
Holmes-Siedle, Andrew; Adams, Len. Handbook of Radiation Effects (англ.) . — 2nd. — Oxford; New York: Oxford University Press , 2002. — ISBN 0-19-850733-X .
Shprits, Yuri Y.; Elkington, Scott R.; Meredith, Nigel P.; Subbotin, Dmitriy A. Review of modeling of losses and sources of relativistic electrons in the outer radiation belt (англ.) // (англ.) ( : journal. — 2008. — November ( vol. 70 , no. 14 ). Part I: Radial transport, pp. 1679—1693, doi : ; Part II: Local acceleration and loss, pp. 1694—1713, doi :