Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Радиационный пояс Земли

Голосов: 0

Рассмотрено современное представление о природе и основных характеристиках радиационного пояса Земли, естественного околоземного образования, удерживающего огромные потоки заряженных частиц - протонов и электронов. Приведены результаты последних исследований состава и динамики РПЗ, выполненных на искусственных спутниках Земли и орбитальных станциях.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                          EARTH RADIATION BELT          РАДИАЦИОННЫЙ ПОЯС ЗЕМЛИ
                      A. M. GALPER
                                                    Д. е. ЙДгъиЦк
                      лurrent conceptions on        еУТНУ‚ТНЛИ ЛМКВМВ МУ-ЩЛБЛ˜ВТНЛИ ЛМТЪЛЪЫЪ

                      the nature and main char-
                      acteristics of the Earth's           1. ЗЗЦСЦзаЦ
                      radiation belt is outlined.              Область ближайшего околоземного космическо-
                      This belt is a natural for-          го пространства в виде кольца, окружающего Землю,
                                                           в которой сосредоточены огромные потоки протонов
                      mation situated close to             и электронов, захваченных дипольным магнитным
                      the Earth. It confines               полем Земли, получила название радиационного по-
                      enormous fluxes of                   яса Земли (РПЗ). За рубежом ее обычно называют
                                                           поясом Ван-Аллена. РПЗ был открыт американски-
                      charged particle (elec-              ми и советскими учеными в 1957–1958 годах [1, 2].
                      trons and protons). Some             С тех пор в космосе было проведено огромное коли-
                      recent scientific results            чество экспериментов, позволивших изучить ос-
                                                           новные свойства и особенности РПЗ. Радиацион-
                      pertaining to belt compo-            ные пояса наподобие земного существуют у планет,
                      sition and dynamics are              обладающих магнитным полем и атмосферой. Бла-
                      presented. These results             годаря американским межпланетным кораблям они
                                                           были обнаружены у Юпитера, Сатурна и Марса.
                      were obtained with the
                                                               Что же такое РПЗ? Качественно это можно объ-
                      help of Earth satellites             яснить следующим образом. Дипольное магнитное
                      and orbital stations.                поле Земли – это набор вложенных друг в друга маг-
                                                           нитных оболочек. Его структура напоминает луко-
                                                           вицу или кочан капусты. Магнитную оболочку
                      к‡ТТПУЪ ВМУ ТУ‚ ВПВМ-                можно определить как замкнутую поверхность, со-
                      МУВ Ф В‰ТЪ‡‚ОВМЛВ У                  тканную из магнитных силовых линий. Чем ближе
                                                           оболочка к центру диполя, тем больше напряжен-
                      Ф Л У‰В Л УТМУ‚М˚ı ı‡-               ность магнитного поля и импульс, необходимый за-
                       ‡НЪВ ЛТЪЛН‡ı ‡‰Л‡ˆЛ-                ряженной частице, чтобы проникнуть извне к этой
                      УММУ„У ФУflТ‡ бВПОЛ, ВТ-              оболочке. Таким образом, N-я оболочка характери-
                                                           зуется импульсом частицы PN . Если же начальный
                      ЪВТЪ‚ВММУ„У УНУОУБВП-                импульс частицы меньше, чем PN , то магнитное по-
                      МУ„У У· ‡БУ‚‡МЛfl, Ы‰В -              ле ее отразит и частица вернется в космическое про-
                      КЛ‚‡˛˘В„У У„ УПМ˚В                   странство. Если же эта частица каким-то образом
                                                           окажется на N-й оболочке, то покинуть ее она уже
                      ФУЪУНЛ Б‡ flКВММ˚ı ˜‡Т-               не сможет. Такая захваченная частица останется в
                      ЪЛˆ – Ф УЪУМУ‚ Л ˝ОВН-               ловушке, пока не рассеется или не потеряет энер-
                      Ъ УМУ‚. и Л‚В‰ВМ˚ В-                 гию при столкновении с остаточной атмосферой.
                      БЫО¸Ъ‡Ъ˚ ФУТОВ‰МЛı ЛТ-
                                                           2. йЕфЦЦ йиалДзаЦ киб
                      ТОВ‰У‚‡МЛИ ТУТЪ‡‚‡ Л
                      ‰ЛМ‡ПЛНЛ киб, ‚˚ФУО-                 2.1. 凄МЛЪМУВ ФУОВ бВПОЛ
                      МВММ˚ı М‡ ЛТНЫТТЪ‚ВМ-                   Магнитное поле Земли – диполь, ось которого
                      М˚ı ТФЫЪМЛН‡ı бВПОЛ Л                составляет с осью вращения Земли угол 11°, не про-
                                                           ходит через геометрический центр вращения Зем-
                      У ·ЛЪ‡О¸М˚ı ТЪ‡МˆЛflı.                ли, а сдвинута на 342 км в сторону, противополож-
© Й‡О¸ФВ Д.е., 1999




                                                           ную восточной оконечности Бразилии. Полярность
                                                           магнитного поля Земли противоположна географи-
                                                           ческой. Северный магнитный полюс расположен на
                                                           юге, в Антарктиде, а Южный – на севере, в Канаде.
                                                           Так, Москва, расположенная на 56° северной геогра-
                                                           фической широты, имеет южную магнитную широту
                                                           51°. Магнитный момент Земли M = 8,1 ⋅ 1025 Гс ⋅ см3,
                                                           и средняя напряженность магнитного поля на


                                                    ЙДгъиЦк Д.е. кДСаДсайззхв ийьл бЦега                          75


     поверхности Земли составляет ∼ 0,4 Гс. Общеприз-                    поля и выразить в относительных единицах L =
     нанной теории происхождения магнитного поля                         = rэкв / rЗ , где rэкв – расстояние от экваториальной
     Земли до сих пор нет. Среди имеющихся гипотез на-                   точки до центра диполя, а rЗ – радиус Земли. Так,
     иболее правдоподобны две: поле вызвано вращаю-                      магнитная силовая линия с параметром L = 1 имеет
     щимся железным ядром Земли или гигантским эле-                      экваториальную точку на поверхности Земли.
     ктрическим током, опоясывающим Землю на                                 Положение любой точки в магнитосфере Земли
     большом расстоянии от центра Земли.                                 может быть обозначено как трехмерными географи-
         Наклон и смещение оси диполя по отношению к                     ческими координатами, так и магнитной системой
     оси вращения, а также величина магнитного мо-                       координат. Обычно для описания движения заря-
     мента определяют лишь общую картину магнитно-                       женных частиц используют магнитную координат-
     го поля Земли. На малых расстояниях от Земли поле                   ную систему (L, B ), называемую системой координат
     несколько искажается под влиянием магнитных                         Мак-Илвайна по имени предложившего ее ученого.
     аномалий: Бразильской, Южноатлантической, Се-
     верной и др. На расстояниях же более 6–7 радиусов                   2.2. С‚ЛКВМЛВ ˜‡ТЪЛˆ ‚ П‡„МЛЪМУП ФУОВ бВПОЛ
     Земли оно существенно искажено солнечным вет-                          1. Если в магнитном поле скорость заряженной
     ром (магнитным полем, вмороженным в плазму                          частицы направлена под некотором углом θ (так на-
     солнечного ветра). На рис. 1 представлена картина                   зываемый питч-угол) к направлению магнитной
     пространства, занимаемого магнитным полем Зем-                      силовой линии, где находится частица, то вектор ee
     ли и называемого магнитосферой. Магнитосфера                        скорости можно разложить на две составляющие:
     сильно сплюснута со стороны Солнца и очень вытя-                    по касательной к магнитной силовой линии и пер-
     нута с противоположной (то есть ночной). “Хвост”                    пендикулярно к ней. Движение такой частицы мо-
     земной магнитосферы простирается до траектории                      жет быть представлено как ларморовское вращение
     Луны. Именно в вытянутой части магнитосферы                         вокруг магнитной силовой линии (центр вращения
     иногда случаются разрывы магнитных силовых ли-                      частицы в магнитном поле называют ведущим цент-
     ний, и через них солнечный ветер прорывается                        ром) и поступательное (движение центра вращения
     внутрь магнитосферы.                                                вдоль магнитной силовой линии). В результате сло-
        На расстояниях менее 6–7 радиусов Земли маг-                     жения этих составляющих частица движется по
     нитное поле можно считать почти дипольным, сфе-                     спиральной траектории, навиваясь на магнитные
     рически симметричным и не зависящим от долго-                       силовые линии, и, если эти магнитные линии замк-
     ты. Тогда напряженность магнитного поля в любой                     нутые, возникает обычный эффект магнитного удер-
     точке пространства определяется как                                 жания (рис. 2).
                                                                            Радиус вращения RЛ вокруг силовой линии,
                                M
                 B ( λ м, r ) = ---- 1 + 3sin λ м .                      обычно называемый ларморовским, определяется
                                             2
                                   -
                                   3
                                                                   (1)
                                r                                        из равенства центробежной силы и силы Лоренца.
                                                                         Период обращения TЛ составляет
     В плоском двумерном приближении каждая точка
     может быть определена магнитной силовой линией,                                     2πR Л 2πR Л                          mc
                                                                                   T Л = ------------ = -------------- = 2π ---------
                                                                                                    -                -              -,   (2)
     на которой она находится, и углом λм , то есть маг-                                     υ⊥         υ sin θ             ZeB
     нитной широтой. При этом саму магнитную сило-
     вую линию можно “пометить” расстоянием между                        где m – масса частицы, c – скорость света, Ze – за-
     экваториальной точкой этой линии и центром ди-                      ряд частицы, а υ⊥ – составляющая скорости, пер-
                                                                         пендикулярная к магнитному полю.
                                                                             Мы полагаем магнитное поле достаточно одно-
           а                                б                            родным и стабильным: его изменения в пространст-
                                        Фронт ударной волны
                                                                            ∂B                  ∂B
                                                                         ве ------ и во времени ------ очень малы на протяжении
                                                                             ∂r                  ∂t
                                                                         ларморовского радиуса и одного периода обраще-
                    Солнечный ветер




                                           Радиация полярных сияний      ния, из-за чего выполняются условия
          S
                                                Нейтральный слой                                      ∂B
                                                                                                  R Л ------      B,                     (3)
          N                                                                                            ∂r
                                          Захваченная радиация
                                                                                                      ∂B
                                                                                                  T Л ------      B.                     (4)
                                                                                                       ∂t
                                         Граница магнитосферы            Ограничения (3) и (4) удовлетворяют условиям адиа-
                                                                         батичности. При их выполнении задача о движении
        Рис. 1. а – дипольное магнитное поле, б – магнит-
                                                                         заряженной частицы в магнитном поле решается
        ное поле Земли, трансформированное потоком                       просто, а величины RЛ и TЛ определяются достаточ-
        солнечного ветра (меридиональная плоскость)                      но точно. Например, для электрона и протона с


76                                                                          лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹6, 1999


   а        S                                                  протонов с энергией 10 МэВ периоды колебаний
                                                               между парой зеркальных точек РПЗ составляют се-
                                                               кунду и десятую долю секунды соответственно.
                                                                  Помимо этих двух видов движения захваченной
                                           →                   частицы существует и третий. В дипольном магнит-
                                           v
                                                               ном поле нельзя полностью выполнить условие ади-
                                                               абатичности (3), особенно для захваченных частиц с
                      λм                       θ               высокими энергиями. Действительно, когда частица
                            r         v⊥                       совершает один оборот вокруг магнитной силовой
                                                   v||
                                                               линии, она пересекает области с разной напряжен-
                                                               ностью магнитного поля: оно больше на внутренней
                                                               части ларморовской окружности, чем на внешней.
                                                               Следовательно, и ларморовский радиус меньше на
            N                                                  внутренней части, чем на внешней. По этой причине
   б                                                           частица, совершив полный оборот, промахивается
                                                               мимо исходной точки, так что ведущий центр сме-
            S                                                  щается к западу в случае положительного заряда час-
                                                               тицы или к востоку в случае отрицательного. Смеще-
                                                               ние будет происходить и на последующих витках. Так
                                                               возникает третий вид движения – долготный дрейф.
                                                               Частица оборачивается вокруг Земли именно из-за
                                 RЗ                      RЛ    долготного дрейфа: период обращения обратно про-
                                                               порционален энергии частицы. Для электронов и
                                                         ё     протонов с энергией ∼10 МэВ этот период равен при-
                                                               близительно двум минутам и нескольким десяткам
                                                               секунд соответственно.
            N                                                     2. При движении заряженной частицы в диполь-
                                                               ном магнитном поле возникают два так называемых
                                                               адиабатических инварианта движения.
   Рис. 2. а – разложение вектора скорости на две                 Первый инвариант. Ларморовское вращение час-
   составляющие; б – движение частицы между зер-               тицы приводит к сохранению магнитного момента
   кальными точками
                                                               ё = πR Л j Л , где jЛ = ZeωЛ – ток частиц, ωЛ – частота
                                                                      2

                                                               ларморовского вращения и e – заряд частицы. Учи-
энергией 10 МэВ ларморовские радиусы составля-                 тывая (2), получаем выражение
ют соответственно 12,2 и 118 км, а периоды их вра-
щения ∼10− 6 и ∼10− 3 с. Конечно, ларморовский ра-                                     mυ sin θ
                                                                                                 2      2

диус частиц должен быть гораздо меньше радиуса                                  ё = πc --------- -----------
                                                                                               -           -.      (5)
                                                                                         Ze B
Земли. Это нужно для выполнения условий адиаба-
тичности (для чего достаточно соотношения RЛ / RЗ              Если частицы не подвергаются торможению, а поле
   0,1). Есть и еще одно ограничение: RЛ должен                стационарно, то ё ∼ sin2 θ / B ≈ const. Таким образом,
быть достаточно малым, чтобы частица при своем                 ё и есть первый адиабатический инвариант – сохра-
вращении не задевала плотных слоев атмосферы,                  няющаяся величина в процессе движения захвачен-
граница которой находится на высоте ∼100 км.                   ной частицы. В каждый момент времени магнит-
                                                               ный момент направлен по касательной к магнитной
   Рассмотрим теперь поступательное движение.                  силовой линии, следуя за всеми ее изгибами. Ины-
Двигаясь по инерции вдоль магнитной силовой ли-                ми словами, ведущий центр обладает магнитным
нии дипольного поля, частица приближается к Се-                моментом и движется вдоль магнитной силовой ли-
верному или Южному магнитному полюсу, причем
напряженность поля сильно увеличивается. На час-               нии. Поскольку B изменяется вдоль магнитной си-
                                                               ловой линии, то соответственно поменяется и питч-
тицу действует сила F || = ( Ze ⁄ c ) [ υ ⊥ B r ], нарастаю-   угол. При некотором значении напряженности маг-
щая по мере приближения к полюсу (Br – радиаль-                нитного поля sin θ станет равным единице. Значит, в
ная составляющая магнитного поля). Она замедляет               соответствующей точке скорость частицы υ пер-
поступательное движение частицы к полюсу до
полной остановки, после чего заставляет частицу                пендикулярна к B и дальнейшее продвижение
двигаться с ускорением к противоположному полю-                вдоль силовой линии к полюсу прекращается. Это и
су. Точку, где движение частицы вдоль магнитной                есть математическое определение зеркальной точ-
силовой линии изменяет направление на обратное,                ки. После остановки в зеркальной точке тотчас же
называют зеркальной точкой. Для электронов и                   начинается обратное спиральное движение частицы


ЙДгъиЦк Д.е. кДСаДсайззхв ийьл бЦега                                                                                     77


     к противоположному полюсу. Из выражения (5)
     следует, что если на магнитном экваторе частица
     имела питч-угол определенной величины, то ему
     соответствует значение поля BЗ , при котором про-
     изойдет зеркальное отражение. Используя выраже-
     ния (1) и (2), можно установить, на какой географи-
     ческой широте поле становится равным расчетной
     величине BЗ .
         В стационарных условиях осцилляции могли бы
     продолжаться бесконечно, но захваченные частицы
     непрерывно растрачивают энергию на ионизацию
     остаточной атмосферы, синхротронное излучение
     (электроны) и на рассеяние на электромагнитных
     волнах. Все это приводит к потере скорости и изме-           Рис. 3. Меридиональное сечение радиационно-
     нению питч-угла частиц, что сильно влияет на усло-           го пояса Земли. Оболочки L = 1–3 – внутренняя
     вия их движения. Особенно критичной оказывается              часть пояса; L = 3,5–7 – внешняя часть; L = 1,2–
                                                                  1,5 – стабильный пояс высокоэнергетичных эле-
     высота зеркальных точек. Если она выше условной              ктронов (см. раздел 3.1); L ∼ 2 – стабильный пояс
     верхней границы атмосферы, то ионизационные                  ядер аномальной компоненты космических лучей
     потери пренебрежимо малы и число осцилляций                  (см. раздел 3.2); L ∼ 2,6 – квазистабильный пояс
     велико. Если при долготном дрейфе зеркальные                 (см. раздел 3.3)
     точки нигде не опускаются ниже 100 км, то частица
     обойдет Землю без каких-либо последствий. Для             вогнутость зависят уже от реальной конфигурации
     частиц с нулевым питч-углом на магнитном эквато-          дипольного магнитного поля Земли. Пояс для кон-
     ре зеркальных точек нет: они проникают в плотные          кретной частицы имеет толщину, определяемую ее
     слои атмосферы, достигают поверхности Земли, где          ларморовским радиусом. Захваченные частицы от-
     погибают.                                                 личаются импульсами, питч-углами и т.п. и каждая
         Второй адиабатический инвариант (долготный).          имеет свой пояс. Все вместе они образуют РПЗ.
     Интеграл действия J при осцилляциях между север-
     ной Зс и южной Зю зеркальными точками                     2.3. и УТЪ ‡МТЪ‚ВММУВ Л ˝МВ „ВЪЛ˜ВТНУВ
                                    Зс                               ‡ТФ В‰ВОВМЛfl Б‡ı‚‡˜ВММ˚ı ˜‡ТЪЛˆ
                                                                    ‚ ‡‰Л‡ˆЛУММУП ФУflТВ бВПОЛ
                          J=        ∫ p ds ,
                                         ||
                                                                  В магнитном поле Земли одна и та же оболочка
                                    Зю
                                                               на разных долготах отстоит на различном расстоя-
     где p|| = pcosθ – составляющая импульса вдоль маг-        нии от поверхности Земли из-за несовпадения оси
     нитной силовой линии, а ds – элемент пути. Учиты-         вращения с осью магнитного поля. Этот эффект
     вая, что в зеркальной точке sin2 θ = 1/BЗ , находим,      наиболее заметен над Бразильской магнитной ано-
                                                               малией, где магнитные силовые линии опускаются
     что p || = p 1 – B ⁄ B З . В магнитном поле p = const и   и движущиеся по ним захваченные частицы риску-
                           Зс                                  ют оказаться ниже высоты 100 км и погибнуть в ат-
                                                               мосфере Земли.
                     J=p   ∫        1 – B ⁄ B З ds.
                                                                  Распределение электронов и протонов внутри
                           Зю
                                                               пояса неодинаково. В частности, из рис. 4 видно,
     Введем величину                                           что протоны располагаются во внутренней части
                               Зс
                                                               пояса, а электроны – во внешней. Поэтому при от-
                        J                                      крытии и на раннем этапе исследования радиаци-
                    I = -- =
                        p
                         -      ∫    1 – B ⁄ B З ds.           онного пояса считалось, что поясов два: внутрен-
                                                               ний – протонный и внешний – электронный.
                               Зю

     Если за время каждой осцилляции частицы между
                                                               2.4. и Л У‰‡ ˜‡ТЪЛˆ      ‡‰Л‡ˆЛУММУ„У ФУflТ‡
     двумя зеркальными точками значение I сохраняет-
     ся и частица совершает при этом долготный дрейф,             Самый существенный механизм генерации час-
     то можно считать, что она все время находится на          тиц, заполняющих РПЗ, – это распад альбедных
     вполне определенных силовых линиях. Совокуп-              нейтронов. Нейтроны образуются при взаимодей-
     ность этих силовых линий составляет поверхность           ствии космического излучения с атмосферой. Поток
     (рис. 3) и называется оболочкой. Оболочка напоми-         нейтронов по направлению от Земли (нейтроны аль-
     нает замкнутый выпуклый пояс, где верхний и ниж-          бедо) беспрепятственно проходит сквозь ее магнит-
     ний края – это множество широт расположения               ное поле. Однако они нестабильны и распадаются на
     зеркальных точек. Края пояса, его выпуклость или          протоны, электроны и электронное антинейтрино.


78                                                                лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹6, 1999


N, част ⋅ см−2 ⋅ с−1                                                         РПЗ или высокоэнергичные радиоактивные аль-
                                 Ee > 40 кэВ
108                                                                          бедные ядра претерпевают распад внутри зоны за-
                           Ee > 150 кэВ
                                                                             хвата и пополняют радиационный пояс электрона-
                                                                             ми и позитронами.
106                         Ee > 1 МэВ                                          Во время сильных магнитных бурь частицы не
                                                                             только ускоряются, но и высыпаются из пояса. Дело
                                                                             в том, что изменения конфигурации магнитного
                                                                             поля могут погрузить зеркальные точки в атмосфе-
104                                                                          ру и частицы, теряя энергию (рассеяние, ионизаци-
                    Eр > 1 МэВ
                                                                             онные потери), изменяют питч-углы и гибнут в
                                                       Протоны
                  Eр > 10 МэВ                          Электроны с дневной   верхних слоях магнитосферы.
                                                       стороны Земли
102            Eр > 30 МэВ
                                                       Электроны с ночной       РПЗ окружен так называемым плазменным сло-
           Eр > 100 МэВ
                                                       стороны Земли         ем (захваченные потоки электронов и протонов
         Ee > 20 МэВ
        2     3        4      5    6           7   8     9                   (ионов) c плотностью ∼1 см−3 и энергией до 1 кэВ)
                           R, ед. L                                          (рис. 1). Одной из причин возникновения северных
                                                                             (полярных) сияний является высыпание частиц из
   Рис. 4. Потоки электронов и протонов различных                            плазменного слоя и частично из внешнего РПЗ. Яв-
   энергий в плоскости геомагнитного экватора. R –                           ление “северные сияния” – это излучение атомов
   расстояние от центра Земли, выраженное в радиу-
   сах Земли. Стабильный пояс электронов с Ee >                              атмосферы, возбуждаемых в результате столкнове-
   > 20 МэВ выделен жирной линией (см. раздел 3.1)                           ний с частицами, высыпающимися из пояса.

В зависимости от напряженности магнитного поля                               3. кЦбмгънДнх аллгЦСйЗДзаь
в точке распада нейтрона и питч-углов электронов и                              кДСаДсайззйЙй ийьлД бЦега
протонов они будут захвачены или же покинут РПЗ.                                Практически все результаты исследований РПЗ,
Нейтроны альбедо снабжают радиационный пояс                                  позволившие создать основополагающую физичес-
протонами с энергией до 103 МэВ и электронами с                              кую картину этого явления, были получены в 1960–
энергией до нескольких МэВ.                                                  1970 годах. Новейшие исследования с использова-
    Второй механизм – радиальная диффузия.                                   нием межпланетных кораблей, орбитальных стан-
Плазма солнечного ветра, обтекая магнитосферу,                               ций и научной аппаратуры нового поколения позво-
врывается в магнитное поле Земли со стороны хво-                             лили получить очень важные новые данные о РПЗ.
ста магнитосферы, и заряженные частицы, оказав-
шись на магнитной силовой линии, захватываются                               3.1. й·М‡ ЫКВМЛВ ТЪ‡ˆЛУМ‡ МУ„У ФУflТ‡
и участвуют во всех трех описанных выше движени-                                  ˝ОВНЪ УМУ‚ ‚˚ТУНУИ ˝МВ „ЛЛ
ях. Находясь на определенной силовой линии L, за-                               В начале 80-х годов ученые МИФИ изучали по-
хваченная частица имеет соответствующую энер-                                токи высокоэнергичных электронов в ближайшей
гию E, причем EL3 = const. Действительно, из                                 окрестности Земли с помощью аппаратуры, уста-
выражения (5) следует, что ё ∼ (E/B) ∼ const. Учиты-                         новленной на орбитальной станции “Салют-6”. Ап-
вая, что B ∼ r −3 ∼ L −3, получаем EL3 = const. При рез-                     паратура позволяла с высокой эффективностью вы-
ком изменении давления солнечного ветра магнит-                              делять потоки электронов и позитронов с энергией
ное поле может сильно измениться даже за один                                более 40 МэВ [3]. Орбита станции “Салют-6” (вы-
оборот частицы вокруг земного шара. Тогда второе                             сота 350–400 км, наклонение 52°) в основном про-
условие адиабатичности (4) нарушается и частица                              ходила ниже радиационного пояса Земли, но в райо-
переходит на оболочку с меньшим L. Происходит                                не Бразильской магнитной аномалии она задевала
увеличение энергии за счет изменения магнитного                              внутреннюю часть РПЗ. И именно, при пересечении
поля. Это сравнительно медленный процесс уско-                               станцией Бразильской аномалии были обнаружены
рения, однако он дополнительно обеспечивает ра-                              стационарные потоки высокоэнергичных электро-
диационный пояс протонами и электронами до                                   нов (рис. 3). До этого эксперимента в РПЗ были за-
энергии ∼30 МэВ. Внешняя часть РПЗ в основном и                              регистрированы лишь электроны с энергией не бо-
формируется этим механизмом, и поскольку этот                                лее 5 МэВ (в соответствии с альбедным механизмом
источник зависит от магнитных возмущений, то                                 возникновения).
внешний электронный пояс достаточно динамич-                                    Последующие измерения группа МИФИ прове-
ный и изменяемый в отличие от внутренней части.                              ла на искусственных спутниках Земли серии “Ме-
    Есть еще несколько механизмов накачки пояса                              теор-3” (высота круговых орбит 800 и 1200 км).
высокоэнергичными частицами. Например, аль-                                  Прибор глубоко внедрился в радиационный пояс и
бедные атмосферные электроны и протоны, воз-                                 подтвердил результаты, полученные на станции “Са-
никшие в результате взаимодействия первичных                                 лют-6”, – существование стабильного пояса высо-
протонов с ядрами в верхней атмосфере, рассеива-                             коэнергичных электронов. Затем группа МИФИ
ются на остаточной атмосфере и захватываются в                               получила еще более важный результат с помощью


ЙДгъиЦк Д.е. кДСаДсайззхв ийьл бЦега                                                                                              79


     магнитных спектрометров, установленных на стан-       зарядовый состав квазистационарного пояса и из-
     циях “Салют-7” и “Мир”. Было доказано, что ста-       мерен энергетический спектр частиц.
     бильный пояс состоит только из электронов (без
                                                               В связи с образованием квазистационарного поя-
     позитронов) высокой энергии (до 200 МэВ). Это оз-
                                                           са солнечного происхождения напомним, что в 60-х
     начает, что в магнитосфере Земли реализуется весь-
                                                           годах в результате взрывов ядерных устройств в кос-
     ма эффективный ускорительный механизм (одной
                                                           мосе образовался квазистационарный пояс из элек-
     только радиальной диффузией наблюдаемое уско-
                                                           тронов малых энергий, просуществовавший около
     рение объяснить нельзя) [4]. В настоящее время из-
                                                           10 лет. Источником заряженных частиц был распад
     мерения на станции “Мир”' продолжаются.
                                                           радиоактивных осколков деления.
     3.2. й·М‡ ЫКВМЛВ ТЪ‡ˆЛУМ‡ МУ„У ФУflТ‡
          fl‰В CNO                                          3.4. лВИТПУП‡„МЛЪУТЩВ М˚В Т‚flБЛ

        В конце 80-х – начале 90-х годов группа ученых        Детальное изучение изменений потоков высо-
     НИЯФ МГУ поставила эксперимент по исследова-          коэнергичных захваченных частиц, проведенное
     нию ядер, находящихся в ближайшем космическом         МИФИ на орбитальных станциях “Салют-6”,
     пространстве. Измерения проводились на ИСЗ се-        “Мир” и ИСЗ “Метеор”, привело к обнаружению
     рии “Космос” с использованием ядерных фото-           нового явления природы, связанного с воздействи-
     эмульсий и пропорциональных камер. Были обнару-       ем сейсмической активности Земли на внутреннюю
     жены потоки ядер O, N и Ne в области космического     границу радиационного пояса, – сейсмомагнито-
     пространства, где орбита искусственного спутника      сферной связи [7]. Физическое объяснение этого
     (H ∼ 400–500 км, наклонение 52°) пересекала Бра-      явления сводится к следующему. Из эпицентра
     зильскую аномалию. Анализ показал, что эти ядра с     предстоящего землетрясения испускается электро-
     энергией до нескольких десятков МэВ/нуклон не         магнитное излучение, возникающее из-за механи-
     могли быть ни альбедными, ни галактическими, ни       ческих перемещений подземных пород (трения,
     солнечного происхождения, так как с такой энерги-     растрескивания, пьезоэффекта и т.п.). Частотный
     ей никак не могли бы столь глубоко внедриться в       спектр излучения довольно широкий. Однако до-
     магнитосферу Земли. Это захваченная магнитным         стигнуть РПЗ, пройдя практически без потерь
     полем так называемая аномальная компонента кос-       сквозь земную кору и атмосферу, может только из-
     мических лучей (рис. 3). Малоэнергичные атомы         лучение в диапазоне частот ∼0,1–10 Гц. Достигнув
     межзвездной материи проникают в гелиосферу.           нижней границы РПЗ, электромагнитное излуче-
     Ультрафиолетовое излучение Солнца может одно-         ние взаимодействует с захваченными электронами
     кратно – и реже двукратно – ионизировать атомы.       и протонами. Активно участвуют во взаимодейст-
     Образовавшиеся заряженные частицы ускоряются          вии частицы, привязанные к тем магнитным сило-
     на ударных фронтах солнечного ветра до несколь-       вым линиям (точнее, к трубкам из линий), которые
     ких десятков МэВ/нуклон и проникают в глубь маг-      проходят через эпицентр предстоящего землетрясе-
     нитосферы, где полностью ионизуются и захваты-        ния. Если частота осцилляций частиц между зеркаль-
     ваются.                                               ными точками совпадет с частотой сейсмического
                                                           электромагнитного излучения (СЭМИ), взаимодей-
                                                           ствие приобретет квазирезонансный характер, про-
     3.3. 䂇БЛТЪ‡ˆЛУМ‡ М˚И ФУflТ
                                                           являющийся в изменении питч-углов захваченных
          ˝ОВНЪ УМУ‚ Л Ф УЪУМУ‚
                                                           частиц. Если в зеркальной точке питч-угол частицы
         22 марта 1991 года на Солнце произошла мощ-       станет отличным от 90°, это неизбежно вызовет
     ная вспышка, сопровождавшаяся выбросом боль-          снижение зеркальной точки, сопровождаемое вы-
     шой массы солнечного вещества. К 24 марта веще-       сыпанием частиц из радиационного пояса (рис. 5).
     ство достигло магнитосферы и трансформировало         Из-за долготного дрейфа захваченных частиц волна
     ее внешнюю область. Энергичные частицы солнеч-        высыпания (то есть уход частиц вниз) огибает Землю,
     ного ветра ворвались в магнитосферу и достигли        и вдоль магнитной широты, на которой расположен
     оболочки L ∼ 2,6, на которой в то время находился     эпицентр предстоящего землетрясения, образуется
     американский спутник “CRESS” (высота орбиты в         кольцо высыпания. Кольцо может просуществовать
     апогее ∼33,6 тыс. км, в перигее 323 км, наклонение    15–20 мин, пока все частицы не погибнут в атмо-
     18°) [6]. Приборы, установленные на этом спутни-      сфере. Космический аппарат на орбите, проходя-
     ке, зарегистрировали резкое возрастание потоков       щей под радиационным поясом, зарегистрирует
     электронов с энергией ∼15 МэВ и протонов с энерги-    всплеск высыпающихся частиц, когда будет пересе-
     ей 20–110 МэВ, свидетельствующее об образовании       кать широту эпицентра предстоящего землетрясе-
     нового пояса на L = 2,6 (рис. 3). Квазистационарный   ния. Анализ энергетического и временного распре-
     пояс сначала наблюдали на различных космических       делений частиц в зарегистрированных всплесках
     аппаратах, но только на станции “Мир” в течение       позволяет определить место и время прогнозируе-
     почти всего двухлетнего срока жизни. С помощью        мого землетрясения (рис. 5). Обнаружение связи
     магнитного спектрометра МИФИ был определен            между сейсмическими процессами и поведением


80                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹6, 1999


    а                                                  захваченных частиц в магнитосфере Земли легло в
                                                       основу разрабатываемого в настоящее время нового
                                            1          метода оперативного прогноза землетрясений.
         2

                                                       4. бДдгыуЦзаЦ

                                                          В последнее время значительные усилия направ-
                                                       лены на уточнение математических моделей РПЗ,
                                                       позволяющих прогнозировать потоки частиц, ради-
                                                       ационные дозы с учетом солнечной активности. Но
                                                       наряду с этим продолжаются и прямые экспери-
                                                       ментальные и теоретические исследования РПЗ,
3                                                      представляющие большой научный и практический
                                                       интерес.

                                                       ганЦкДнмкД
                                                          1. Вернов С.Н., Чудаков А.Е. // Успехи физ. наук. 1960.
                                                          Т. 70, вып. 3. С. 585.
    б
                                                          2. Ван-Аллен Дж.А. // Там же. С. 715.
                                           1              3. Гальпер А.М., Грачев В.М., Дмитриенко В.В. и др. //
         2                                                Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 38. С. 409.
                                                          4. Воронов С.А., Гальпер А.М., Дмитриенко В.В. и др.
                                                          Ядерная физика, космическое излучение, астроно-
                                                          мия. М.: ГНТП, МГУ, 1994. С. 23.
                                                          5. Borovskaeya V., Grigorov N.L., Kondratyeva M.A. et al. //
                                                          Proc. 23rd Intern. Cosmic Ray Conf. Calgary (Canada),
               5                                          1993. Vol. 3. P. 432.
                               7
                                                          6. Blake J.B., Kolasinski W.A., Fillius R.W., Mullen E.G. //
                                                          Geophys. Res. Lett. 1992. № 19. Р. 821.
3                                      6
                                                          7. Гальпер А.М. Землетрясения: Прогноз из Космоса? //
                                                          Наука в России. 1994. Вып. 1. С. 39.


    4                                                                              * * *
                                                          Аркадий Моисеевич Гальпер, доктор физико-
                                                       математических наук, профессор кафедры микро-
    Рис. 5. а – стационарная траектория заряженной     и космофизики МИФИ, член-корреспондент Акаде-
    частицы в радиационном поясе: 1 – геомагнитное
    поле, 2 – траектория частицы, 3 – нижняя граница   мии космонавтики им. К.Э. Циолковского, заслу-
    радиационного пояса; б – высыпания частиц из       женный деятель науки РФ. Член экспертного совета
    СЭМИ радиационного пояса после взаимодейст-        по физике Министерства общего и профессиональ-
    вия с ЭМИ сейсмического происхождения: 1 – гео-    ного образования РФ. Область научных интересов –
    магнитное поле, 2 – траектория частицы, 3 – ниж-
    няя граница радиационного пояса, 4 – очаг земле-   физика космических лучей, гамма-астрономия,
    трясения, 5 – электромагнитное излучение, 6 –      экспериментальные методы регистрации элемен-
    высыпающиеся частицы, 7 – траектория спутника      тарных частиц. Автор более 200 научных статей.




ЙДгъиЦк Д.е. кДСаДсайззхв ийьл бЦега                                                                                     81



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика