Cinturón de radiación de Van Allen. Se nombran las razones del exitoso vuelo de los astronautas a través del cinturón de radiación terrestre.

El cinturón de radiación de la Tierra

Otro nombre (normalmente en la literatura occidental) es “cinturón de radiación de Van Allen”.

Dentro de la magnetosfera, como en cualquier campo dipolar, existen zonas inaccesibles a las partículas con energía cinética. mi, menos que crítico. Las mismas partículas con energía. mi < mi kr, que ya están allí, no pueden abandonar estas zonas. Estas regiones prohibidas de la magnetosfera se denominan zonas de captura. En las zonas de captura del campo dipolo (cuasi-dipolo) de la Tierra, de hecho se retienen importantes flujos de partículas capturadas (principalmente protones y electrones).

El cinturón de radiación de la Tierra (interior) fue predicho por los científicos soviéticos S.N. Vernov y A.E. Chudakov, así como por el científico estadounidense James Van Allen. La existencia del cinturón de radiación quedó demostrada por mediciones realizadas en el Sputnik 2, lanzado en 1957, y también en el Explorer 1, lanzado en 1958. En una primera aproximación, el cinturón de radiación es un toroide, en el que se distinguen dos regiones:

• un cinturón de radiación interior a una altitud de ≈ 4.000 km, formado predominantemente por protones con energías del orden de decenas de MeV;
• Cinturón de radiación exterior a una altitud de ≈ 17.000 km, formado predominantemente por electrones con energías del orden de decenas de keV.

La altura del límite inferior del cinturón de radiación varía en la misma latitud geográfica en longitud debido a la inclinación del eje del campo magnético de la Tierra con respecto al eje de rotación de la Tierra, y en la misma longitud geográfica cambia en latitud debido a la propia forma del cinturón de radiación, debido a la diferente altura de las líneas del campo magnético de la Tierra. Por ejemplo, sobre el Atlántico, el aumento de la intensidad de la radiación comienza a una altitud de 500 km y sobre Indonesia, a una altitud de 1300 km. Si se trazan los mismos gráficos en función de la inducción magnética, entonces todas las mediciones encajarán en una curva, lo que una vez más confirma la naturaleza magnética de la captura de partículas.

Entre los cinturones de radiación interior y exterior existe un espacio situado en el rango de 2 a 3 radios terrestres. Los flujos de partículas en el cinturón exterior son mayores que en el interior. La composición de las partículas también es diferente: en el cinturón interior hay protones y electrones, en el cinturón exterior hay electrones. El uso de detectores sin blindaje ha ampliado significativamente la información sobre los cinturones de radiación. Se descubrieron electrones y protones con energías de varias decenas y cientos de kiloelectronvoltios, respectivamente. Estas partículas tienen una distribución espacial significativamente diferente (en comparación con las partículas penetrantes).

La intensidad máxima de los protones de baja energía se encuentra a una distancia de aproximadamente 3 radios terrestres de su centro. Los electrones de baja energía llenan toda la región de captura. Para ellos no existe división en cinturones internos y externos. Es inusual clasificar partículas con energías de decenas de keV como rayos cósmicos, pero los cinturones de radiación son un fenómeno único y deben estudiarse junto con partículas de todas las energías.

El flujo de protones en el cinturón interior es bastante estable en el tiempo. Los primeros experimentos demostraron que los electrones de alta energía ( mi> 1-5 MeV) se concentran en el cinturón exterior. Los electrones con energías inferiores a 1 MeV llenan casi toda la magnetosfera. El cinturón interior es muy estable, mientras que el exterior experimenta fuertes fluctuaciones.

Cinturones de radiación de planetas.

Debido a la presencia de un fuerte campo magnético, los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) también tienen fuertes cinturones de radiación, que recuerdan al cinturón de radiación exterior.

Como ya se mencionó, tan pronto como los estadounidenses comenzaron su programa espacial, su científico James Van Allen hizo un descubrimiento bastante importante. El primer satélite artificial estadounidense que pusieron en órbita era mucho más pequeño que el soviético, pero Van Allen pensó en colocarle un contador Geiger. Así, se confirmó oficialmente lo expresado a finales del siglo XIX. El destacado científico Nikola Tesla planteó la hipótesis de que la Tierra está rodeada por un cinturón de intensa radiación.

Fotografía de la Tierra por el astronauta William Anders

durante la misión Apolo 8 (archivos de la NASA)

Tesla, sin embargo, era considerado un gran excéntrico, e incluso un loco por la ciencia académica, por lo que sus hipótesis sobre la gigantesca carga eléctrica generada por el Sol quedaron archivadas durante mucho tiempo, y el término “viento solar” no provocó más que sonrisas. . Pero gracias a Van Allen, las teorías de Tesla revivieron. A instancias de Van Allen y otros investigadores, se estableció que los cinturones de radiación en el espacio comienzan a 800 km sobre la superficie de la Tierra y se extienden hasta 24.000 km. Dado que el nivel de radiación es más o menos constante, la radiación entrante debería ser aproximadamente igual a la radiación saliente. De lo contrario, se acumularía hasta “cocer” la Tierra, como en un horno, o se secaría. En esta ocasión, Van Allen escribió: “Los cinturones de radiación se pueden comparar con un recipiente con fugas, que se repone constantemente desde el Sol y fluye hacia la atmósfera. Una gran parte de las partículas solares desborda el barco y salpica, especialmente en las zonas polares, lo que provoca auroras polares, tormentas magnéticas y otros fenómenos similares”.

La radiación de los cinturones de Van Allen depende del viento solar. Además, parecen enfocar o concentrar esta radiación dentro de sí mismos. Pero como sólo pueden concentrar en sí mismos lo que proviene directamente del Sol, queda abierta una pregunta más: ¿cuánta radiación hay en el resto del cosmos?

Órbitas de partículas atmosféricas en la exosfera.(dic.academic.ru)

La Luna no tiene cinturones de Van Allen. Ella tampoco tiene atmósfera protectora. Está abierto a todos los vientos solares. Si durante la expedición lunar se hubiera producido una fuerte erupción solar, un colosal flujo de radiación habría incinerado tanto a las cápsulas como a los astronautas en la parte de la superficie lunar donde pasaban el día. Esta radiación no sólo es peligrosa: ¡es mortal!

En 1963, los científicos soviéticos le dijeron al renombrado astrónomo británico Bernard Lovell que no conocían una manera de proteger a los astronautas de los efectos mortales de la radiación cósmica. Esto significaba que incluso las carcasas metálicas mucho más gruesas de los dispositivos rusos no podían hacer frente a la radiación. ¿Cómo podría el metal más delgado (casi como una lámina) utilizado en las cápsulas estadounidenses proteger a los astronautas? La NASA sabía que esto era imposible. Los monos espaciales murieron menos de 10 días después de regresar, pero la NASA nunca nos ha dicho la verdadera causa de su desaparición.

Mono-astronauta (archivo RGANT)

La mayoría de las personas, incluso aquellas que conocen el espacio, no son conscientes de la existencia de radiación mortal que impregna sus extensiones. Por extraño que parezca (o tal vez sólo por razones que se pueden adivinar), en la "Enciclopedia ilustrada de tecnología espacial" estadounidense la frase "radiación cósmica" no aparece ni una sola vez. Y, en general, los investigadores estadounidenses (especialmente los asociados con la NASA) evitan este tema a kilómetros de distancia.

Mientras tanto, Lovell, después de hablar con colegas rusos que conocían bien la radiación cósmica, envió la información que tenía al administrador de la NASA, Hugh Dryden, pero él la ignoró.

Uno de los astronautas que supuestamente visitó la Luna, Collins, mencionó la radiación cósmica sólo dos veces en su libro:

"Al menos la Luna estaba mucho más allá de los cinturones de Van Allen de la Tierra, lo que significaba una buena dosis de radiación para quienes iban allí y una dosis letal para quienes se quedaban allí".

“Por tanto, los cinturones de radiación de Van Allen que rodean la Tierra y la posibilidad de que se produzcan erupciones solares requieren comprensión y preparación para evitar exponer a la tripulación a mayores dosis de radiación”.

Entonces, ¿qué significa “comprender y preparar”? ¿Significa esto que más allá de los cinturones de Van Allen, el resto del espacio está libre de radiación? ¿O la NASA tenía una estrategia secreta para protegerse de las erupciones solares después de tomar la decisión final sobre la expedición?

La NASA afirmó que podía predecir simplemente las erupciones solares y, por lo tanto, envió astronautas a la Luna cuando no se esperaban erupciones y el peligro de radiación para ellos era mínimo.

Mientras Armstrong y Aldrin trabajaban en el espacio exterior

en la superficie de la luna, Michael Collins

puesto en órbita (archivo de la NASA)

Sin embargo, otros expertos afirman: “Sólo es posible predecir la fecha aproximada de la futura radiación máxima y su densidad”.

Sin embargo, el cosmonauta soviético Leonov viajó al espacio exterior en 1966, aunque con un traje de plomo superpesado. Pero apenas tres años después, los astronautas estadounidenses saltaron a la superficie de la Luna, y no con trajes espaciales superpesados, ¡sino todo lo contrario! ¿Quizás a lo largo de los años los especialistas de la NASA lograron encontrar algún tipo de material ultraligero que proteja de manera confiable contra la radiación?

Sin embargo, los investigadores descubren de repente que al menos los Apolo 10, Apolo 11 y Apolo 12 partieron precisamente durante los períodos en los que el número de manchas solares y la correspondiente actividad solar se acercaban a su máximo. El máximo teórico generalmente aceptado del ciclo solar 20 duró desde diciembre de 1968 hasta diciembre de 1969. Durante este período, las misiones Apolo 8, Apolo 9, Apolo 10, Apolo 11 y Apolo 12 supuestamente se movieron más allá de la zona de protección de los cinturones de Van Allen y entraron en el espacio cislunar.

Un estudio más detallado de los gráficos mensuales mostró que las erupciones solares individuales son un fenómeno aleatorio que ocurre espontáneamente durante un ciclo de 11 años. También sucede que durante el período "bajo" del ciclo se produce una gran cantidad de brotes en un corto período de tiempo, y durante el período "alto", un número muy pequeño. Pero lo importante es que pueden producirse brotes muy fuertes en cualquier momento del ciclo.

Durante la era Apolo, los astronautas estadounidenses pasaron un total de casi 90 días en el espacio. Dado que la radiación de las erupciones solares impredecibles llega a la Tierra o a la Luna en menos de 15 minutos, la única forma de protegerse contra ella sería utilizar contenedores de plomo. Pero si la potencia del cohete era suficiente para levantar semejante peso extra, ¿por qué fue necesario ir al espacio en cápsulas diminutas (literalmente, de 0,1 mm de aluminio) a una presión de 0,34 atmósferas?

Esto a pesar de que incluso una fina capa protectora, llamada “mylar”, según la tripulación del Apolo 11, resultó ser tan pesada que hubo que retirarla urgentemente del módulo lunar.

Parece que la NASA seleccionó tipos especiales para las expediciones lunares, aunque adaptados a las circunstancias, no fabricados de acero, sino de plomo. El investigador estadounidense del problema, Ralph Rene, no fue demasiado vago para calcular con qué frecuencia cada una de las expediciones lunares supuestamente completadas debería haberse visto afectada por la actividad solar.

Por cierto, uno de los empleados autorizados de la NASA (distinguido físico, por cierto) Bill Modlin, en su trabajo "Perspectivas de viajes interestelares", informó con franqueza: "Las llamaradas solares pueden emitir protones GeV en el mismo rango de energía que la mayoría de las partículas cósmicas. pero mucho más intenso. Un peligro particular es el aumento de su energía con una mayor radiación, ya que los protones GeV penetran varios metros de material... Las llamaradas solares (o estelares) con emisión de protones son un peligro muy grave que se produce periódicamente en el espacio interplanetario, lo que proporciona una radiación dosis de cientos de miles de roentgens en unas pocas horas a la distancia del Sol a la Tierra. Esta dosis es letal y millones de veces superior a la permitida. La muerte puede ocurrir después de 500 roentgens en un corto período de tiempo”.

Sí, los valientes estadounidenses tuvieron que brillar peor que la cuarta unidad de potencia de Chernobyl. "Las partículas cósmicas son peligrosas, vienen de todas direcciones y requieren un mínimo de dos metros de protección densa alrededor de cualquier organismo vivo". Pero las cápsulas espaciales que la NASA muestra hasta el día de hoy tenían poco más de 4 m de diámetro. Con el grosor de las paredes recomendado por Modlin, los astronautas, incluso sin ningún equipo, no habrían cabido en ellas, sin mencionar el hecho de que no habría suficiente combustible para levantar tales cápsulas. Pero, obviamente, ni los dirigentes de la NASA ni los astronautas que enviaron a la Luna leyeron los libros de sus colegas y, felizmente sin saberlo, superaron todas las espinas del camino hacia las estrellas.

Sin embargo, ¿tal vez la NASA realmente desarrolló algún tipo de trajes espaciales ultra confiables para ellos, utilizando material ultraligero (obviamente, muy clasificado) que protege contra la radiación? Pero ¿por qué no se utilizó en ningún otro lugar, como dicen, con fines pacíficos? Bueno, está bien, no querían ayudar a la URSS con Chernobyl: después de todo, la perestroika aún no había comenzado. Pero, por ejemplo, en 1979, en los mismos Estados Unidos, se produjo un importante accidente en una unidad de reactor en la central nuclear de Three Mile Island, que provocó la fusión del núcleo del reactor. Entonces, ¿por qué los liquidadores estadounidenses no utilizaron trajes espaciales basados ​​en la tan publicitada tecnología de la NASA, que costaron nada menos que 7 millones de dólares, para eliminar esta bomba atómica de tiempo en su territorio?

El Cinturón de Radiación de la Tierra (ERB), o Cinturón de Van Allen, es una región del espacio exterior más cercano a nuestro planeta, con forma de anillo, en la que hay flujos gigantes de electrones y protones. La Tierra los sostiene con un campo magnético dipolo.

Apertura

RPZ fue descubierto en 1957-58. Científicos de Estados Unidos y la URSS. El Explorer 1 (en la foto de abajo), el primer satélite espacial estadounidense lanzado en 1958, proporcionó datos muy importantes. Gracias a un experimento a bordo realizado por los estadounidenses sobre la superficie de la Tierra (a una altitud de aproximadamente 1000 km), se encontró un cinturón de radiación (interior). Posteriormente se descubrió una segunda zona de este tipo a una altitud de unos 20.000 km. No existe un límite claro entre los cinturones interior y exterior: el primero se convierte gradualmente en el segundo. Estas dos zonas de radiactividad se diferencian por el grado de carga de las partículas y su composición.

Estas áreas se conocieron como los cinturones de Van Allen. James Van Allen es un físico cuyo experimento ayudó a descubrirlos. Los científicos han descubierto que estos cinturones están formados por viento solar y partículas cargadas de rayos cósmicos que son atraídas hacia la Tierra por su campo magnético. Cada uno de ellos forma un toro alrededor de nuestro planeta (una figura que tiene forma de donut).

Desde entonces se han llevado a cabo muchos experimentos en el espacio. Permitieron estudiar las principales características y propiedades del ERP. No sólo nuestro planeta tiene cinturones de radiación. También se encuentran en otros cuerpos celestes que tienen atmósfera y campo magnético. El cinturón de radiación de Van Allen fue descubierto gracias a una nave espacial interplanetaria estadounidense cerca de Marte. Además, los estadounidenses lo encontraron cerca de Saturno y Júpiter.

Campo magnético dipolo

Nuestro planeta no sólo tiene el cinturón de Van Allen, sino también un campo magnético dipolar. Es un conjunto de conchas magnéticas anidadas unas dentro de otras. La estructura de este campo se asemeja a una col o una cebolla. La capa magnética se puede imaginar como una superficie cerrada tejida a partir de líneas de fuerza magnéticas. Cuanto más cerca del centro del dipolo esté la capa, mayor será la intensidad del campo magnético. Además, también aumenta el impulso necesario para que una partícula cargada penetre en él desde el exterior.

Entonces, el enésimo caparazón tiene Pn. En el caso de que el momento inicial de la partícula no exceda Pn, se refleja en el campo magnético. Luego, la partícula regresa al espacio exterior. Sin embargo, también sucede que termina en el enésimo caparazón. En este caso, ya no puede dejarla. La partícula capturada quedará atrapada hasta que se disipe o, al chocar con la atmósfera residual, pierda energía.

En nuestro planeta, la misma capa se encuentra a diferentes distancias de la superficie de la Tierra y en diferentes longitudes. Esto ocurre debido al desajuste del eje del campo magnético con el eje de rotación del planeta. Este efecto es más notable en la anomalía magnética brasileña. En esta región, las líneas del campo magnético descienden y las partículas capturadas que se mueven a lo largo de ellas pueden terminar por debajo de los 100 km de altitud y, por lo tanto, morir en la atmósfera terrestre.

Composición de la RPZ

Dentro del cinturón de radiación, la distribución de protones y electrones es desigual. Los primeros se sitúan en su parte interior, y los segundos en su parte exterior. Por lo tanto, en una etapa temprana de la investigación, los científicos creían que existían cinturones de radiación externos (electrónicos) e internos (protones) de la Tierra. Actualmente, esta opinión ya no es relevante.

El mecanismo más importante para generar partículas que llenan el cinturón de Van Allen es la desintegración de los neutrones del albedo. Cabe señalar que los neutrones se crean cuando la atmósfera interactúa con el flujo de estas partículas que se alejan de nuestro planeta (albedo neutrones) y pasa libremente a través del campo magnético de la Tierra. Sin embargo, son inestables y se desintegran fácilmente en electrones, protones y antineutrinos electrónicos. Los núcleos de albedo radiactivos, que tienen alta energía, se desintegran dentro de la zona de captura. Así es como el cinturón de Van Allen se repone de positrones y electrones.

ERP y tormentas magnéticas

Cuando estas partículas se vuelven fuertes, no sólo se aceleran, sino que abandonan el cinturón radiactivo de Van Allen y se derraman fuera de él. El hecho es que si cambia la configuración del campo magnético, los puntos del espejo pueden sumergirse en la atmósfera. En este caso, las partículas, al perder energía (pérdidas por ionización, dispersión), cambian sus ángulos de paso y luego mueren cuando alcanzan las capas superiores de la magnetosfera.

RPZ y la aurora boreal

El cinturón de radiación de Van Allen está rodeado por una capa de plasma, que es una corriente atrapada de protones (iones) y electrones. Una de las razones de un fenómeno como la aurora boreal (polar) es que las partículas se desprenden de la capa de plasma y también parcialmente del ERB externo. Las auroras boreales son la radiación de los átomos atmosféricos que se excitan debido a las colisiones con partículas que caen del cinturón.

estudio RPZ

Casi todos los resultados de la investigación fundamental sobre formaciones como los cinturones de radiación se obtuvieron alrededor de los años 1960-1970. Observaciones recientes utilizando naves espaciales interplanetarias y los últimos equipos científicos han permitido a los científicos obtener nueva información muy importante. Los cinturones de Van Allen alrededor de la Tierra continúan estudiándose en nuestro tiempo. Hablemos brevemente de los logros más importantes en este ámbito.

Datos recibidos de Salyut-6

Los investigadores del MEPhI estudiaron a principios de los años 80 del siglo pasado el flujo de electrones con altos niveles de energía en las inmediaciones de nuestro planeta. Para ello utilizaron equipos que estaban ubicados en la estación orbital Salyut-6. Esto permitió a los científicos aislar de forma muy eficaz flujos de positrones y electrones cuya energía supera los 40 MeV. La órbita de la estación (inclinación de 52°, altitud de unos 350-400 km) pasaba principalmente por debajo del cinturón de radiación de nuestro planeta. Sin embargo, todavía tocó su parte interior cerca de la anomalía magnética brasileña. Al atravesar esta región se encontraron flujos estacionarios compuestos por electrones de alta energía. Antes de este experimento, en el ERP solo se registraban electrones cuya energía no superaba los 5 MeV.

Datos de satélites artificiales de la serie Meteor-3.

Los investigadores del MEPhI realizaron más mediciones en los satélites artificiales de nuestro planeta de la serie Meteor-3, cuyas órbitas circulares tenían altitudes de 800 y 1200 km. Esta vez el dispositivo penetró muy profundamente en el PRR. Confirmó los resultados obtenidos anteriormente en la estación Salyut-6. Luego, los investigadores obtuvieron otro resultado importante utilizando espectrómetros magnéticos instalados en las estaciones Mir y Salyut-7. Se demostró que el cinturón estable descubierto anteriormente está formado exclusivamente por electrones (sin positrones), cuya energía es muy alta (hasta 200 MeV).

Descubrimiento del cinturón estacionario de núcleos CNO.

Un grupo de investigadores del Instituto de Investigación Científica de Física Nuclear de la Universidad Estatal de Moscú llevó a cabo a finales de los 80 y principios de los 90 del siglo pasado un experimento destinado a estudiar los núcleos ubicados en el espacio exterior cercano. Estas mediciones se llevaron a cabo utilizando cámaras proporcionales y emulsiones fotográficas nucleares. Se llevaron a cabo en satélites de la serie Cosmos. Los científicos han descubierto la presencia de flujos de núcleos de N, O y Ne en una región del espacio exterior en la que la órbita de un satélite artificial (inclinación de 52°, altitud de unos 400-500 km) atravesó la anomalía brasileña.

Como mostró el análisis, estos núcleos, cuya energía alcanzaba varias decenas de MeV/nucleón, no eran de origen galáctico, albedo o solar, ya que con tal energía no podían penetrar profundamente en la magnetosfera de nuestro planeta. Así descubrieron los científicos un componente anómalo de los rayos cósmicos captados por un campo magnético.

Los átomos de baja energía que se encuentran en la materia interestelar pueden penetrar la heliosfera. Luego la radiación ultravioleta del Sol los ioniza una o dos veces. Las partículas cargadas resultantes se aceleran en los frentes de viento solar, alcanzando varias decenas de MeV/nucleón. Luego penetran en la magnetosfera, donde son capturados y completamente ionizados.

Cinturón cuasi estacionario de protones y electrones.

El 22 de marzo de 1991 se produjo una poderosa llamarada en el Sol, que estuvo acompañada de la expulsión de una enorme masa de materia solar. Llegó a la magnetosfera el 24 de marzo y cambió su región exterior. Partículas de viento solar de alta energía irrumpen en la magnetosfera. Llegaron a la zona donde entonces se encontraba CRESS, el satélite estadounidense. Los instrumentos instalados en él registraron un fuerte aumento de protones, cuya energía osciló entre 20 y 110 MeV, así como de potentes electrones (alrededor de 15 MeV). Esto indicó la aparición de un nuevo cinturón. Al principio, el cinturón casi estacionario fue observado desde varias naves espaciales. Sin embargo, sólo en la estación Mir se estudió durante toda su vida útil, que fue de unos dos años.

Por cierto, en los años 60 del siglo pasado, como resultado de la explosión de dispositivos nucleares en el espacio, apareció un cinturón cuasi estacionario formado por electrones de baja energía. Existió durante aproximadamente 10 años. Se desintegraron fragmentos de fisión radiactiva, que fue la fuente de partículas cargadas.

¿Existe una RPZ en la Luna?

El satélite de nuestro planeta no tiene el cinturón de radiación de Van Allen. Además, no tiene atmósfera protectora. La superficie de la Luna está expuesta a los vientos solares. Si fuera fuerte, si ocurriera durante la expedición lunar, incineraría tanto a los astronautas como a las cápsulas, ya que se liberaría un flujo colosal de radiación, que es fatal.

¿Es posible protegerse de la radiación cósmica?

Esta cuestión ha interesado a los científicos desde hace muchos años. Se sabe que, en pequeñas dosis, la radiación prácticamente no tiene ningún efecto sobre nuestra salud. Sin embargo, sólo es seguro si no supera un determinado umbral. ¿Sabes qué nivel de radiación hay fuera del cinturón de Van Allen, en la superficie de nuestro planeta? Normalmente, el contenido de partículas de radón y torio no supera los 100 Bq por 1 m 3. Dentro de la RPZ estas cifras son mucho mayores.

Por supuesto, los cinturones de radiación de la Tierra de Van Allen son muy peligrosos para los humanos. Muchos investigadores han estudiado sus efectos en el organismo. En 1963, los científicos soviéticos dijeron a Bernard Lovell, un famoso astrónomo británico, que no conocían ningún medio para proteger a los humanos de la exposición a la radiación en el espacio. Esto significaba que ni siquiera las gruesas carcasas de los dispositivos soviéticos podían hacer frente a esto. ¿Cómo protegió a los astronautas el fino metal, casi como papel de aluminio, utilizado en las cápsulas estadounidenses?

Según la NASA, sólo envió astronautas a la Luna cuando no se esperaban llamaradas, algo que la organización es capaz de predecir. Esto es lo que permitió reducir al mínimo el peligro de la radiación. Otros expertos, sin embargo, sostienen que sólo es posible predecir de forma aproximada la fecha de las grandes emisiones.

Cinturón de Van Allen y vuelo a la Luna

Leonov, un cosmonauta soviético, viajó al espacio exterior en 1966. Sin embargo, llevaba un traje de plomo muy pesado. Y solo 3 años después, los astronautas de los Estados Unidos saltaban a la superficie lunar, y obviamente no con trajes espaciales pesados. ¿Quizás a lo largo de los años los especialistas de la NASA lograron descubrir un material ultraligero que protege de manera confiable a los astronautas de la radiación? todavía plantea muchas preguntas. Uno de los principales argumentos de quienes creen que los estadounidenses no aterrizaron allí es la existencia de cinturones de radiación.

El comienzo de la astronáutica estuvo marcado por una serie de descubrimientos, uno de los cuales fue el descubrimiento de los cinturones de radiación de la Tierra. El cinturón de radiación interior de la Tierra fue descubierto por el científico estadounidense James van Allen después del vuelo del Explorer 1. El cinturón de radiación exterior de la Tierra fue descubierto por los científicos soviéticos S. N. Vernov y A. E. Chudakov después del vuelo del Sputnik-3 en 1958.

En algunas altitudes, los primeros satélites cayeron en áreas densamente saturadas de partículas cargadas con muy alta energía, muy diferentes de las partículas cósmicas, tanto primarias como secundarias, observadas anteriormente. Después de procesar datos de satélites, quedó claro que estamos hablando de partículas cargadas capturadas por el campo magnético de la Tierra.

Se sabe que cualquier partícula cargada, una vez en un campo magnético, comienza a "envolverse" alrededor de las líneas del campo magnético, moviéndose simultáneamente a lo largo de ellas. Las dimensiones de las vueltas de la espiral resultante dependen de la velocidad inicial de las partículas, su masa, carga y la fuerza del campo magnético terrestre en la región del espacio cercano a la Tierra hacia la que volaron y cambiaron la dirección del movimiento.

El campo magnético de la Tierra no es uniforme. En los polos se “condensa”, se vuelve más denso. Por tanto, una partícula cargada que ha comenzado a moverse en espiral a lo largo de la línea magnética “montada” por ella desde una región cercana al ecuador, a medida que se acerca a cualquier polo, experimenta cada vez más resistencia hasta detenerse. Y luego regresa al ecuador y luego al polo opuesto, desde donde comienza a moverse en la dirección opuesta. La partícula se encuentra, por así decirlo, en una “trampa magnética” gigante del planeta.

Estas regiones de la magnetosfera, donde se acumulan y retienen partículas cargadas de alta energía (principalmente protones y electrones) y partículas con energía cinética E inferior a la crítica, se denominan cinturones de radiación. La Tierra tiene tres cinturones de radiación y ahora se ha descubierto un cuarto. El cinturón de radiación de la Tierra es un toroide.

El primer cinturón de este tipo comienza a una altitud de aproximadamente 500 km sobre el hemisferio occidental y 1500 km sobre el hemisferio oriental de la Tierra. La mayor concentración de partículas en este cinturón, su núcleo, se encuentra a una altitud de dos a tres mil kilómetros. El límite superior de este cinturón alcanza entre tres y cuatro mil kilómetros sobre la superficie de la Tierra.

El segundo cinturón se extiende desde 10-11 hasta 40-60 mil km con una densidad máxima de partículas a una altitud de 20 mil km.

El cinturón exterior comienza a una altitud de 60 a 75 mil km.

Los límites dados de los cinturones todavía están determinados sólo aproximadamente y, aparentemente, cambian periódicamente dentro de algunos límites.

Estos cinturones se diferencian entre sí en que el primero de ellos, el más cercano a la Tierra, está formado por protones cargados positivamente con una energía muy alta: unos 100 Moe. Sólo la parte más densa del campo magnético de la Tierra podría capturarlos y retenerlos. El flujo de protones que contiene es bastante estable en el tiempo y no experimenta fluctuaciones bruscas.

El segundo cinturón está formado principalmente por electrones con energías de “sólo” 30-100 keV. En él se mueven mayores flujos de partículas que en el cinturón interior y experimenta fuertes fluctuaciones.

En el tercer cinturón, donde el campo magnético de la Tierra es más débil, se retienen partículas con una energía de 200 eV o más.

Además, los electrones con energías inferiores a 1 MeV llenan casi toda la región de captura. Para ellos no existe división en cinturones; están presentes en los tres cinturones.

Para comprender cuán peligrosas son las partículas cargadas en los cinturones de radiación para toda la vida en la Tierra, pongamos un ejemplo a modo de comparación. Así, la radiación de rayos X ordinaria, utilizada brevemente con fines médicos, tiene una energía de 30 a 50 keV, y las potentes instalaciones para radiografiar enormes lingotes y bloques de metal, de 200 keV a 2 MeV. Por tanto, los más peligrosos para los futuros cosmonautas y para todos los seres vivos cuando vuelan a otros planetas son el primer y segundo cinturón.

Es por eso que los científicos ahora se esfuerzan tanto y con tanto cuidado por aclarar la ubicación y la forma de estos cinturones y la distribución de las partículas en ellos. Hasta ahora sólo una cosa está clara. Los corredores para que las naves espaciales habitables entren en rutas hacia otros mundos serán áreas cercanas a los polos magnéticos de la Tierra, libres de partículas de alta energía.

La pregunta natural es: ¿de dónde vinieron todas estas partículas? Son arrojados principalmente desde sus profundidades por nuestro Sol. Ahora se ha establecido que la Tierra, a pesar de su enorme distancia del Sol, se encuentra en la parte más exterior de su atmósfera. Esto, en particular, se ve confirmado por el hecho de que cada vez que aumenta la actividad solar y, por lo tanto, aumenta el número y la energía de las partículas emitidas por el Sol, aumenta el número de electrones en el segundo cinturón de radiación, que, como bajo la presión de el “viento” de estas partículas, es empujado hacia la Tierra.

La separación de cargas en capas y la formación de los cinturones de radiación de la Tierra se produce bajo la influencia del efecto acústico-magnetoeléctrico, que consiste en que la radiación de onda corta del Sol, al atravesar el plasma, atraviesa las líneas de fuerza del Sol. El campo magnético de la Tierra clasifica las cargas según su estado energético en diferentes niveles. La presencia de un cierto número de cargas en cada capa, incluso en la superficie de la Tierra, hace suponer que la Tierra, junto con toda la atmósfera, puede considerarse como una máquina eléctrica, que en diseño puede identificarse con un Máquina eléctrica capacitiva-inductiva asíncrona, multirotor y multicapa esférica.

Las partículas capturadas en la trampa magnética de la Tierra bajo la influencia de la fuerza de Lorentz experimentan un movimiento oscilatorio a lo largo de una trayectoria en espiral a lo largo de la línea del campo magnético desde el hemisferio norte hasta el hemisferio sur y viceversa. Al mismo tiempo, las partículas se mueven más lentamente (deriva longitudinal) alrededor de la Tierra.

Cuando una partícula se mueve en espiral en la dirección del campo magnético creciente (acercándose a la Tierra), el radio de la espiral y su paso disminuyen. El vector velocidad de la partícula, que permanece sin cambios en magnitud, se acerca a un plano perpendicular a la dirección del campo. Finalmente, en cierto punto (llamado punto espejo) la partícula se “refleja”. Comienza a moverse en la dirección opuesta: hacia el punto espejo conjugado en el otro hemisferio.

Un protón con una energía de ~ 100 MeV completa una oscilación a lo largo de la línea de campo desde el hemisferio norte al hemisferio sur en un tiempo de ~ 0,3 segundos. El tiempo de residencia (“vida”) de un protón de este tipo en una trampa geomagnética puede alcanzar los 100 años (~ 3×109 segundos), tiempo durante el cual puede realizar hasta 1010 oscilaciones. En promedio, las partículas de alta energía capturadas producen hasta varios cientos de millones de oscilaciones de un hemisferio a otro.

La deriva longitudinal se produce a una velocidad mucho menor. Dependiendo de la energía, las partículas dan una vuelta completa alrededor de la Tierra en un tiempo que oscila entre varios minutos y un día. Los iones positivos se desplazan hacia el oeste y los electrones se desplazan hacia el este. El movimiento de una partícula en espiral alrededor de una línea de campo magnético se puede representar como una rotación alrededor de la llamada. centro instantáneo de rotación y movimiento de traslación de este centro a lo largo de la línea de fuerza.

Dentro de la magnetosfera, como en cualquier campo dipolar, existen zonas inaccesibles a las partículas con energía cinética. mi, menos que crítico. Las mismas partículas con energía. mi < mi kr, que ya están allí, no pueden abandonar estas zonas. Estas regiones prohibidas de la magnetosfera se denominan zonas de captura. En las zonas de captura del campo dipolo (cuasi-dipolo) de la Tierra, de hecho se retienen importantes flujos de partículas capturadas (principalmente protones y electrones).

En una primera aproximación, el cinturón de radiación es un toroide, en el que se distinguen dos regiones:

• un cinturón de radiación interior a una altitud de ≈ 4.000 km, formado predominantemente por protones con energías del orden de decenas de MeV;
• Cinturón de radiación exterior a una altitud de ≈ 17.000 km, formado predominantemente por electrones con energías del orden de decenas de keV.

La altura del límite inferior del cinturón de radiación varía en la misma latitud geográfica en longitud debido a la inclinación del eje del campo magnético de la Tierra con respecto al eje de rotación de la Tierra, y en la misma longitud geográfica cambia en latitud debido a la propia forma del cinturón de radiación, debido a la diferente altura de las líneas del campo magnético de la Tierra. Por ejemplo, sobre el Atlántico, el aumento de la intensidad de la radiación comienza a una altitud de 500 km y sobre Indonesia, a una altitud de 1300 km. Si se trazan los mismos gráficos en función de la inducción magnética, entonces todas las mediciones encajarán en una curva, lo que una vez más confirma la naturaleza magnética de la captura de partículas.

Entre los cinturones de radiación interior y exterior existe un espacio situado en el rango de 2 a 3 radios terrestres. Los flujos de partículas en el cinturón exterior son mayores que en el interior. La composición de las partículas también es diferente: en el cinturón interior hay protones y electrones, en el cinturón exterior hay electrones. El uso de detectores sin blindaje ha ampliado significativamente la información sobre los cinturones de radiación. Se descubrieron electrones y protones con energías de varias decenas y cientos de kiloelectronvoltios, respectivamente. Estas partículas tienen una distribución espacial significativamente diferente (en comparación con las penetrantes).

La intensidad máxima de los protones de baja energía se encuentra a una distancia de unos 3 radios terrestres de su centro (aproximadamente a una altitud de 12.500 km de la superficie). Los electrones de baja energía llenan toda la región de captura. Para ellos no existe división en cinturones internos y externos. Es inusual clasificar partículas con energías de decenas de keV como rayos cósmicos, pero los cinturones de radiación son un fenómeno único y deben estudiarse junto con partículas de todas las energías.

El flujo de protones en el cinturón interior es bastante estable en el tiempo. Los primeros experimentos demostraron que los electrones de alta energía ( mi> 1-5 MeV) se concentran en el cinturón exterior. Los electrones con energías inferiores a 1 MeV llenan casi toda la magnetosfera. El cinturón interior es muy estable, mientras que el exterior experimenta fuertes fluctuaciones.

Historia del descubrimiento

La existencia de un cinturón de radiación fue descubierta por primera vez por el científico estadounidense James Van Allen en febrero de 1958 al analizar datos del satélite American Explorer 1 y quedó convincentemente demostrada registrando niveles de radiación que cambian periódicamente durante la órbita completa del satélite Explorer, especialmente modificado por Van Allen para estudiar el fenómeno descubierto 3". El descubrimiento de Van Allen fue anunciado el 1 de mayo de 1958 y pronto encontró confirmación independiente en los datos del Sputnik 3 soviético. Un nuevo análisis posterior de los datos del anterior Sputnik 2 soviético mostró que los cinturones de radiación también fueron registrados por su equipo diseñado para analizar la actividad solar, pero las extrañas lecturas del sensor solar no pudieron interpretarse correctamente. La prioridad soviética también se vio afectada negativamente por la falta de equipo de grabación en el Sputnik (no estaba disponible en el Sputnik 2 y en el Sputnik 3 estaba roto), por lo que los datos obtenidos resultaron fragmentarios y no proporcionaban una imagen completa. de los cambios en la radiación con la altitud y la presencia en el espacio cercano a la Tierra no sólo de radiación cósmica, sino de un "cinturón" característico que cubre sólo ciertas altitudes. Sin embargo, el equipamiento más diverso del Sputnik 3 ayudó a aclarar la “composición” del cinturón interior. A finales de 1958, el análisis de los datos del Pioneer 3 y del poco posterior Luna 1 condujo al descubrimiento de la existencia de un cinturón de radiación exterior, y las explosiones nucleares estadounidenses a gran altitud demostraron que los seres humanos pueden influir en los cinturones de radiación de la Tierra. El análisis de estos datos condujo a la formación gradual, desde mediados de 1959, de ideas modernas sobre la existencia de dos cinturones de radiación alrededor de la Tierra y los mecanismos de su formación.

Historia de la investigación

El 30 de agosto de 2012, se lanzaron dos sondas RBSP idénticas desde el Centro Espacial de Cabo Cañaveral utilizando un cohete Atlas V 410 a una órbita muy elíptica con una altitud de apogeo de unos 30 mil kilómetros. Sondas de tormenta del cinturón de radiación), diseñado para estudiar los cinturones de radiación. Posteriormente pasaron a llamarse "Van Allen Probes" ( Sondas Van Allen). Se necesitaron dos dispositivos para distinguir los cambios asociados con la transición de una región a otra y los cambios que ocurren en los propios cinturones. . Uno de los principales resultados de esta misión fue el descubrimiento de un tercer cinturón de radiación, que aparece durante un breve período de tiempo, del orden de unas pocas semanas. A febrero de 2017 continuaba el funcionamiento de ambas sondas.

Cinturones de radiación de planetas.

Debido a la presencia de un fuerte campo magnético, los planetas gigantes (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) también tienen fuertes cinturones de radiación, que recuerdan al cinturón de radiación exterior de la Tierra. Las sondas espaciales soviéticas y estadounidenses han demostrado que Venus, Marte, Mercurio y la Luna no tienen cinturones de radiación.

Historia de la investigación