Ceinture de radiations de Van Allen. Les raisons du vol réussi des astronautes à travers la ceinture de rayonnement terrestre sont nommées

La ceinture de radiations terrestre

Un autre nom (généralement dans la littérature occidentale) est « ceinture de radiations de Van Allen ».

À l'intérieur de la magnétosphère, comme dans tout champ dipolaire, il existe des zones inaccessibles aux particules dotées d'énergie cinétique. E, moins que critique. Les mêmes particules avec de l'énergie E < E les kr, qui sont déjà sur place, ne peuvent pas quitter ces zones. Ces régions interdites de la magnétosphère sont appelées zones de capture. Dans les zones de capture du champ dipolaire (quasi-dipôle) terrestre, des flux importants de particules capturées (principalement des protons et des électrons) sont en effet retenus.

La ceinture de rayonnement (intérieure) de la Terre a été prédite par les scientifiques soviétiques S.N. Vernov et A.E. Chudakov, ainsi que par le scientifique américain James Van Allen. L'existence de la ceinture de radiations a été démontrée par des mesures sur Spoutnik 2, lancé en 1957, ainsi que sur Explorer 1, lancé en 1958. En première approximation, la ceinture de rayonnement est un tore, dans lequel on distingue deux régions :

• une ceinture de rayonnement interne à une altitude de ≈ 4000 km, constituée majoritairement de protons avec des énergies de l'ordre des dizaines de MeV ;
• ceinture de radiation externe à une altitude de ≈ 17 000 km, constituée principalement d'électrons avec des énergies de l'ordre des dizaines de keV.

La hauteur de la limite inférieure de la ceinture de rayonnement varie à la même latitude géographique en longitude en raison de l'inclinaison de l'axe du champ magnétique terrestre par rapport à l'axe de rotation de la Terre, et à la même longitude géographique, elle change en latitude en raison de à la forme propre de la ceinture de rayonnement, en raison de la hauteur différente des lignes du champ magnétique terrestre. Par exemple, au-dessus de l'Atlantique, l'augmentation de l'intensité du rayonnement commence à une altitude de 500 km et au-dessus de l'Indonésie à une altitude de 1 300 km. Si les mêmes graphiques sont tracés en fonction de l'induction magnétique, alors toutes les mesures s'ajusteront sur une seule courbe, ce qui confirme une fois de plus la nature magnétique de la capture des particules.

Il existe un espace entre les ceintures de rayonnement interne et externe, situé entre 2 et 3 rayons terrestres. Les flux de particules dans la ceinture externe sont plus importants que dans la ceinture interne. La composition des particules est également différente : dans la ceinture interne il y a des protons et des électrons, dans la ceinture externe il y a des électrons. L'utilisation de détecteurs non blindés a considérablement élargi les informations sur les ceintures de radiations. Des électrons et des protons ayant respectivement des énergies de plusieurs dizaines et centaines de kiloélectronvolts ont été découverts. Ces particules ont une distribution spatiale significativement différente (par rapport aux particules pénétrantes).

L'intensité maximale des protons de basse énergie est située à une distance d'environ 3 rayons terrestres de son centre. Les électrons de faible énergie remplissent toute la région de capture. Pour eux, il n'y a pas de division en ceintures internes et externes. Il est inhabituel de classer des particules ayant des énergies de plusieurs dizaines de keV comme rayons cosmiques, mais les ceintures de rayonnement sont un phénomène unique et doivent être étudiées en conjonction avec des particules de toutes énergies.

Le flux de protons dans la ceinture interne est assez stable dans le temps. Les premières expériences ont montré que les électrons de haute énergie ( E> 1-5 MeV) sont concentrés dans la ceinture extérieure. Les électrons d'énergie inférieure à 1 MeV remplissent presque toute la magnétosphère. La ceinture intérieure est très stable, tandis que la ceinture extérieure subit de fortes fluctuations.

Ceintures de rayonnement des planètes

En raison de la présence d'un champ magnétique puissant, les planètes géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) possèdent également de fortes ceintures de rayonnement, qui rappellent la ceinture de rayonnement externe.

Comme déjà mentionné, dès que les Américains ont lancé leur programme spatial, leur scientifique James Van Allen a fait une découverte assez importante. Le premier satellite artificiel américain qu'ils ont mis en orbite était beaucoup plus petit que le satellite soviétique, mais Van Allen a pensé à y attacher un compteur Geiger. Ainsi, ce qui s’exprimait à la fin du XIXe siècle était officiellement confirmé. L'éminent scientifique Nikola Tesla a émis l'hypothèse que la Terre est entourée d'une ceinture de rayonnement intense.

Photographie de la Terre par l'astronaute William Anders

lors de la mission Apollo 8 (archives NASA)

Tesla, cependant, était considéré comme un grand excentrique, voire un fou par la science académique, c'est pourquoi ses hypothèses sur la gigantesque charge électrique générée par le Soleil ont été longtemps mises de côté, et le terme « vent solaire » n'a provoqué que des sourires. . Mais grâce à Van Allen, les théories de Tesla ont été relancées. À l'instigation de Van Allen et de plusieurs autres chercheurs, il a été établi que les ceintures de radiations dans l'espace commencent à 800 km au-dessus de la surface de la Terre et s'étendent jusqu'à 24 000 km. Puisque le niveau de rayonnement y est plus ou moins constant, le rayonnement entrant doit être approximativement égal au rayonnement sortant. Sinon, soit il s'accumulerait jusqu'à « cuire » la Terre, comme dans un four, soit il se tarirait. À cette occasion, Van Allen a écrit : « Les ceintures de rayonnement peuvent être comparées à un vaisseau qui fuit, qui se réapprovisionne constamment à partir du Soleil et se jette dans l'atmosphère. Une grande partie des particules solaires déborde du récipient et éclabousse, notamment dans les zones polaires, provoquant des aurores polaires, des orages magnétiques et d’autres phénomènes similaires.

Le rayonnement des ceintures de Van Allen dépend du vent solaire. De plus, ils semblent focaliser ou concentrer ce rayonnement en eux-mêmes. Mais comme ils ne peuvent concentrer en eux que ce qui vient directement du Soleil, une autre question reste ouverte : quelle est la quantité de rayonnement présente dans le reste du cosmos ?

Orbites de particules atmosphériques dans l'exosphère(dic.academic.ru)

La Lune n'a pas de ceintures de Van Allen. Elle n'a pas non plus d'atmosphère protectrice. Elle est ouverte à tous les vents solaires. Si une forte éruption solaire s'était produite pendant l'expédition lunaire, un flux colossal de rayonnement aurait incinéré à la fois les capsules et les astronautes sur la partie de la surface lunaire où ils passaient leur journée. Ces radiations ne sont pas seulement dangereuses, elles sont mortelles !

En 1963, des scientifiques soviétiques ont déclaré au célèbre astronome britannique Bernard Lovell qu'ils ne connaissaient aucun moyen de protéger les astronautes des effets mortels des radiations cosmiques. Cela signifiait que même les coques métalliques beaucoup plus épaisses des appareils russes ne pouvaient pas résister aux radiations. Comment le métal le plus fin (presque comme une feuille) utilisé dans les capsules américaines pourrait-il protéger les astronautes ? La NASA savait que c'était impossible. Les singes de l'espace sont morts moins de 10 jours après leur retour, mais la NASA ne nous a jamais révélé la véritable cause de leur disparition.

Singe-astronaute (archive RGANT)

La plupart des gens, même ceux qui connaissent l'espace, ne sont pas conscients de l'existence de radiations mortelles qui imprègnent ses étendues. Curieusement (ou peut-être simplement pour des raisons que l’on peut deviner), dans l’Encyclopédie américaine Illustrated Encyclopedia of Space Technology, l’expression « rayonnement cosmique » n’apparaît pas une seule fois. Et en général, les chercheurs américains (notamment ceux associés à la NASA) évitent ce sujet à un kilomètre et demi.

Pendant ce temps, Lovell, après avoir discuté avec des collègues russes bien informés sur le rayonnement cosmique, a envoyé les informations dont il disposait à l'administrateur de la NASA, Hugh Dryden, mais il les a ignorées.

L'un des astronautes qui auraient visité la Lune, Collins, n'a mentionné le rayonnement cosmique que deux fois dans son livre :

"Au moins, la Lune se trouvait bien au-delà des ceintures de Van Allen de la Terre, ce qui signifiait une bonne dose de rayonnement pour ceux qui s'y rendaient et une dose mortelle pour ceux qui s'y attardaient."

"Ainsi, les ceintures de rayonnement de Van Allen entourant la Terre et la possibilité d'éruptions solaires nécessitent une compréhension et une préparation pour éviter d'exposer l'équipage à des doses accrues de rayonnement."

Alors, que signifie « comprendre et se préparer » ? Cela signifie-t-il qu’au-delà des ceintures de Van Allen, le reste de l’espace est exempt de radiations ? Ou la NASA avait-elle une stratégie secrète pour se mettre à l’abri des éruptions solaires après avoir pris la décision finale concernant l’expédition ?

La NASA a affirmé qu'elle pouvait simplement prédire les éruptions solaires et a donc envoyé des astronautes sur la Lune alors que des éruptions cutanées n'étaient pas attendues et que le danger des radiations pour eux était minime.

Pendant qu'Armstrong et Aldrin travaillaient dans l'espace

à la surface de la lune, Michael Collins

placé en orbite (archives NASA)

Cependant, d’autres experts affirment : « Il est seulement possible de prédire la date approximative du futur maximum de rayonnement et sa densité. »

Le cosmonaute soviétique Leonov s'est néanmoins rendu dans l'espace en 1966, mais dans une combinaison de plomb ultra-lourde. Mais à peine trois ans plus tard, les astronautes américains ont sauté sur la surface de la Lune, et non pas dans des combinaisons spatiales ultra-lourdes, bien au contraire ! Peut-être qu'au fil des années, les experts de la NASA ont réussi à trouver une sorte de matériau ultra-léger qui protège de manière fiable contre les radiations ?

Cependant, les chercheurs découvrent soudainement qu'au moins Apollo 10, Apollo 11 et Apollo 12 ont décollé précisément pendant les périodes où le nombre de taches solaires et l'activité solaire correspondante approchaient d'un maximum. Le maximum théorique généralement accepté du cycle solaire 20 a duré de décembre 1968 à décembre 1969. Au cours de cette période, les missions Apollo 8, Apollo 9, Apollo 10, Apollo 11 et Apollo 12 auraient dépassé la zone de protection des ceintures de Van Allen et pénétré dans l'espace cislunaire.

Une étude plus approfondie des graphiques mensuels a montré que les éruptions solaires uniques sont un phénomène aléatoire, se produisant spontanément sur un cycle de 11 ans. Il arrive également que pendant la période « basse » du cycle, un grand nombre d'épidémies se produisent en peu de temps, et pendant la période « haute » - un très petit nombre. Mais ce qui est important, c’est que de très fortes épidémies peuvent survenir à tout moment du cycle.

Durant l’ère Apollo, les astronautes américains ont passé au total près de 90 jours dans l’espace. Étant donné que le rayonnement des éruptions solaires imprévisibles atteint la Terre ou la Lune en moins de 15 minutes, la seule façon de s’en protéger serait d’utiliser des conteneurs en plomb. Mais si la puissance de la fusée était suffisante pour soulever un tel poids supplémentaire, alors pourquoi était-il nécessaire d’aller dans l’espace dans de minuscules capsules (littéralement 0,1 mm d’aluminium) à une pression de 0,34 atmosphère ?

Et ce malgré le fait que même une fine couche de revêtement protecteur, appelée « mylar », selon l’équipage d’Apollo 11, s’est avérée si lourde qu’elle a dû être retirée d’urgence du module lunaire !

Il semble que la NASA ait sélectionné des gars spéciaux pour les expéditions lunaires, bien qu'adaptés aux circonstances, moulés non pas en acier, mais en plomb. Le chercheur américain sur le problème, Ralph Rene, n'a pas été trop paresseux pour calculer à quelle fréquence chacune des expéditions lunaires prétendument terminées aurait dû être affectée par l'activité solaire.

À propos, l'un des employés faisant autorité de la NASA (un physicien distingué, soit dit en passant) Bill Modlin, dans son ouvrage « Perspectives de voyages interstellaires », a déclaré franchement : « Les éruptions solaires peuvent émettre des protons GeV dans la même plage d'énergie que la plupart des éruptions cosmiques. particules, mais beaucoup plus intenses. L'augmentation de leur énergie avec l'augmentation du rayonnement présente un danger particulier, puisque les protons GeV pénètrent plusieurs mètres de matière... Les éruptions solaires (ou stellaires) avec émission de protons constituent un danger très grave survenant périodiquement dans l'espace interplanétaire, qui fournit un rayonnement dose de centaines de milliers de roentgens en quelques heures à la distance du Soleil à la Terre. Cette dose est mortelle et des millions de fois supérieure à celle autorisée. La mort peut survenir après 500 roentgens en peu de temps.

Oui, les courageux Américains ont alors dû briller pire que la quatrième centrale de Tchernobyl. "Les particules cosmiques sont dangereuses, elles proviennent de toutes les directions et nécessitent un minimum de deux mètres de protection dense autour de tout organisme vivant." Mais les capsules spatiales présentées par la NASA à ce jour mesuraient un peu plus de 4 m de diamètre. Avec l'épaisseur des parois recommandée par Modlin, les astronautes, même sans aucun équipement, n'y rentreraient pas, sans compter qu'il n'y aurait pas eu assez de carburant pour soulever de telles capsules. Mais, évidemment, ni les dirigeants de la NASA ni les astronautes qu’ils ont envoyés sur la Lune n’ont lu les livres de leurs collègues et, ignorant parfaitement, ont surmonté toutes les épines sur la route vers les étoiles.

Cependant, peut-être que la NASA a réellement développé pour eux une sorte de combinaison spatiale ultra-fiable, utilisant un matériau ultra-léger (évidemment très secret) qui protège contre les radiations ? Mais pourquoi n’a-t-il pas été utilisé ailleurs, comme on dit, à des fins pacifiques ? Bon, d’accord, ils ne voulaient pas aider l’URSS avec Tchernobyl : après tout, la perestroïka n’avait pas encore commencé. Mais, par exemple, en 1979, aux mêmes États-Unis, un accident majeur s'est produit dans la centrale nucléaire de Three Mile Island, entraînant la fusion du cœur du réacteur. Alors pourquoi les liquidateurs américains n’ont-ils pas utilisé des combinaisons spatiales basées sur la technologie tant vantée de la NASA, coûtant pas moins de 7 millions de dollars, pour éliminer cette mine nucléaire à action retardée sur leur territoire ?

La ceinture de rayonnement terrestre (ERB), ou ceinture de Van Allen, est une région de l'espace extra-atmosphérique la plus proche de notre planète, en forme d'anneau, dans laquelle se trouvent des flux géants d'électrons et de protons. La Terre les maintient avec un champ magnétique dipolaire.

Ouverture

Le RPZ a été découvert en 1957-58. scientifiques des États-Unis et de l’URSS. Explorer 1 (photo ci-dessous), le premier satellite spatial américain lancé en 1958, a fourni des données très importantes. Grâce à une expérience embarquée menée par les Américains au-dessus de la surface de la Terre (à environ 1000 km d'altitude), une ceinture de radiations (intérieure) a été découverte. Plus tard, une deuxième zone de ce type a été découverte à une altitude d'environ 20 000 km. Il n'y a pas de frontière claire entre les ceintures intérieure et extérieure - la première se transforme progressivement en seconde. Ces deux zones de radioactivité diffèrent par le degré de charge des particules et leur composition.

Ces zones sont devenues connues sous le nom de ceintures de Van Allen. James Van Allen est un physicien dont l'expérience a permis de les découvrir. Les scientifiques ont découvert que ces ceintures sont constituées de vent solaire et de particules chargées de rayons cosmiques attirées vers la Terre par son champ magnétique. Chacun d’eux forme un tore autour de notre planète (une figure en forme de beignet).

Depuis, de nombreuses expériences ont été réalisées dans l’espace. Ils ont permis d’étudier les principales fonctionnalités et propriétés de l’ERP. Notre planète n’est pas la seule à posséder des ceintures de radiations. On les retrouve également dans d’autres corps célestes dotés d’une atmosphère et d’un champ magnétique. La ceinture de radiations de Van Allen a été découverte par un vaisseau spatial américain près de Mars. De plus, les Américains l'ont trouvé près de Saturne et de Jupiter.

Champ magnétique dipolaire

Notre planète possède non seulement la ceinture de Van Allen, mais aussi un champ magnétique dipolaire. Il s’agit d’un ensemble de coques magnétiques emboîtées les unes dans les autres. La structure de ce champ ressemble à une tête de chou ou à un oignon. La coque magnétique peut être imaginée comme une surface fermée tissée à partir de lignes de force magnétiques. Plus la coque est proche du centre du dipôle, plus l’intensité du champ magnétique devient grande. De plus, l’impulsion nécessaire pour qu’une particule chargée pénètre de l’extérieur augmente également.

Ainsi, la Nième coquille a Pn. Dans le cas où l'impulsion initiale de la particule ne dépasse pas Pn, elle est réfléchie par le champ magnétique. La particule retourne ensuite dans l’espace. Cependant, il arrive aussi qu'il se retrouve sur la Nième coque. Dans ce cas, elle ne peut plus la quitter. La particule capturée restera piégée jusqu'à ce qu'elle se dissipe ou, entrant en collision avec l'atmosphère résiduelle, perde de l'énergie.

Sur notre planète, la même coquille est située à différentes distances de la surface terrestre et à différentes longitudes. Cela se produit en raison de l'inadéquation de l'axe du champ magnétique avec l'axe de rotation de la planète. Cet effet est particulièrement visible sur l’anomalie magnétique brésilienne. Dans cette région, les lignes de champ magnétique descendent et les particules capturées qui s’y déplacent peuvent se retrouver en dessous de 100 km d’altitude et donc mourir dans l’atmosphère terrestre.

Composition du RPZ

Au sein de la ceinture de rayonnement, la répartition des protons et des électrons est inégale. Les premiers sont situés dans sa partie intérieure, et les seconds dans sa partie extérieure. Par conséquent, dès les premiers stades de la recherche, les scientifiques pensaient qu’il existait des ceintures de rayonnement externe (électronique) et interne (proton) sur Terre. Actuellement, cet avis n’est plus d’actualité.

Le mécanisme le plus important pour la génération de particules remplissant la ceinture de Van Allen est la désintégration des neutrons de l'albédo. Il convient de noter que les neutrons sont créés lorsque l'atmosphère interagit avec le flux de ces particules s'éloignant de notre planète (neutrons de l'albédo) qui traversent sans entrave le champ magnétique terrestre. Cependant, ils sont instables et se désintègrent facilement en électrons, protons et antineutrinos électroniques. Les noyaux radioactifs de l'albédo, qui ont une énergie élevée, se désintègrent à l'intérieur de la zone de capture. C'est ainsi que la ceinture de Van Allen se reconstitue en positrons et en électrons.

EPR et orages magnétiques

Lorsque ces particules deviennent fortes, non seulement elles accélèrent, mais elles quittent la ceinture radioactive de Van Allen et s'en échappent. Le fait est que si la configuration du champ magnétique change, les points miroirs peuvent être immergés dans l'atmosphère. Dans ce cas, les particules, perdant de l'énergie (pertes par ionisation, diffusion), changent d'angle de tangage puis meurent lorsqu'elles atteignent les couches supérieures de la magnétosphère.

RPZ et aurores boréales

La ceinture de rayonnement de Van Allen est entourée d'une couche de plasma, qui est un flux piégé de protons (ions) et d'électrons. L'une des raisons d'un phénomène tel que les aurores boréales (polaires) est que des particules s'échappent de la couche de plasma, ainsi qu'en partie de l'ERB externe. Les aurores boréales sont le rayonnement d'atomes atmosphériques excités par des collisions avec des particules tombant de la ceinture.

Étude RPZ

Presque tous les résultats de recherche fondateurs sur des formations telles que les ceintures de radiations ont été obtenus dans les années 1960 et 1970. Des observations récentes réalisées à l'aide d'engins spatiaux interplanétaires et d'équipements scientifiques de pointe ont permis aux scientifiques d'obtenir de nouvelles informations très importantes. Les ceintures de Van Allen autour de la Terre continuent d'être étudiées à notre époque. Parlons brièvement des réalisations les plus importantes dans ce domaine.

Données reçues de Saliout-6

Au début des années 80 du siècle dernier, des chercheurs du MEPhI ont étudié le flux d'électrons à haut niveau d'énergie à proximité immédiate de notre planète. Pour ce faire, ils ont utilisé un équipement situé à la station orbitale Saliout-6. Il a permis aux scientifiques d'isoler très efficacement des flux de positrons et d'électrons dont l'énergie dépasse 40 MeV. L'orbite de la station (inclinaison 52°, altitude environ 350-400 km) passait principalement sous la ceinture de radiations de notre planète. Cependant, il touchait toujours la partie interne de celui-ci, à proximité de l'anomalie magnétique brésilienne. Lors de la traversée de cette région, des flux stationnaires constitués d'électrons de haute énergie ont été découverts. Avant cette expérience, seuls les électrons dont l'énergie ne dépassait pas 5 MeV étaient enregistrés dans l'ERP.

Données des satellites artificiels de la série Meteor-3

Des chercheurs du MEPhI ont effectué d'autres mesures sur les satellites artificiels de notre planète de la série Meteor-3, dont les altitudes en orbite circulaire étaient de 800 et 1 200 km. Cette fois, le dispositif a pénétré très profondément dans le RRP. Il a confirmé les résultats obtenus précédemment à la station Saliout-6. Ensuite, les chercheurs ont obtenu un autre résultat important grâce aux spectromètres magnétiques installés aux stations Mir et Saliout-7. Il a été prouvé que la ceinture stable découverte précédemment est constituée exclusivement d'électrons (sans positrons) dont l'énergie est très élevée (jusqu'à 200 MeV).

Découverte de la ceinture stationnaire des noyaux CNO

À la fin des années 80 et au début des années 90 du siècle dernier, un groupe de chercheurs de l'Institut de recherche scientifique en physique nucléaire de l'Université d'État de Moscou a mené une expérience visant à étudier les noyaux situés dans l'espace proche. Ces mesures ont été réalisées à l'aide de chambres proportionnelles et d'émulsions photographiques nucléaires. Elles ont été réalisées sur des satellites de la série Cosmos. Les scientifiques ont découvert la présence de flux de noyaux de N, O et Ne dans une région de l'espace extra-atmosphérique dans laquelle l'orbite d'un satellite artificiel (inclinaison 52°, altitude environ 400-500 km) traversait l'anomalie brésilienne.

Comme l'analyse l'a montré, ces noyaux, dont l'énergie atteignait plusieurs dizaines de MeV/nucléon, n'étaient pas d'origine galactique, albédo ou solaire, puisqu'ils ne pouvaient pas pénétrer profondément dans la magnétosphère de notre planète avec une telle énergie. C’est ainsi que les scientifiques ont découvert une composante anormale des rayons cosmiques capturés par un champ magnétique.

Les atomes de faible énergie présents dans la matière interstellaire sont capables de pénétrer dans l'héliosphère. Ensuite, le rayonnement ultraviolet du Soleil les ionise une ou deux fois. Les particules chargées qui en résultent sont accélérées au niveau des fronts de vent solaire, atteignant plusieurs dizaines de MeV/nucléon. Ils pénètrent ensuite dans la magnétosphère, où ils sont capturés et complètement ionisés.

Ceinture quasi-stationnaire de protons et d'électrons

Le 22 mars 1991, une puissante éruption s'est produite sur le Soleil, accompagnée de l'éjection d'une énorme masse de matière solaire. Il a atteint la magnétosphère le 24 mars et a modifié sa région externe. Des particules de vent solaire à haute énergie font irruption dans la magnétosphère. Ils atteignirent la zone où se trouvait alors CRESS, le satellite américain. Les instruments installés dessus ont enregistré une forte augmentation des protons dont l'énergie variait de 20 à 110 MeV, ainsi que des électrons puissants (environ 15 MeV). Cela indiquait l'émergence d'une nouvelle ceinture. Au début, la ceinture quasi-stationnaire a été observée sur un certain nombre d'engins spatiaux. Cependant, ce n'est qu'à la station Mir qu'il a été étudié pendant toute sa durée de vie, soit environ deux ans.

À propos, dans les années 60 du siècle dernier, à la suite de l'explosion d'engins nucléaires dans l'espace, une ceinture quasi stationnaire est apparue, constituée d'électrons de faibles énergies. Il existe depuis environ 10 ans. Des fragments de fission radioactifs se sont désintégrés, ce qui a été la source de particules chargées.

Y a-t-il un RPZ sur la Lune ?

Le satellite de notre planète ne possède pas de ceinture de radiations de Van Allen. De plus, il ne dispose pas d’atmosphère protectrice. La surface de la Lune est exposée aux vents solaires. Si elle était forte, si elle se produisait pendant l'expédition lunaire, elle incinérerait à la fois les astronautes et les capsules, puisqu'un flux colossal de radiations serait libéré, ce qui serait mortel.

Est-il possible de se protéger des rayonnements cosmiques ?

Cette question intéresse les scientifiques depuis de nombreuses années. À petites doses, on sait que les radiations n’ont pratiquement aucun effet sur notre santé. Cependant, il n’est sûr que s’il ne dépasse pas un certain seuil. Savez-vous quel est le niveau de rayonnement en dehors de la ceinture de Van Allen, à la surface de notre planète ? Typiquement, la teneur en particules de radon et de thorium ne dépasse pas 100 Bq pour 1 m 3. À l’intérieur de la RPZ, ces chiffres sont beaucoup plus élevés.

Bien entendu, les ceintures de radiations de la Terre de Van Allen sont très dangereuses pour les humains. Leurs effets sur l’organisme ont été étudiés par de nombreux chercheurs. En 1963, des scientifiques soviétiques ont déclaré à Bernard Lovell, un célèbre astronome britannique, qu'ils ne connaissaient aucun moyen de protéger les humains contre l'exposition aux radiations dans l'espace. Cela signifiait que même les coques à parois épaisses des appareils soviétiques ne pouvaient pas y faire face. Comment le métal fin, presque comme une feuille, utilisé dans les capsules américaines a-t-il protégé les astronautes ?

Selon la NASA, elle a envoyé des astronautes sur la Lune uniquement lorsque des éruptions cutanées n'étaient pas attendues, ce que l'organisation est en mesure de prédire. C'est ce qui a permis de réduire au minimum le risque radiologique. D’autres experts soutiennent cependant qu’il n’est possible de prédire qu’approximativement la date des émissions importantes.

Ceinture de Van Allen et vol vers la Lune

Leonov, un cosmonaute soviétique, est allé dans l'espace en 1966. Cependant, il portait une combinaison en plomb très lourde. Et seulement trois ans plus tard, des astronautes américains sautaient sur la surface lunaire, et évidemment pas dans de lourdes combinaisons spatiales. Peut-être qu'au fil des années, les spécialistes de la NASA ont réussi à découvrir un matériau ultra-léger qui protège de manière fiable les astronautes des radiations ? soulève encore de nombreuses questions. L’un des principaux arguments de ceux qui estiment que les Américains n’y ont pas atterri est l’existence de ceintures de radiations.

Les débuts de l'astronautique ont été marqués par un certain nombre de découvertes, dont la découverte des ceintures de radiations terrestres. La ceinture de radiation interne de la Terre a été découverte par le scientifique américain James van Allen après le vol Explorer 1. La ceinture de radiation externe de la Terre a été découverte par les scientifiques soviétiques S. N. Vernov et A. E. Chudakov après le vol Spoutnik-3 en 1958.

À certaines altitudes, les premiers satellites sont tombés dans des zones densément saturées de particules chargées à très haute énergie, très différentes des particules cosmiques précédemment observées, tant primaires que secondaires. Après avoir traité les données des satellites, il est devenu clair qu'il s'agissait de particules chargées capturées par le champ magnétique terrestre.

On sait que toutes les particules chargées, une fois dans un champ magnétique, commencent à « s’enrouler » autour des lignes du champ magnétique, tout en se déplaçant le long de celles-ci. Les dimensions des tours de la spirale résultante dépendent de la vitesse initiale des particules, de leur masse, de leur charge et de la force du champ magnétique terrestre dans la région de l'espace proche de la Terre dans laquelle elles ont volé et ont changé la direction du mouvement.

Le champ magnétique terrestre n'est pas uniforme. Aux pôles, il « se condense » - devient plus dense. Par conséquent, une particule chargée qui a commencé à se déplacer en spirale le long de la ligne magnétique qu'elle « chevauche » depuis une région proche de l'équateur, à mesure qu'elle s'approche d'un pôle, subit de plus en plus de résistance jusqu'à ce qu'elle s'arrête. Et puis il retourne à l'équateur et plus loin vers le pôle opposé, d'où il commence à se déplacer dans la direction opposée. La particule se retrouve dans un « piège magnétique » géant de la planète.

Ces régions de la magnétosphère, où s'accumulent et sont retenues les particules chargées de haute énergie (principalement des protons et des électrons) et les particules dont l'énergie cinétique E est inférieure à la valeur critique, sont appelées ceintures de rayonnement. La Terre possède trois ceintures de radiations et une quatrième a été découverte. La ceinture de rayonnement terrestre est un tore.

La première de ces ceintures commence à une altitude d'environ 500 km au-dessus de l'hémisphère occidental et 1 500 km au-dessus de l'hémisphère oriental de la Terre. La plus grande concentration de particules dans cette ceinture - son noyau - se situe à une altitude de deux à trois mille kilomètres. La limite supérieure de cette ceinture atteint trois à quatre mille kilomètres au-dessus de la surface de la Terre.

La deuxième ceinture s'étend de 10-11 à 40-60 000 km avec une densité maximale de particules à une altitude de 20 000 km.

La ceinture extérieure commence à une altitude de 60 000 à 75 000 km.

Les limites données des ceintures ne sont encore déterminées qu'approximativement et, apparemment, changent périodiquement dans certaines limites.

Ces ceintures diffèrent les unes des autres en ce que la première d'entre elles, la plus proche de la Terre, est constituée de protons chargés positivement et à très haute énergie - environ 100 Moe. Seule la partie la plus dense du champ magnétique terrestre pouvait les capturer et les retenir. Le flux de protons y est assez stable dans le temps et ne connaît pas de fortes fluctuations.

La deuxième ceinture est principalement constituée d’électrons avec des énergies de « seulement » 30 à 100 keV. Des flux de particules plus importants s'y déplacent que dans la ceinture intérieure, et elle connaît de fortes fluctuations.

Dans la troisième ceinture, où le champ magnétique terrestre est le plus faible, les particules d'une énergie de 200 eV ou plus sont retenues.

De plus, les électrons d’énergie inférieure à 1 MeV remplissent presque toute la région de capture. Il n'y a pas de division en ceintures pour eux ; ils sont présents dans les trois ceintures.

Pour comprendre à quel point les particules chargées dans les ceintures de radiations sont dangereuses pour toute vie sur Terre, donnons un exemple de comparaison. Ainsi, le rayonnement X ordinaire, utilisé brièvement à des fins médicales, a une énergie de 30 à 50 keV, et des installations puissantes pour radiographier d'énormes lingots et blocs de métal - de 200 keV à 2 MeV. Par conséquent, les première et deuxième ceintures sont les plus dangereuses pour les futurs cosmonautes et pour tous les êtres vivants lorsqu'ils volent vers d'autres planètes.

C’est pourquoi les scientifiques s’efforcent désormais de clarifier l’emplacement et la forme de ces ceintures, ainsi que la répartition des particules qui s’y trouvent. Jusqu’à présent, une seule chose est claire. Les couloirs permettant aux vaisseaux spatiaux habitables d'accéder aux routes vers d'autres mondes seront des zones proches des pôles magnétiques terrestres, exemptes de particules de haute énergie.

La question naturelle est : d’où viennent toutes ces particules ? Ils sont principalement rejetés de ses profondeurs par notre Soleil. Il est désormais établi que la Terre, malgré son énorme distance du Soleil, se trouve dans la partie la plus externe de son atmosphère. Ceci est notamment confirmé par le fait qu'à chaque fois que l'activité solaire augmente, et donc le nombre et l'énergie des particules émises par le Soleil, le nombre d'électrons dans la deuxième ceinture de rayonnement augmente, qui, comme sous la pression de le « vent » de ces particules, est poussé vers la Terre.

La séparation des charges en couches et la formation des ceintures de rayonnement terrestre se produisent sous l'influence de l'effet acousto-magnétoélectrique, qui consiste dans le fait que le rayonnement à ondes courtes du Soleil, traversant le plasma à travers les lignes de force du Le champ magnétique terrestre trie les charges en fonction de leur état énergétique en différents niveaux. La présence d'un certain nombre de charges dans chaque couche, y compris à la surface de la Terre, laisse supposer que la Terre, avec l'atmosphère entière, peut être considérée comme une machine électrique dont la conception peut être identifiée à un Machine électrique capacitive-inductive asynchrone multicouche sphérique, multi-rotor.

Les particules capturées dans le piège magnétique terrestre sous l'influence de la force de Lorentz subissent un mouvement oscillatoire le long d'une trajectoire en spirale le long de la ligne du champ magnétique allant de l'hémisphère nord à l'hémisphère sud et vice-versa. Dans le même temps, les particules se déplacent plus lentement (dérive longitudinale) autour de la Terre.

Lorsqu'une particule se déplace en spirale dans la direction d'un champ magnétique croissant (en s'approchant de la Terre), le rayon de la spirale et son pas diminuent. Le vecteur vitesse des particules, restant inchangé en amplitude, se rapproche d'un plan perpendiculaire à la direction du champ. Enfin, en un certain point (appelé point miroir), la particule est « réfléchie ». Il commence à se déplacer dans la direction opposée - vers le point miroir conjugué dans l'autre hémisphère.

Un proton d'une énergie d'environ 100 MeV effectue une oscillation le long de la ligne de champ allant de l'hémisphère nord à l'hémisphère sud en un temps d'environ 0,3 seconde. Le temps de séjour (« vie ») d’un tel proton dans un piège géomagnétique peut atteindre 100 ans (~ 3×109 sec), période pendant laquelle il peut effectuer jusqu’à 1010 oscillations. En moyenne, les particules de haute énergie capturées effectuent plusieurs centaines de millions d'oscillations d'un hémisphère à l'autre.

La dérive longitudinale se produit à une vitesse beaucoup plus faible. En fonction de l'énergie, les particules font un tour complet autour de la Terre en un temps allant de quelques minutes à une journée. Les ions positifs dérivent vers l’ouest et les électrons dérivent vers l’est. Le mouvement d'une particule en spirale autour d'une ligne de champ magnétique peut être représenté comme consistant en une rotation autour de ce qu'on appelle. centre instantané de rotation et mouvement de translation de ce centre le long de la ligne de force.

À l'intérieur de la magnétosphère, comme dans tout champ dipolaire, il existe des zones inaccessibles aux particules dotées d'énergie cinétique. E, moins que critique. Les mêmes particules avec de l'énergie E < E les kr, qui sont déjà sur place, ne peuvent pas quitter ces zones. Ces régions interdites de la magnétosphère sont appelées zones de capture. Dans les zones de capture du champ dipolaire (quasi-dipôle) terrestre, des flux importants de particules capturées (principalement des protons et des électrons) sont en effet retenus.

En première approximation, la ceinture de rayonnement est un tore, dans lequel on distingue deux régions :

• une ceinture de rayonnement interne à une altitude de ≈ 4000 km, constituée majoritairement de protons avec des énergies de l'ordre des dizaines de MeV ;
• ceinture de radiation externe à une altitude de ≈ 17 000 km, constituée principalement d'électrons avec des énergies de l'ordre des dizaines de keV.

La hauteur de la limite inférieure de la ceinture de rayonnement varie à la même latitude géographique en longitude en raison de l'inclinaison de l'axe du champ magnétique terrestre par rapport à l'axe de rotation de la Terre, et à la même longitude géographique, elle change en latitude en raison de à la forme propre de la ceinture de rayonnement, en raison de la hauteur différente des lignes du champ magnétique terrestre. Par exemple, au-dessus de l'Atlantique, l'augmentation de l'intensité du rayonnement commence à une altitude de 500 km et au-dessus de l'Indonésie à une altitude de 1 300 km. Si les mêmes graphiques sont tracés en fonction de l'induction magnétique, alors toutes les mesures s'ajusteront sur une seule courbe, ce qui confirme une fois de plus la nature magnétique de la capture des particules.

Il existe un espace entre les ceintures de rayonnement interne et externe, situé entre 2 et 3 rayons terrestres. Les flux de particules dans la ceinture externe sont plus importants que dans la ceinture interne. La composition des particules est également différente : dans la ceinture interne il y a des protons et des électrons, dans la ceinture externe il y a des électrons. L'utilisation de détecteurs non blindés a considérablement élargi les informations sur les ceintures de radiations. Des électrons et des protons ayant respectivement des énergies de plusieurs dizaines et centaines de kiloélectronvolts ont été découverts. Ces particules ont une distribution spatiale significativement différente (par rapport aux particules pénétrantes).

L'intensité maximale des protons de basse énergie se situe à une distance d'environ 3 rayons terrestres de son centre (environ à une altitude de 12 500 km de la surface). Les électrons de faible énergie remplissent toute la région de capture. Pour eux, il n'y a pas de division en ceintures internes et externes. Il est inhabituel de classer des particules ayant des énergies de plusieurs dizaines de keV comme rayons cosmiques, mais les ceintures de rayonnement sont un phénomène unique et doivent être étudiées en conjonction avec des particules de toutes énergies.

Le flux de protons dans la ceinture interne est assez stable dans le temps. Les premières expériences ont montré que les électrons de haute énergie ( E> 1-5 MeV) sont concentrés dans la ceinture extérieure. Les électrons d'énergie inférieure à 1 MeV remplissent presque toute la magnétosphère. La ceinture intérieure est très stable, tandis que la ceinture extérieure subit de fortes fluctuations.

Histoire de la découverte

L'existence d'une ceinture de rayonnement a été découverte pour la première fois par le scientifique américain James Van Allen en février 1958 lors de l'analyse des données du satellite américain Explorer 1 et a été prouvée de manière convaincante par l'enregistrement de niveaux de rayonnement changeants périodiquement au cours d'une orbite complète du satellite Explorer, spécialement modifié par Van Allen pour étudier le phénomène découvert 3". La découverte de Van Allen a été annoncée le 1er mai 1958 et a rapidement trouvé une confirmation indépendante dans les données du Spoutnik 3 soviétique. Une réanalyse ultérieure des données du précédent Spoutnik 2 soviétique a montré que les ceintures de rayonnement étaient également enregistrées par son équipement conçu pour analyser l'activité solaire, mais les lectures étranges du capteur solaire n'ont alors pas pu être interprétées correctement. La priorité soviétique a également été affectée négativement par le manque d'équipement d'enregistrement sur Spoutnik (il n'était pas fourni sur Spoutnik 2 et il était cassé sur Spoutnik 3), à cause de quoi les données obtenues se sont révélées fragmentaires et n'ont pas fourni une image complète. des changements de rayonnement avec l'altitude et la présence dans l'espace proche de la Terre non seulement d'un rayonnement cosmique, mais d'une « ceinture » caractéristique ne couvrant que certaines altitudes. Cependant, les équipements plus diversifiés de Spoutnik 3 ont permis de clarifier la « composition » de la ceinture intérieure. Fin 1958, l'analyse des données de Pioneer 3 et de Luna 1, un peu plus tard, conduisit à la découverte de l'existence d'une ceinture de radiation externe, et les explosions nucléaires américaines à haute altitude démontrèrent que les humains pouvaient influencer les ceintures de radiation de la Terre. L'analyse de ces données a conduit à la formation progressive, depuis le milieu de 1959, d'idées modernes sur l'existence de deux ceintures de radiations autour de la Terre et sur les mécanismes de leur formation.

Histoire de la recherche

Le 30 août 2012, deux sondes RBSP identiques ont été lancées depuis le Centre spatial de Cap Canaveral à l'aide d'une fusée Atlas V 410 sur une orbite hautement elliptique avec une altitude d'apogée d'environ 30 000 kilomètres. Sondes de tempête de ceinture de rayonnement), conçu pour étudier les ceintures de radiations. Elles furent par la suite rebaptisées « Van Allen Probes » ( Sondes Van Allen). Deux appareils étaient nécessaires pour distinguer les changements liés au passage d'une région à une autre des changements intervenant dans les ceintures elles-mêmes. . L'un des principaux résultats de cette mission a été la découverte d'une troisième ceinture de radiations, qui apparaît pendant une courte période de l'ordre de quelques semaines. Depuis février 2017, l'exploitation des deux sondes se poursuivait.

Ceintures de rayonnement des planètes

En raison de la présence d'un champ magnétique puissant, les planètes géantes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) possèdent également de fortes ceintures de rayonnement, qui rappellent la ceinture de rayonnement externe de la Terre. Les sondes spatiales soviétiques et américaines ont montré que Vénus, Mars, Mercure et la Lune ne possèdent pas de ceinture de radiations.

Histoire de la recherche