Van Allen radiacijos diržas. Įvardijamos sėkmingo astronautų skrydžio per žemės radiacijos juostą priežastys

Žemės radiacijos juosta

Kitas pavadinimas (dažniausiai Vakarų literatūroje) yra „Van Allen spinduliuotės diržas“.

Magnetosferos viduje, kaip ir bet kuriame dipolio lauke, yra sritys, neprieinamos dalelėms, turinčioms kinetinę energiją E, mažiau nei kritinis. Tos pačios dalelės su energija E < E kr, kurie jau ten, negali palikti šių sričių. Šios uždraustos magnetosferos sritys vadinamos gaudymo zonomis. Žemės dipolio (kvazidipolio) lauko gaudymo zonose iš tiesų išlaikomi reikšmingi užfiksuotų dalelių (pirmiausia protonų ir elektronų) srautai.

Žemės radiacijos juostą (vidinę) numatė sovietų mokslininkai S. N. Vernovas ir A. E. Chudakovas, taip pat amerikiečių mokslininkas Jamesas Van Allenas. Radiacinės juostos egzistavimą įrodė 1957 m. paleisto Sputnik 2 ir 1958 m. paleisto „Explorer 1“ matavimai. Pirmuoju apytiksliu būdu spinduliuotės diržas yra toroidas, kuriame išskiriami du regionai:

• vidinė spinduliuotės juosta ≈ 4000 km aukštyje, kurią daugiausia sudaro protonai, kurių energija yra dešimtys MeV;
• išorinė spinduliuotės juosta ≈ 17 000 km aukštyje, kurią daugiausia sudaro elektronai, kurių energija yra dešimtys keV.

Apatinės spinduliuotės juostos ribos aukštis kinta toje pačioje geografinėje ilgumos platumoje dėl Žemės magnetinio lauko ašies polinkio į Žemės sukimosi ašį, o esant tokiai pačiai geografinei ilgumai – keičiasi platumos į pačios spinduliuotės juostos formą, dėl skirtingo Žemės magnetinio lauko linijų aukščio. Pavyzdžiui, virš Atlanto radiacijos intensyvumo didėjimas prasideda 500 km aukštyje, o virš Indonezijos – 1300 km aukštyje. Jei tie patys grafikai nubraižyti kaip magnetinės indukcijos funkcija, tada visi matavimai tilps vienoje kreivėje, o tai dar kartą patvirtina dalelių gaudymo magnetinį pobūdį.

Tarp vidinio ir išorinio spinduliavimo juostų yra tarpas, esantis nuo 2 iki 3 Žemės spindulių. Dalelių srautai išoriniame dirže yra didesni nei vidiniame. Skiriasi ir dalelių sudėtis: vidinėje juostoje yra protonai ir elektronai, išoriniame – elektronai. Neekranuotų detektorių naudojimas žymiai praplėtė informaciją apie spinduliuotės diržus. Buvo atrasti elektronai ir protonai, kurių energija atitinkamai siekė kelias dešimtis ir šimtus kiloelektronvoltų. Šių dalelių erdvinis pasiskirstymas gerokai skiriasi (palyginti su prasiskverbiančiomis dalelėmis).

Mažos energijos protonų didžiausias intensyvumas yra maždaug 3 Žemės spindulių atstumu nuo jo centro. Mažos energijos elektronai užpildo visą gaudymo sritį. Jiems nėra skirstymo į vidinius ir išorinius diržus. Neįprasta daleles, kurių energija siekia dešimčių keV, priskirti kosminiams spinduliams, tačiau radiacijos juostos yra vienas reiškinys ir turėtų būti tiriamas kartu su visų energijų dalelėmis.

Protonų srautas vidiniame dirže laikui bėgant yra gana stabilus. Ankstyvieji eksperimentai parodė, kad didelės energijos elektronai ( E> 1-5 MeV) yra susitelkę išoriniame dirže. Elektronai, kurių energija mažesnė nei 1 MeV, užpildo beveik visą magnetosferą. Vidinis diržas yra labai stabilus, o išorinis patiria staigius svyravimus.

Planetų spinduliuotės juostos

Dėl stipraus magnetinio lauko planetos milžiniškos (Jupiteris, Saturnas, Uranas ir Neptūnas) taip pat turi stiprią radiacijos juostą, primenančią išorinę spinduliuotės juostą.

Kaip jau minėta, kai tik amerikiečiai pradėjo savo kosmoso programą, jų mokslininkas Jamesas Van Allenas padarė gana svarbų atradimą. Pirmasis amerikietiškas dirbtinis palydovas, kurį jie išleido į orbitą, buvo daug mažesnis nei sovietinis, tačiau Van Allenas sumanė prie jo pritvirtinti Geigerio skaitiklį. Taigi tai, kas buvo išreikšta XIX amžiaus pabaigoje, buvo oficialiai patvirtinta. puikus mokslininkas Nikola Tesla iškėlė hipotezę, kad Žemę juosia intensyvios spinduliuotės juosta.

Astronauto Williamo Anderso Žemės nuotrauka

Apollo 8 misijos metu (NASA archyvai)

Tačiau Tesla buvo laikomas dideliu ekscentriku, o akademinio mokslo net bepročiu, todėl jo hipotezės apie milžinišką Saulės generuojamą elektros krūvį ilgą laiką buvo laikomos lentynose, o terminas „saulės vėjas“ sukėlė tik šypsenas. . Tačiau Van Alleno dėka Teslos teorijos buvo atgaivintos. Van Alleno ir daugelio kitų tyrinėtojų iniciatyva buvo nustatyta, kad radiacijos juostos kosmose prasideda 800 km aukštyje virš Žemės paviršiaus ir tęsiasi iki 24 000 km. Kadangi radiacijos lygis ten yra daugiau ar mažiau pastovus, gaunama spinduliuotė turėtų būti maždaug lygi išeinančiai spinduliuotei. Priešingu atveju jis arba kauptųsi, kol „iškeptų“ Žemę, kaip orkaitėje, arba išdžiūtų. Ta proga Van Allenas rašė: „Radiacinius diržus galima palyginti su nesandariu indu, kuris nuolat pasipildo iš Saulės ir teka į atmosferą. Didelė dalis saulės dalelių išsilieja per laivą ir išsilieja, ypač poliarinėse zonose, sukeldamos poliarines šviesas, magnetines audras ir kitus panašius reiškinius.

Van Alleno juostų spinduliuotė priklauso nuo saulės vėjo. Be to, atrodo, kad jie sutelkia arba sutelkia šią spinduliuotę savyje. Tačiau kadangi jie gali sutelkti savyje tik tai, kas atkeliavo tiesiai iš Saulės, lieka atviras dar vienas klausimas: kiek radiacijos yra likusioje kosmoso dalyje?

Atmosferos dalelių orbitos egzosferoje(dic.academic.ru)

Mėnulis neturi Van Alleno diržų. Ji taip pat neturi apsauginės atmosferos. Jis atviras visiems saulės vėjams. Jei Mėnulio ekspedicijos metu būtų įvykęs stiprus saulės pliūpsnis, didžiulis radiacijos srautas būtų sudeginęs ir kapsules, ir astronautus toje Mėnulio paviršiaus dalyje, kurioje jie praleido dieną. Ši spinduliuotė ne tik pavojinga, bet ir mirtina!

1963 metais sovietų mokslininkai garsiam britų astronomui Bernardui Lovelui pasakė, kad jie nežino būdo, kaip apsaugoti astronautus nuo mirtinų kosminės spinduliuotės padarinių. Tai reiškė, kad net daug storesni metaliniai rusiškų prietaisų korpusai negalėjo susidoroti su radiacija. Kaip amerikietiškose kapsulėse naudojamas ploniausias (beveik kaip folija) metalas galėtų apsaugoti astronautus? NASA žinojo, kad tai neįmanoma. Kosminės beždžionės mirė praėjus mažiau nei 10 dienų po sugrįžimo, tačiau NASA niekada nepasakė tikrosios jų mirties priežasties.

Beždžionė-astronautas (RGANT archyvas)

Dauguma žmonių, net ir išmanančių kosmosą, nežino apie mirtinos spinduliuotės, prasiskverbiančios į kosmosą, egzistavimą. Kaip bebūtų keista (o gal tik dėl priežasčių, kurias galima atspėti), amerikiečių „Iliustruotoje kosmoso technologijų enciklopedijoje“ frazė „kosminė spinduliuotė“ nepasitaiko nė karto. Ir apskritai Amerikos mokslininkai (ypač susiję su NASA) šios temos vengia už mylios.

Tuo tarpu Lovellas, pabendravęs su kolegomis iš Rusijos, kurie puikiai žinojo apie kosminę spinduliuotę, išsiuntė turimą informaciją NASA administratoriui Hugh Drydenui, tačiau šis į tai nepaisė.

Vienas iš astronautų, tariamai apsilankiusių Mėnulyje, Collinsas, savo knygoje tik du kartus paminėjo kosminę spinduliuotę:

„Bent jau Mėnulis buvo gerokai už Žemės Van Alleno juostų, o tai reiškė gerą radiacijos dozę tiems, kurie ten nuvyko, ir mirtiną dozę tiems, kurie ten gyveno.

„Taigi Van Alleno spinduliuotės juostos, supančios Žemę, ir saulės žybsnių galimybė reikalauja supratimo ir pasiruošimo, kad įgula nebūtų veikiama padidėjusių radiacijos dozių.

Taigi ką reiškia „suprasti ir pasiruošti“? Ar tai reiškia, kad už Van Alleno juostų likusioje erdvėje nėra radiacijos? O gal priėmus galutinį sprendimą dėl ekspedicijos NASA turėjo slaptą strategiją, kaip apsisaugoti nuo saulės žybsnių?

NASA tvirtino, kad gali tiesiog nuspėti saulės pliūpsnius, todėl išsiuntė astronautus į Mėnulį tada, kai pliūpsnių nesitikėjo ir radiacijos pavojus jiems buvo minimalus.

Kol Armstrongas ir Aldrinas dirbo kosmose

Mėnulio paviršiuje Michaelas Collinsas

patalpintas į orbitą (NASA archyvas)

Tačiau kiti ekspertai teigia: „Galima numatyti tik apytikslę būsimos didžiausios spinduliuotės datą ir jos tankį“.

Sovietų Sąjungos kosmonautas Leonovas vis dėlto išėjo į kosmosą 1966 m., tačiau su itin sunkiu švininiu kostiumu. Tačiau vos po trejų metų amerikiečių astronautai iššoko ant Mėnulio paviršiaus ir ne su itin sunkiais skafandrais, o atvirkščiai! Galbūt per daugelį metų NASA specialistams pavyko rasti kokią nors itin lengvą medžiagą, kuri patikimai apsaugo nuo radiacijos?

Tačiau mokslininkai netikėtai išsiaiškina, kad bent Apollo 10, Apollo 11 ir Apollo 12 pajudėjo būtent tais laikotarpiais, kai saulės dėmių skaičius ir atitinkamas Saulės aktyvumas artėjo prie maksimumo. Visuotinai pripažintas teorinis saulės ciklo 20 maksimumas truko nuo 1968 m. gruodžio iki 1969 m. gruodžio mėn. Per šį laikotarpį Apollo 8, Apollo 9, Apollo 10, Apollo 11 ir Apollo 12 misijos tariamai persikėlė už Van Alleno diržų apsaugos zonos ir pateko į cislunarinę erdvę.

Tolesnis mėnesio grafikų tyrimas parodė, kad pavieniai saulės pliūpsniai yra atsitiktinis reiškinys, spontaniškai vykstantis per 11 metų ciklą. Taip pat atsitinka, kad „žemuoju“ ciklo laikotarpiu per trumpą laiką įvyksta daug protrūkių, o „diduoju“ laikotarpiu - labai mažai. Tačiau svarbu tai, kad labai stiprūs protrūkiai gali atsirasti bet kuriuo ciklo metu.

Apollo eros metu Amerikos astronautai iš viso kosmose praleido beveik 90 dienų. Kadangi spinduliuotė iš nenuspėjamų saulės pliūpsnių Žemę ar Mėnulį pasiekia greičiau nei per 15 minučių, vienintelis būdas nuo jos apsisaugoti būtų naudoti švino talpyklas. Bet jei raketos galios pakako tokiam papildomam svoriui pakelti, tai kodėl reikėjo leistis į kosmosą mažytėmis kapsulėmis (0,1 mm aliuminio) esant 0,34 atmosferos slėgiui?

Tai nepaisant to, kad net plonas apsauginės dangos sluoksnis, vadinamas „mylar“, pasak „Apollo 11“ įgulos, pasirodė toks sunkus, kad jį reikėjo skubiai pašalinti iš Mėnulio modulio!

Panašu, kad NASA Mėnulio ekspedicijoms atrinko specialius vyrukus, nors ir pritaikytus prie aplinkybių, nulietus ne iš plieno, o iš švino. Amerikietis šios problemos tyrinėtojas Ralphas Rene netingėjo skaičiuoti, kaip dažnai kiekviena iš tariamai baigtų Mėnulio ekspedicijų turėjo būti paveikta saulės aktyvumo.

Beje, vienas autoritetingų NASA darbuotojų (beje, žinomas fizikas) Billas Modlinas savo darbe „Tarpžvaigždinių kelionių perspektyvos“ atvirai pranešė: „Saulės blyksniai gali išspinduliuoti GeV protonus tame pačiame energijos diapazone kaip ir dauguma kosminių dalelių, bet daug intensyvesnis . Jų energijos padidėjimas padidėjus spinduliuotei kelia ypatingą pavojų, nes GeV protonai prasiskverbia per kelis metrus medžiagos... Saulės (arba žvaigždžių) blyksniai su protonų emisija yra periodiškai labai rimtas pavojus tarpplanetinėje erdvėje, kuri suteikia spinduliuotę. šimtų tūkstančių rentgeno dozė per kelias valandas atstumu nuo Saulės iki Žemės. Ši dozė yra mirtina ir milijonus kartų didesnė už leistiną. Mirtis gali įvykti po 500 rentgenų per trumpą laiką.

Taip, drąsūs amerikiečių vaikinai tada turėjo spindėti prasčiau nei ketvirtasis Černobylio jėgainės blokas. „Kosminės dalelės yra pavojingos, jos sklinda iš visų krypčių ir reikalauja mažiausiai dviejų metrų tankio ekrano aplink visus gyvus organizmus. Tačiau kosminės kapsulės, kurias NASA demonstruoja iki šiol, buvo kiek daugiau nei 4 m skersmens. Su Modlino rekomenduojamu sienų storiu astronautai net ir be jokios įrangos nebūtų į jas tilpę, jau nekalbant apie tai, kad tokioms kapsulėms pakelti nebūtų užtekę degalų. Tačiau akivaizdu, kad nei NASA vadovybė, nei astronautai, kuriuos jie pasiuntė į Mėnulį, neskaitė savo kolegos knygų ir, palaimingai nežinodami, įveikė visus spyglius kelyje į žvaigždes.

Tačiau gal iš tiesų NASA sukūrė jiems kokius nors itin patikimus skafandrus, naudodama (aišku, labai įslaptintą) itin lengvą nuo radiacijos saugančią medžiagą? Bet kodėl jis niekur kitur nebuvo naudojamas, kaip sakoma, taikiems tikslams? Na, gerai, jie nenorėjo padėti SSRS su Černobyliu: juk perestroika dar nebuvo prasidėjusi. Bet, pavyzdžiui, 1979 m., toje pačioje JAV, Trijų mylių salos atominėje elektrinėje įvyko didelė reaktoriaus bloko avarija, dėl kurios sugedo reaktoriaus aktyvioji zona. Taigi kodėl amerikiečių likvidatoriai nepanaudojo kosminių kostiumų, pagrįstų daug reklamuojama NASA technologija, kainuojančia ne mažiau nei 7 milijonus dolerių, kad pašalintų šią atominę uždelsto veikimo bombą savo teritorijoje?

Žemės spinduliuotės diržas (ERB) arba Van Alleno diržas yra artimiausios išorinės erdvės, esančios šalia mūsų planetos, sritis, suformuota kaip žiedas, kurioje vyksta milžiniški elektronų ir protonų srautai. Žemė juos laiko dipolio magnetiniu lauku.

Atidarymas

RPZ buvo atrastas 1957–1958 m. mokslininkai iš JAV ir SSRS. „Explorer 1“ (nuotrauka žemiau), pirmasis JAV kosminis palydovas, paleistas 1958 m., pateikė labai svarbių duomenų. Amerikiečių atlikto eksperimento laive virš Žemės paviršiaus (maždaug 1000 km aukštyje) buvo rastas radiacijos diržas (vidinis). Vėliau maždaug 20 000 km aukštyje buvo aptikta antroji tokia zona. Aiškios ribos tarp vidinio ir išorinio diržų nėra – pirmasis palaipsniui virsta antruoju. Šios dvi radioaktyvumo zonos skiriasi dalelių įkrovimo laipsniu ir jų sudėtimi.

Šios sritys tapo žinomos kaip Van Alleno diržai. Jamesas Van Allenas yra fizikas, kurio eksperimentas padėjo juos atrasti. Mokslininkai nustatė, kad šie diržai susideda iš saulės vėjo ir įkrautų kosminių spindulių dalelių, kurias į Žemę traukia jos magnetinis laukas. Kiekvienas iš jų sudaro torą aplink mūsų planetą (spurgos formos figūrą).

Nuo to laiko kosmose buvo atlikta daug eksperimentų. Jie leido ištirti pagrindines ERP savybes ir savybes. Radiacijos juostas turi ne tik mūsų planeta. Jų yra ir kituose dangaus kūnuose, turinčiuose atmosferą ir magnetinį lauką. Van Alleno spinduliuotės juosta buvo atrasta JAV tarpplanetinio erdvėlaivio dėka netoli Marso. Be to, amerikiečiai jį rado prie Saturno ir Jupiterio.

Dipolio magnetinis laukas

Mūsų planetoje yra ne tik Van Alleno diržas, bet ir dipolio magnetinis laukas. Tai magnetinių apvalkalų rinkinys, įdėtas vienas kito viduje. Šio lauko struktūra primena kopūsto galvą arba svogūną. Magnetinį apvalkalą galima įsivaizduoti kaip uždarą paviršių, išaustą iš magnetinių jėgos linijų. Kuo arčiau dipolio centro yra apvalkalas, tuo didesnis magnetinio lauko stiprumas. Be to, didėja ir impulsas, reikalingas įkrautai dalelei prasiskverbti į ją iš išorės.

Taigi, N-asis apvalkalas turi Pn. Tuo atveju, kai pradinis dalelės impulsas neviršija Pn, jį atspindi magnetinis laukas. Tada dalelė grįžta į kosmosą. Tačiau atsitinka ir taip, kad jis atsiduria ant N-ojo apvalkalo. Tokiu atveju ji nebegali jos palikti. Sugauta dalelė išliks įstrigusi tol, kol išsisklaidys arba, susidūrusi su likutine atmosfera, nepraras energijos.

Mūsų planetoje tas pats apvalkalas yra skirtingais atstumais nuo žemės paviršiaus skirtingose ​​ilgumose. Taip nutinka dėl magnetinio lauko ašies neatitikimo planetos sukimosi ašiai. Šis poveikis labiausiai pastebimas per Brazilijos magnetinę anomaliją. Šiame regione nusileidžia magnetinio lauko linijos, o jomis judančios užfiksuotos dalelės gali atsidurti žemiau 100 km aukščio ir dėl to žūti žemės atmosferoje.

RPZ sudėtis

Spinduliuotės juostoje protonų ir elektronų pasiskirstymas yra nevienodas. Pirmieji yra jo vidinėje dalyje, o antrieji – išorinėje. Todėl ankstyvoje tyrimų stadijoje mokslininkai manė, kad yra išorinės (elektroninės) ir vidinės (protoninės) Žemės spinduliuotės juostos. Šiuo metu ši nuomonė nebėra aktuali.

Svarbiausias dalelių, užpildančių Van Alleno juostą, generavimo mechanizmas yra albedo neutronų skilimas. Pažymėtina, kad neutronai susidaro, kai atmosfera sąveikauja su šių nuo mūsų planetos tolstančių dalelių srautu (albedo neutronai) netrukdomai pereina per Žemės magnetinį lauką. Tačiau jie yra nestabilūs ir lengvai skyla į elektronus, protonus ir elektronų antineutrinus. Radioaktyvieji albedo branduoliai, turintys didelę energiją, suyra gaudymo zonoje. Taip Van Alleno diržas pasipildo pozitronais ir elektronais.

ERP ir magnetinės audros

Kai jos pradeda stiprėti, šios dalelės ne tik įsibėgėja, bet ir palieka Van Alleno radioaktyvųjį diržą, išsiliedamos iš jo. Faktas yra tas, kad pasikeitus magnetinio lauko konfigūracijai, veidrodžio taškai gali būti panardinti į atmosferą. Tokiu atveju dalelės, prarasdamos energiją (jonizacijos nuostoliai, sklaida), pakeičia savo žingsnio kampus, o pasiekusios viršutinius magnetosferos sluoksnius miršta.

RPZ ir Šiaurės pašvaistė

Van Allen spinduliuotės juosta yra apsupta plazmos sluoksniu, kuris yra įstrigęs protonų (jonų) ir elektronų srautas. Viena iš tokio reiškinio, kaip šiaurės (poliarinės) pašvaistės, priežasčių yra ta, kad dalelės išsilieja iš plazmos sluoksnio, o taip pat iš dalies ir iš išorinio ERB. Šiaurės pašvaistė – tai atmosferos atomų, kurie sužadinami dėl susidūrimų su iš juostos krintančiomis dalelėmis, spinduliuotė.

RPZ tyrimas

Beveik visi fundamentalūs tokių darinių, kaip radiacinės juostos, tyrimų rezultatai buvo gauti apie 1960–70-uosius. Naujausi stebėjimai naudojant tarpplanetinius erdvėlaivius ir naujausią mokslinę įrangą leido mokslininkams gauti labai svarbios naujos informacijos. Van Alleno juostos aplink Žemę ir toliau tiriamos mūsų laikais. Trumpai pakalbėkime apie svarbiausius pasiekimus šioje srityje.

Duomenys gauti iš Salyut-6

Praėjusio amžiaus 80-ųjų pradžioje MEPhI mokslininkai tyrė elektronų, turinčių didelį energijos lygį, srautą netoli mūsų planetos. Norėdami tai padaryti, jie naudojo įrangą, kuri buvo Salyut-6 orbitinėje stotyje. Tai leido mokslininkams labai efektyviai izoliuoti pozitronų ir elektronų srautus, kurių energija viršija 40 MeV. Stoties orbita (nuolydis 52°, aukštis apie 350-400 km) daugiausia praėjo žemiau mūsų planetos radiacijos juostos. Tačiau jis vis tiek palietė vidinę jo dalį šalia Brazilijos magnetinės anomalijos. Kertant šią sritį buvo aptikti stacionarūs srautai, susidedantys iš didelės energijos elektronų. Prieš šį eksperimentą ERP buvo registruojami tik elektronai, kurių energija neviršija 5 MeV.

Duomenys iš dirbtinių Meteor-3 serijos palydovų

Mokslininkai iš MEPhI atliko tolesnius matavimus mūsų planetos dirbtiniuose Meteor-3 serijos palydovuose, kurių žiedinės orbitos aukštis buvo 800 ir 1200 km. Šį kartą prietaisas labai giliai įsiskverbė į RRP. Jis patvirtino rezultatus, kurie anksčiau buvo gauti Salyut-6 stotyje. Tada mokslininkai gavo dar vieną svarbų rezultatą, naudodami magnetinius spektrometrus, įrengtus stotyse Mir ir Salyut-7. Įrodyta, kad anksčiau atrastas stabilus diržas susideda tik iš elektronų (be pozitronų), kurių energija yra labai didelė (iki 200 MeV).

Nejudančios CNO branduolių juostos atradimas

Grupė tyrėjų iš Maskvos valstybinio universiteto Mokslinių tyrimų branduolinės fizikos instituto praėjusio amžiaus 80-ųjų pabaigoje ir 90-ųjų pradžioje atliko eksperimentą, kurio tikslas buvo ištirti netoliese esančioje kosminėje erdvėje esančius branduolius. Šie matavimai buvo atlikti naudojant proporcingas kameras ir branduolines fotografijos emulsijas. Jie buvo atlikti „Cosmos“ serijos palydovuose. Mokslininkai aptiko N, O ir Ne branduolių srautų buvimą kosmoso regione, kuriame dirbtinio palydovo orbita (nuolydis 52°, aukštis apie 400-500 km) kirto Brazilijos anomaliją.

Kaip parodė analizė, šie branduoliai, kurių energija siekė kelias dešimtis MeV/nukleono, nebuvo galaktinės, albedo ar saulės kilmės, nes su tokia energija negalėjo giliai prasiskverbti į mūsų planetos magnetosferą. Taip mokslininkai atrado neįprastą magnetinio lauko užfiksuotų kosminių spindulių komponentą.

Mažos energijos atomai, esantys tarpžvaigždinėje medžiagoje, gali prasiskverbti į heliosferą. Tuomet Saulės ultravioletinė spinduliuotė juos vieną ar du kartus jonizuoja. Susidariusios įkrautos dalelės įsibėgėja saulės vėjo frontuose ir pasiekia kelias dešimtis MeV/nukleono. Tada jie prasiskverbia į magnetosferą, kur yra užfiksuoti ir visiškai jonizuojami.

Kvazistacionari protonų ir elektronų juosta

1991 m. kovo 22 d. Saulėje įvyko galingas pliūpsnis, kurį lydėjo didžiulės saulės medžiagos masės išmetimas. Jis pasiekė magnetosferą kovo 24 d. ir pakeitė savo išorinę sritį. Didelės energijos saulės vėjo dalelės prasiveržia į magnetosferą. Jie pasiekė vietovę, kurioje tada buvo amerikietiškas palydovas CRESS. Jame sumontuoti instrumentai fiksavo staigų protonų, kurių energija svyravo nuo 20 iki 110 MeV, bei galingų elektronų (apie 15 MeV) padidėjimą. Tai rodė naujo diržo atsiradimą. Iš pradžių beveik stacionari juosta buvo pastebėta daugelyje erdvėlaivių. Tačiau tik Mir stotyje jis buvo tiriamas per visą savo gyvavimo laikotarpį, kuris buvo apie dvejus metus.

Beje, praėjusio amžiaus septintajame dešimtmetyje dėl kosmose sprogusių branduolinių prietaisų atsirado beveik stacionari juosta, susidedanti iš mažos energijos elektronų. Jis egzistavo maždaug 10 metų. Radioaktyvūs dalijimosi fragmentai suskilo, o tai buvo įkrautų dalelių šaltinis.

Ar Mėnulyje yra RPZ?

Mūsų planetos palydovas neturi Van Alleno spinduliuotės juostos. Be to, jame nėra apsauginės atmosferos. Mėnulio paviršių veikia saulės vėjai. Jei jis būtų stiprus, jei tai įvyktų Mėnulio ekspedicijos metu, sudegintų ir astronautus, ir kapsules, nes būtų išleistas milžiniškas radiacijos srautas, o tai mirtina.

Ar įmanoma apsisaugoti nuo kosminės spinduliuotės?

Šis klausimas jau daugelį metų domina mokslininkus. Yra žinoma, kad nedidelėmis dozėmis spinduliuotė praktiškai neturi įtakos mūsų sveikatai. Tačiau tai saugu tik tada, kai neviršija tam tikros ribos. Ar žinote, koks radiacijos lygis yra už Van Alleno juostos, mūsų planetos paviršiuje? Paprastai radono ir torio dalelių kiekis neviršija 100 Bq 1 m 3. RPZ viduje šie skaičiai yra daug didesni.

Žinoma, Van Alleno Žemės radiacijos juostos yra labai pavojingos žmonėms. Jų poveikį organizmui ištyrė daugelis mokslininkų. Sovietų mokslininkai 1963 metais garsiam britų astronomui Bernardui Lovelui pasakė, kad jie nežino priemonių, kaip apsaugoti žmones nuo radiacijos kosmose. Tai reiškė, kad net storasieniai sovietinių prietaisų korpusai negalėjo su tuo susidoroti. Kaip plonas metalas, beveik kaip folija, naudojamas amerikietiškose kapsulėse, apsaugojo astronautus?

NASA teigimu, ji astronautus į Mėnulį išsiuntė tik tada, kai nebuvo tikimasi raketų, ką organizacija gali nuspėti. Tai leido sumažinti radiacijos pavojų iki minimumo. Tačiau kiti ekspertai tvirtina, kad galima tik apytiksliai numatyti didelių emisijų datą.

Van Alleno diržas ir skrydis į Mėnulį

Leonovas, sovietų kosmonautas, išėjo į kosmosą 1966 m. Tačiau jis vilkėjo itin sunkų švininį kostiumą. O po 3 metų astronautai iš JAV šokinėjo Mėnulio paviršiumi ir, aišku, ne su sunkiais skafandrais. Galbūt per daugelį metų NASA specialistams pavyko atrasti itin lengvą medžiagą, kuri patikimai apsaugo astronautus nuo radiacijos? vis dar kelia daug klausimų. Vienas pagrindinių argumentų tų, kurie mano, kad amerikiečiai ant jo nenusileido, yra radiacijos diržų egzistavimas.

Astronautikos pradžia buvo pažymėta daugybe atradimų, vienas iš jų – Žemės radiacijos juostų atradimas. Žemės vidinę spinduliuotės juostą po „Explorer 1“ skrydžio atrado amerikiečių mokslininkas Jamesas van Allenas. Išorinę Žemės radiacijos juostą atrado sovietų mokslininkai S. N. Vernovas ir A. E. Chudakovas po Sputnik-3 skrydžio 1958 m.

Kai kuriuose aukščiuose pirmieji palydovai pateko į sritis, kurios buvo tankiai prisotintos įkrautų dalelių, turinčių labai didelę energiją, smarkiai besiskiriančiomis nuo anksčiau stebėtų kosminių dalelių – tiek pirminių, tiek antrinių. Apdorojus duomenis iš palydovų paaiškėjo, kad kalbame apie Žemės magnetinio lauko užfiksuotas įkrautas daleles.

Yra žinoma, kad bet kokios įkrautos dalelės, patekusios į magnetinį lauką, pradeda „apvynioti“ aplink magnetinio lauko linijas, kartu judėdamos išilgai jų. Susidariusios spiralės posūkių matmenys priklauso nuo dalelių pradinio greičio, jų masės, krūvio ir Žemės magnetinio lauko stiprumo artimos žemei erdvės srityje, į kurią jos skrido ir keitė judėjimo kryptį.

Žemės magnetinis laukas nėra vienodas. Ties ašigaliais „kondensuoja“ - tampa tankesnis. Todėl įkrauta dalelė, pradėjusi judėti spirale palei magnetinę liniją, „išvažiavusi“ ja iš arti pusiaujo esančios srities, artėjant prie bet kurio ašigalio, patiria vis didesnį pasipriešinimą, kol sustoja. Ir tada grįžta atgal į pusiaują ir toliau į priešingą ašigalį, iš kur pradeda judėti priešinga kryptimi. Dalelė tarsi atsiduria milžiniškuose planetos „magnetiniuose spąstuose“.

Šios magnetosferos sritys, kuriose kaupiasi ir išlaikomos didelės energijos įkrautos dalelės (daugiausia protonai ir elektronai) ir dalelės, kurių kinetinė energija E mažesnė už kritinę, vadinamos spinduliavimo juostomis. Žemė turi tris radiacijos juostas, o dabar buvo atrastas ketvirtasis. Žemės radiacijos juosta yra toroidas.

Pirmoji tokia juosta prasideda maždaug 500 km aukštyje virš vakarinio ir 1500 km aukštyje virš rytinio Žemės pusrutulio. Didžiausia dalelių koncentracija šiame dirže – jo šerdyje – yra dviejų–trijų tūkstančių kilometrų aukštyje. Viršutinė šios juostos riba siekia tris keturis tūkstančius kilometrų virš Žemės paviršiaus.

Antrasis diržas tęsiasi nuo 10–11 iki 40–60 tūkstančių km, o didžiausias dalelių tankis yra 20 tūkstančių km aukštyje.

Išorinis diržas prasideda 60-75 tūkstančių km aukštyje.

Pateiktos juostų ribos dar tik apytiksliai nustatytos ir, matyt, tam tikrose ribose periodiškai kinta.

Šie diržai skiriasi vienas nuo kito tuo, kad pirmasis iš jų, esantis arčiausiai Žemės, susideda iš teigiamai įkrautų protonų, kurių energija yra labai didelė – apie 100 Moe. Tik tankiausia Žemės magnetinio lauko dalis galėjo juos užfiksuoti ir išlaikyti. Protonų srautas jame yra gana stabilus laikui bėgant ir nepatiria staigių svyravimų.

Antrąjį diržą daugiausia sudaro elektronai, kurių energija yra „tik“ 30–100 keV. Jame juda didesni dalelių srautai nei vidinėje juostoje, ir ji patiria staigius svyravimus.

Trečioje juostoje, kur Žemės magnetinis laukas silpniausias, sulaikomos 200 eV ir didesnės energijos dalelės.

Be to, elektronai, kurių energija mažesnė nei 1 MeV, užpildo beveik visą gaudymo sritį. Jie nėra skirstomi į diržus; jie yra visuose trijuose diržuose.

Norėdami suprasti, kaip pavojingos įkrautos dalelės radiacijos juostose yra visai gyvybei Žemėje, palyginimui pateikime pavyzdį. Taigi įprastos rentgeno spinduliuotės, trumpai naudojamos medicininiais tikslais, energija yra 30-50 keV, o galingų įrenginių, skirtų didžiuliams luitų ir metalo blokų rentgeno spinduliams - nuo 200 keV iki 2 MeV. Todėl pavojingiausi būsimiems kosmonautams ir visoms gyvybėms skrendant į kitas planetas yra pirmasis ir antrasis diržai.

Štai kodėl mokslininkai dabar taip sunkiai ir kruopščiai stengiasi išsiaiškinti šių diržų vietą ir formą bei dalelių pasiskirstymą juose. Kol kas aišku tik viena. Koridoriai, skirti gyventi tinkamiems erdvėlaiviams patekti į kitus pasaulius, bus sritys, esančios netoli Žemės magnetinių polių, kuriose nėra didelės energijos dalelių.

Kyla natūralus klausimas: iš kur atsirado visos šios dalelės? Jas daugiausia iš savo gelmių išmeta mūsų Saulė. Dabar nustatyta, kad Žemė, nepaisant didžiulio atstumo nuo Saulės, yra atokiausioje atmosferos dalyje. Tai ypač patvirtina faktas, kad kiekvieną kartą, kai didėja Saulės aktyvumas, todėl didėja Saulės skleidžiamų dalelių skaičius ir energija, antroje spinduliuotės juostoje didėja elektronų skaičius, kuris tarsi veikiamas šių dalelių „vėjas“ spaudžiamas Žemės link.

Krūvių atskyrimas į sluoksnius ir Žemės spinduliuotės juostų susidarymas vyksta veikiant akustiniam-magnetoelektriniam efektui, kuris susideda iš to, kad trumpųjų bangų spinduliuotė iš Saulės praeina per plazmą per jėgos linijas. Žemės magnetinis laukas rūšiuoja krūvius pagal jų energetinę būseną į skirtingus lygius. Tam tikras krūvių skaičius kiekviename sluoksnyje, taip pat ir Žemės paviršiuje, leidžia manyti, kad Žemė kartu su visa atmosfera gali būti laikoma elektrine mašina, kuri savo konstrukcijoje gali būti tapatinama su sferinė daugiasluoksnė, kelių rotorių, asinchroninė elektrinė talpinė-indukcinė mašina.

Dalelės, užfiksuotos Žemės magnetiniuose spąstuose, veikiamos Lorenco jėgos, patiria svyravimo judesius spiraline trajektorija išilgai magnetinio lauko linijos nuo šiaurinio pusrutulio iki pietų pusrutulio ir atgal. Tuo pačiu metu dalelės lėčiau juda (išilginis dreifas) aplink Žemę.

Dalelei judant spirale didėjančio magnetinio lauko kryptimi (artėjant prie Žemės), spiralės spindulys ir jos žingsnis mažėja. Dalelių greičio vektorius, išlikdamas nepakitęs, artėja prie lauko krypčiai statmenos plokštumos. Galiausiai tam tikrame taške (vadinamu veidrodiniu tašku) dalelė „atspindi“. Jis pradeda judėti priešinga kryptimi – į konjuguotą veidrodžio tašką kitame pusrutulyje.

Protonas, kurio energija yra ~ 100 MeV, užbaigia vieną virpesį išilgai lauko linijos nuo Šiaurės pusrutulio iki Pietų pusrutulio per ~ 0,3 sek. Tokio protono buvimo laikas („gyvenimas“) geomagnetinėje gaudyklėje gali siekti 100 metų (~ 3×109 sek.), per tą laiką jis gali atlikti iki 1010 svyravimų. Vidutiniškai užfiksuotos didelės energijos dalelės iš vieno pusrutulio į kitą svyruoja iki kelių šimtų milijonų.

Išilginis dreifas vyksta daug mažesniu greičiu. Priklausomai nuo energijos, dalelės visiškai apskrieja Žemę per laiką nuo kelių minučių iki paros. Teigiami jonai dreifuoja į vakarus, o elektronai – į rytus. Dalelės judėjimas spirale aplink magnetinio lauko liniją gali būti pavaizduotas kaip susidedantis iš sukimosi apie vadinamąjį. momentinis sukimosi centras ir šio centro transliacinis judėjimas išilgai jėgos linijos.

Magnetosferos viduje, kaip ir bet kuriame dipolio lauke, yra sritys, neprieinamos dalelėms, turinčioms kinetinę energiją E, mažiau nei kritinis. Tos pačios dalelės su energija E < E kr, kurie jau ten, negali palikti šių sričių. Šios uždraustos magnetosferos sritys vadinamos gaudymo zonomis. Žemės dipolio (kvazidipolio) lauko gaudymo zonose iš tiesų išlaikomi reikšmingi užfiksuotų dalelių (pirmiausia protonų ir elektronų) srautai.

Pirmuoju apytiksliu būdu spinduliuotės diržas yra toroidas, kuriame išskiriami du regionai:

• vidinė spinduliuotės juosta ≈ 4000 km aukštyje, kurią daugiausia sudaro protonai, kurių energija yra dešimtys MeV;
• išorinė spinduliuotės juosta ≈ 17 000 km aukštyje, kurią daugiausia sudaro elektronai, kurių energija yra dešimtys keV.

Apatinės spinduliuotės juostos ribos aukštis kinta toje pačioje geografinėje ilgumos platumoje dėl Žemės magnetinio lauko ašies polinkio į Žemės sukimosi ašį, o esant tokiai pačiai geografinei ilgumai – keičiasi platumos į pačios spinduliuotės juostos formą, dėl skirtingo Žemės magnetinio lauko linijų aukščio. Pavyzdžiui, virš Atlanto radiacijos intensyvumo didėjimas prasideda 500 km aukštyje, o virš Indonezijos – 1300 km aukštyje. Jei tie patys grafikai nubraižyti kaip magnetinės indukcijos funkcija, tada visi matavimai tilps vienoje kreivėje, o tai dar kartą patvirtina dalelių gaudymo magnetinį pobūdį.

Tarp vidinio ir išorinio spinduliavimo juostų yra tarpas, esantis nuo 2 iki 3 Žemės spindulių. Dalelių srautai išoriniame dirže yra didesni nei vidiniame. Skiriasi ir dalelių sudėtis: vidinėje juostoje yra protonai ir elektronai, išoriniame – elektronai. Neekranuotų detektorių naudojimas žymiai praplėtė informaciją apie spinduliuotės diržus. Buvo atrasti elektronai ir protonai, kurių energija atitinkamai siekė kelias dešimtis ir šimtus kiloelektronvoltų. Šių dalelių erdvinis pasiskirstymas gerokai skiriasi (palyginti su prasiskverbiančiomis).

Mažos energijos protonų didžiausias intensyvumas yra maždaug 3 Žemės spindulių atstumu nuo jo centro (maždaug 12 500 km aukštyje nuo paviršiaus). Mažos energijos elektronai užpildo visą gaudymo sritį. Jiems nėra skirstymo į vidinius ir išorinius diržus. Neįprasta daleles, kurių energija siekia dešimčių keV, priskirti kosminiams spinduliams, tačiau radiacijos juostos yra vienas reiškinys ir turėtų būti tiriamas kartu su visų energijų dalelėmis.

Protonų srautas vidiniame dirže laikui bėgant yra gana stabilus. Ankstyvieji eksperimentai parodė, kad didelės energijos elektronai ( E> 1-5 MeV) yra susitelkę išoriniame dirže. Elektronai, kurių energija mažesnė nei 1 MeV, užpildo beveik visą magnetosferą. Vidinis diržas yra labai stabilus, o išorinis patiria staigius svyravimus.

Atradimų istorija

Radiacinės juostos egzistavimą pirmasis atrado amerikiečių mokslininkas Jamesas Van Allenas 1958 m. vasarį, analizuodamas Amerikos Explorer 1 palydovo duomenis ir įtikinamai įrodė periodiškai kintančius radiacijos lygius per visą palydovo Explorer orbitą, specialiai modifikuotą Van Allenas tyrinėja atrastą reiškinį 3“. Van Alleno atradimas buvo paskelbtas 1958 m. gegužės 1 d. ir netrukus buvo patvirtintas sovietų Sputnik 3 duomenyse. Vėliau atlikta pakartotinė ankstesnio sovietinio Sputnik 2 duomenų analizė parodė, kad spinduliavimo juostas taip pat fiksavo jo įranga, skirta analizuoti saulės aktyvumą, tačiau keistų saulės jutiklio rodmenų tada nepavyko teisingai interpretuoti. Sovietų prioritetą taip pat neigiamai paveikė įrašymo įrangos trūkumas „Sputnik“ (ji nebuvo pateikta „Sputnik 2“, o ji buvo sugedusi „Sputnik 3“), dėl kurios gauti duomenys pasirodė fragmentiški ir nedavė viso vaizdo. spinduliuotės pokyčius, susijusius su aukščiu, ir artimoje žemėje esančioje erdvėje ne tik kosminę spinduliuotę, bet ir būdingą „diržą“, apimančią tik tam tikrus aukščius. Tačiau įvairesnė „Sputnik 3“ įranga padėjo išsiaiškinti vidinio diržo „sudėtį“. 1958 m. pabaigoje išanalizavus Pioneer 3 ir kiek vėlesnio „Luna 1“ duomenis, buvo atrasta išorinė spinduliuotės juosta, o amerikiečių didelio aukščio branduoliniai sprogimai parodė, kad žmonės gali paveikti Žemės radiacijos juostas. Šių duomenų analizė paskatino nuo 1959 m. vidurio palaipsniui formuotis šiuolaikinės idėjos apie dviejų radiacijos juostų aplink Žemę egzistavimą ir jų susidarymo mechanizmus.

Tyrimų istorija

2012 m. rugpjūčio 30 d. du identiški RBSP zondai buvo paleisti iš Kanaveralo kyšulio kosminio centro naudojant raketą Atlas V 410 į labai elipsinę orbitą, kurios apogėjaus aukštis yra apie 30 tūkstančių kilometrų. Radiacinės juostos audros zondai), skirtas spinduliavimo diržams tirti. Vėliau jie buvo pervadinti „Van Allen Probes“ ( Van Alleno zondai). Reikėjo dviejų prietaisų, kad būtų galima atskirti pokyčius, susijusius su perėjimu iš vieno regiono į kitą, su pokyčiais, vykstančiais pačiuose diržuose. . Vienas iš pagrindinių šios misijos rezultatų buvo trečiojo radiacijos diržo atradimas, kuris pasirodo trumpą laiką, maždaug kelias savaites. 2017 m. vasario mėn. abiejų zondų veikimas buvo tęsiamas.

Planetų spinduliuotės juostos

Dėl stipraus magnetinio lauko planetos milžiniškos (Jupiteris, Saturnas, Uranas ir Neptūnas) taip pat turi stiprią radiacijos juostą, primenančią išorinę Žemės radiacijos juostą. Sovietų ir amerikiečių kosminiai zondai parodė, kad Venera, Marsas, Merkurijus ir Mėnulis neturi radiacijos juostų.

Tyrimų istorija