Исследования, выполненные с помощью искусственных спутников Земли; показали, что наша планета окружена помимо газовой оболочки, слоями заряженных частиц большой энергии, так называемыми радиационными поясами. Открытие радиационных поясов явилось вероятно одним из самых интересных и неожиданных научных событий, связанных с проникновением человека в космос. Между тем образование этих поясов является в сущности естественным следствием наличия магнитного поля Земли и существования потоков частиц, пронизывающих космическое пространство.
Происхождение земного магнитного поля не может считаться выясненным окончательно. Несомненна однако его связь с вращением планеты и наличием токов в глубинных, жидких проводящих слоях земного ядра (эффект динамо-машины с самовозбуждением). Геометрия земного магнитного поля исследована тщательно и подробно. Земля - это гигантский линейный магнит, наклоненный под углом в 11,5 градусов к оси вращения. Центр магнитного диполя смещен приблизительно на 400 км относительно центра Земли. Магнитные силовые линии сгущаются в области высоких геомагнитных широт (рис. 1), создавая в околоземном пространстве конфигурацию кольцевой магнитной ловушки с пробками.
Смещений диполя разумеется приводит к некоторой асимметрии ловушки относительно поверхности Земли. Точнее, области с заданным значением напряженности магнитного поля располагаются на различной высоте над поверхностью в зависимости от географических координат выбранного места.
Заметим, что малая абсолютная величина напряженности магнитного поля в околоземном пространстве (десятые доли эрстеда) с лихвой компенсируется большой его протяженностью.
Радиационные пояса Земли были открыты Ван-Алленом и Верновым в 1958 г. при первых полетах советских и американских искусственных спутников. На спутниках были установлены гейгеровские счетчики заряженных частиц, предназначавшиеся первоначально для исследования космических лучей. Высотный ход интенсивности космического излучения, вплоть до расстояний порядка сотни километров над поверхностью Земли, был хорошо изучен в проводившихся ранее опытах с подъемом счетчиков на шарах-зондах и метеорологических ракетах. После начального довольно быстрого роста, связанного с уменьшением экранирующего действия атмосферы, интенсивность космического излучения достигала области насыщения. Естественно было ожидать, что примерно такой же уровень счета будет обнаружен и с помощью спутника, летящего на больших высотах. Вместо этого счетчики Гейгера на спутниках зарегистрировали периодически повторявшееся резкое (в десятки тысяч раз) повышение скорости счета. После обработки результатов измерений, т. е. пересчета временного хода показаний счетчиков на зависимость интенсивности от геофизических координат (это было нетрудно сделать, так как траектория спутника известна), оказалось, что в окрестности Земли расположена кольцеобразная область, при прохождении которой счетчики регистрируют высокую скорость счета, а следовательно, и повышенную плотность заряженных частиц. Размещая перед окнами счетчика фильтры различной толщины, можно было кроме того получить суждение об энергии частиц в поясе.
На рис. 2 приведены экспериментальные кривые, полученные в ходе подобных измерений на американских спутниках. Как видно из графиков, область стремительного возрастания скорости счета (масштаб по оси ординат - логарифмический!), т. е. граница радиационного пояса, располагается на разных высотах над поверхностью Земли в районе Атлантического и в районе океанов. Это обстоятельство находится в соответствии с отмеченной ранее асимметрией земного магнитного поля.
Последующие эксперименты установили существование еще одной области повышенного счета. Первая область, которую мы называем теперь внутренним радиационным поясом, располагается на расстоянии 1,5R от центра Земли (от 1000 до 4500 км, считая от поверхности Земли). Вторая область имеет более неопределенные меняющиеся со временем очертания, ее середина находится на расстоянии около 3,5R (рис. 3). Внутренний радиационный пояс образован частицами большой энергии (в основном это протоны и электроны); его положение и характеристики сравнительно устойчивы и регулярно воспроизводятся при повторных исследованиях.
Вопрос о происхождении радиационных поясов не может считаться полностью разъясненным. Кажется вероятным, что внутренний пояс формируется в результате распада быстрых нейтронов в соответствующих областях околоземного пространства. Точнее: космические частицы высоких энергий в верхних слоях земной атмосферы (на высоте 100 км) взаимодействуют с ядрами азота и кислорода. Возникающие при этих ядерных процессах быстрые нейтроны (примерно по четыре нейтрона на одну космическую частицу) затем распадаются на протон, электрон, и нейтрино. (Согласно закону сохранения лептонного заряда, рождение легких частиц может происходить только парами; поэтому при распаде нейтрона, помимо одной легкой частицы - электрона, рождается и вторая - нейтрино. Дальнейшая судьба нейтрино нас не интересует: электрически нейтральный, ядерно не взаимодействующий с окружающими частицами, он ускользает от наблюдения). Период полураспада нейтрона 12 минут. Некоторое число нейтронов будет застигнуто распадом в ловушечной области. Тогда при благоприятном направлении начальной скорости протоны, рожденные при распаде, окажутся захваченными в ловушку.
Приведенная картина представляется в целом достаточно правдоподобной. Количественные оценки интенсивности потока космических частиц, альбедо возникающих нейтронов, вероятности их распада в ловушечной области и наблюдаемые плотности частиц в радиационном поясе в общем согласуются между собой. Но остается непонятным, почему получаются два радиационных пояса, а не один широкий, заполняющий всю ловушечную конфигурацию магнитного поля от границ атмосферы (где захваченные частицы должны гибнуть, производя возбуждение и ионизацию молекул азота и кислорода) до областей исчезающее слабого магнитного поля. Сомнителен и неясен также механизм заполнения внешнего радиационного пояса. Несомненна его связь с потоками заряженных частиц, испускаемых Солнцем (так называемый "солнечный ветер"), но детальная картина процесса отсутствует.
Конечно, все сказанное стало бы несравненно более убедительным, если бы помимо астрофизических наблюдений были проделаны прямые эксперименты с искусственным заполнением земной ловушки частицами. С этой целью в августе 1958 г. на высоте около 480 км над поверхностью Земли над южной частью Атлантического океана был осуществлен ядерный взрыв малой мощности. Значительную часть продуктов ядерного деления составляют короткоживущие бета-активные ядра; испытывая распад в зоне ловушки, заряженные продукты ядерных реакций должны быть захвачены магнитным полем Земли. При этом заполнение радиационного пояса вокруг всего земного шара должно произойти за счет дрейфа частиц в неоднородном магнитном поле за короткое время, примерно 2-3 часа.
Искусственный радиационный пояс должен был разместиться между первым и вторым естественными поясами (см. схему рис. 4). Запущенный перед описываемым экспериментом спутник <explorer<>-IV> совершил в течение сентября 1958 г. свыше тысячи полетов сквозь искусственно созданную оболочку. При каждом пролете счетчики, установленные на спутнике, давали интенсивный всплеск счета импульсов. В качестве иллюстрации на рис. 5 приведена одна из записей интенсивности счета импульсов в функции времени. Резкий максимум отвечает пролету спутника через искусственный радиационный пояс. По известной скорости спутника и геометрии его траектории можно оценить ширину возникшей радиационной зоны она составляет около 100 км. Начальная (в первые числа сентября) скорость счета при пролете искусственного пояса в 102 - 103 раз превышала нормальную (для данных геофизических координат) скорость счета. Контрольные опыты, в которых наблюдалось прохождение спутником тех же областей околоземного пространства до инжекции частиц, не обнаруживали, как и следовало ожидать, никаких аномалий в скорости счета. Аналогичные результаты, подтверждающие появление новой радиационной зоны, были получены при запусках метеорологических ракет.
Радиационный пояс сформировался над всем земным шаром, в соответствии с приведенным выше расчетом, спустя несколько часов после инжекции. Распад пояса растянулся на несколько месяцев; так, космическая ракета <pioneer<>-III>, запущенная в декабре 1958 г., еще обнаружила слабые следы радиации, но ракета <pioneer<>-IV>, запущенная в марте 1959 г., уже не зарегистрировала практически никаких сигналов.
Географическая зона, сопряженная по отношению к месту инжекции частиц, находилась в северном полушарии над Азорскими островами. В этом районе наблюдалось искусственное полярное сияние, начавшееся через несколько минут после инжекции.
В целом опыт заполнения ловушки искусственно созданными частицами оказался удачным, и тем самым было получено прямое экспериментальное подтверждение факта существования земной магнитной ловушки.
В заключение еще один интересный вопрос. Является ли радиационная корона специфической привилегией Земли или она присуща и другим небесным телам? В трех случаях ответ нам известен. Луна, как показали исследования, проделанные впервые с помощью космических ракет, запущенных в направлении Луны в Советском Союзе, и как было подтверждено измерениями, выполненными на поверхности Луны, не обладает магнитным полем. Точнее, напряженность лунного магнитного поля не превышает 2*10-4 э. Соответственно в окрестностях Луны не обнаруживается никаких следов повышенной радиации.
Венера также лишена магнитного поля и радиационных поясов (H ~ 0,003 э). Измерения были выполнены на расстоянии 30000 км от поверхности планеты с помощью космической станции <mariner<>-II> в 1962 г. и полностью подтверждены в 1968 г. при полете и посадке на поверхность Венеры советской космической станции "Венера-III" и облете Венеры американской станцией <mariner<>-V>. Отсутствие магнитного поля вокруг Венеры возможно следует связать с ее очень медленным суточным вращением.
Магнитное поле и радиационные пояса вблизи Марса также не обнаружены. На расстоянии около 10000 км от поверхности планеты напряженность поля не превышает 3 *10-4 э, т. е. составляет меньше 1/1000 доли земного магнитного поля (IV, 1965 г.). Между тем, скоростисуточного вращения Земли и Марса почти совпадают.
Статья составлена А. Туктагуловым из материалов Л.А. Арцимовича (НПФ Сапфир)
ПОЛНОЕ ИЛИ ЧАСТИЧНОЕ ЦИТИРОВАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ ЗАПРЕЩЕНО