Радиационные пояса

В начале XX в. норвежские ученые Биркеланд и Штермер показали, что магнитное поле Земли может являться своеобразной ловушкой для заряженных частиц. Попадая в магнитосферу, частицы не могут выбраться наружу и должны на длительное время застревать там. Тем не менее обнаружение при полетах первых искусственных спутников огромной концентрации энергичных заряженных частиц в ближайших окрестностях Земли - радиационных поясов - было столь большой неожиданностью, что некоторое время ученые не могли понять, в чем тут дело. Дальнейшие измерения показали, что существование вокруг Земли поясов энергичных частиц - неоспоримый факт. Интенсивные экспериментальные и теоретические исследования радиационных поясов показали, что действительно геомагнитное поле захватывает и удерживает внутри магнитосферы огромное число энергичных заряженных частиц - протонов и электронов.

Рис. 47. Схема возникновения силы Лоренца

Каким же образом геомагнитное поле удерживает эти частицы? Чтобы понять это, вспомним основные закономерности движения заряженной частицы в магнитном поле.

На частицу, движущуюся со скоростью V в магнитном поле, напряженность которого равна В, действует сила Лоренца f, равная

где е - заряд частицы, а с - скорость света. Мы видим, что сила Лоренца пропорциональна векторному произведению [VB]. Следовательно, она направлена перпендикулярно и к вектору скорости V, и к вектору напряженности В (рис. 47). Абсолютная величина силы Лоренца пропорциональна BV sin 0, где 0 - угол между векторами скорости V и напряженности поля В (питч-угол).

Под действием силы Лоренца частица должна вращаться вокруг магнитной силовой линии в плоскости, перпендикулярной В. Это вращение называется циклотронным. Радиус циклотронного вращения (ларморовский радиус) частицы при этом равен

где v = V sin 0 - компонент скорости, перпендикулярный вектору B, а m - масса частицы. Таким образом, чем сильнее поле, т. е. чем больше В, тем меньше радиус l, а чем больше энергия частицы, т. е. чем больше скорость v, тем l больше. Если ларморовский радиус много меньше радиуса Земли R, то частица не достигает земной поверхности, а захватывается геомагнитным полем. Если же l много больше R, то частица легко достигает поверхности Земли. Расчеты показывают, что частицы проникают сквозь магнитосферу в экваториальных районах, если их энергия превышает 10⁹ эВ. К этим частицам относятся в основном электроны, протоны и ядра тяжелых элементов, приходящие со скоростями, близкими к скорости света, из космического пространства. Их называют космическими лучами.

Если питч-угол 0 равен нулю, т. е. вектор скорости V параллелен направлению поля B, то, очевидно, сила f = 0, и частица будет просто двигаться вдоль магнитной силовой линии. В общем случае, когда питч-угол больше 0°, но меньше 90°, частица совершает как циклотронное вращение, так и поступательное движение вдоль магнитной силовой линии, т. е. траектория ее движения есть спираль, осью которой является магнитная силовая линия.

Доказано, что при таком движении частички в магнитосфере выполняются законы сохранения энергии и магнитного момента ее:

При движении частицы от экватора, где геомагнитное поле слабое, к одному из полюсов, где поле сильное в силу закона (26), скорость циклотронного вращения v будет увеличиваться. В то же время скорость поступательного движения частички u = V cos 0 в силу закона сохранения энергии должна уменьшаться. В некоторой точке скорость и становится равной нулю. Эта точка называется зеркальной. В ней происходит как бы отражение заряженной частички. Составляющая скорости u меняет знак на противоположный, и частица начинает двигаться от зеркальной точки в обратном направлении с увеличивающейся скоростью. После пересечения экватора частица вновь замедляет свое поступательное движение, пока снова не отразится от зеркальной точки уже другого полушария. Так, движение частичек из одного полушария в другое может повторяться многие миллионы раз.

Рис. 48. Траектория движения заряженной частицы в геомагнитном поле

Хотя описанные движения частички в магнитном поле Земли очень сложны, все же в действительности она совершает еще более сложное движение. Как показывает теория, помимо циклотронного вращения и колебательного движения между зеркальными точками, частичка совершает движение (дрейфует) вдоль параллели. Этот дрейф возникает вследствие того, что частичка совершает свои движения в неоднородном по вертикали геомагнитном поле и, кроме того, из-за действия на нее при движении вдоль искривленной магнитной силовой линии центробежной силы. Направление дрейфа зависит от заряда частички. В геомагнитном поле электроны дрейфуют вокруг Земли с запада на восток, а протоны - с востока на запад.

Для иллюстрации всего сказанного выше о движениях заряженных частиц в геомагнитном поле на рис. 48 приведены спроектированная на земную поверхность траектория частички и все три вида ее движения: циклотронное вращение вокруг силовых линий (I), поступательное движение вдоль силовых линий (II) и дрейфовое движение вдоль параллели (III).

Каково же характерное время этих трех движений частички? На данный вопрос нельзя ответить просто, так как время зависит от заряда и массы частички, а также от напряженности магнитного поля. Для частиц, заполняющих магнитосферу Земли, период циклотронного вращения составляет 10^-6-10^-3 сек.; период поступательного движения между зеркальными точками - 0,1-10 сек., а полный оборот вокруг Земли в результате дрейфа длится от нескольких минут до нескольких суток.

В соответствии с особенностями движений, которые совершают частички, заполняющие магнитосферу Земли, их можно разделить на два вида.

1. Авроральная радиация, или радиация полярных сияний, - частицы, находящиеся внутри магнитосферы, но на больших удалениях от Земли. Эти частицы способны совершать лишь циклотронное вращение и колебательное движение между зеркальными точками. Дрейфовое движение у них либо очень мало, либо в результате дрейфа частицы уходят в хвост и теряются там. Таким образом, частицы авроральной радиации лишь ненадолго оказываются в "плену" у магнитосферы. Энергия частиц авроральной радиации в сотни и тысячи раз превышает энергию частиц солнечного ветра. Так, авроральные электроны имеют энергию от 1 до 100 кэВ, а протоны - от 10 до 1000 кэВ. Напомним, что частицы солнечного ветра имеют энергию несколько электронвольт для электронов и около 1 кэВ - для протонов.

2. Захваченная радиация - частицы, способные совершать все три вида периодических движений. Эти частицы дрейфуют вдоль параллелей по орбитам, которые огибают Землю и замыкаются в пределах магнитосферы, так что, в отличие от частиц авроральной радиации, они прочно удерживаются геомагнитным полем; отсюда и их название. Частицы захваченной радиации "живут" годы. За время своей жизни они миллионы и миллиарды раз совершают колебания между зеркальными точками северного и южного полушарий и много раз обращаются вокруг Земли.

Захваченная радиация занимает область, расположенную вблизи сердцевины магнитосферы. Границы этой области определяются конфигурацией силовых линий геомагнитного поля. Внутренняя, т. е. ближайшая к Земле граница, расположена в экваториальных районах на высоте от 600 до 1000 км над земной поверхностью. С увеличением геомагнитной широты она опускается вниз и на широтах ±65° снижается до 100 км. Внешняя граница области захваченной радиации начинается на широтах +65° на высоте около 100 км. С уменьшением широты она быстро растет и доходит на экваторе до 35 000 км с ночной стороны и до 50 000 км с дневной. Границы области захваченной радиации проектируются вдоль силовых линий на земную поверхность в виде двух колец (по одному в северном и южном полушариях), которые располагаются внутри зон полярных сияний, т. е. зон, где наиболее часто наблюдаются полярные сияния.

Область захваченной радиации заполнена частицами (в основном электронами и протонами различных энергий). На первых этапах изучения этой области были обнаружены две четко разделенные зоны радиации, которые в виде огромных колец охватывали Землю вокруг геомагнитного экватора. Они были названы внешним и внутренним радиационными поясами. Дальнейшие исследования показали, что четкой границы между этими поясами не существует. Первоначальное же различие между ними объясняется тем, что в первых экспериментах аппаратура регистрировала лишь высокоэнергичные протоны с энергиями более 30 МэВ, потоки которых наиболее интенсивны во внутреннем поясе, и высокоэнергичные электроны с энергиями более 1,6 МэВ, потоки которых наиболее интенсивны во внешнем поясе. В настоящее время установлено, что вся область захваченной радиации и даже вся магнитосфера заполнены энергичными заряженными частицами и только лишь из-за неравномерного распределения их по высоте имеет смысл выделять отдельные пояса радиации.

Распределение электронов внутри области захваченной радиации характеризуется двумя устойчивыми максимумами интенсивности с минимумом между ними.

Первый максимум интенсивности, который называется внешним электронным поясом, находится в экваториальных районах на расстоянии от 4 до 6 земных радиусов R от центра Земли (рис. 49). Здесь преобладают электроны о энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ. Интенсивность потока электронов с энергией больше 40 кэВ в этом поясе составляет ≈10⁸ частиц/см²×сек.

Рис. 49. Схема экваториального сечения околоземного космического пространства:А - невозмущенная область солнечного ветра; Б - магнитопауза; В - магнитосфера; 1 - пояс возмущенной солнечной плазмы; 2 - внешний электронный пояс; 3 - протонный пояс; 4 - внутренний электронный пояс; 5 - кольцо полярных сияний

Второй максимум интенсивности - внутренний электронный пояс - находится вблизи внутренней границы области захваченной радиации. Здесь преобладают электроны с энергиями от десятков до сотен кэВ. Интенсивность потока электронов с энергией больше 20 кэВ достигает 10⁹ частиц/см²×сек. В настоящее время эта зона в значительной степени заполнена электронами от высотных ядерных взрывов, которые были произведены американцами в 1958-1962 гг. Расчеты показывают, что искусственные электроны будут существовать еще не менее 20 лет.

Между внутренним и внешним электронными поясами на расстоянии 3-4 R от центра Земли потоки электронов обнаруживают минимум.

Распределение протонов в области захваченной радиации имеет более простую закономерность. При движении к Земле энергия протонов растет от 100 кэВ вблизи внешней границы до десятков МэВ вблизи внутренней границы области захваченной радиации. Суммарный поток протонов при этом тоже растет до 3,5R, но затем, по мере приближения к Земле, убывает. Таким образом, на расстоянии 3,5R, где поток электронов минимален, поток протонов обнаруживает максимум. Этот максимум называется протонным поясом. Здесь преобладают протоны с энергиями от 150 кэВ до 4,5 МэВ. Суммарная интенсивность потока протонов разных энергий достигает 7×10⁸ частиц/см²×сек. Такой поток протонов может оказывать уже заметное влияние на магнитное поле Земли.

Частички, находящиеся в магнитосфере, претерпевают изменения как по расположению в пространстве, так и по интенсивности во времени. Эти изменения заметны для внутреннего электронного и протонного поясов, велики для внешнего электронного пояса и огромны для областей авроральной радиации. Движение частиц постоянно в большей или меньшей степени возмущается. В результате их зеркальные точки могут опускаться в верхние слои атмосферы до 100 км и ниже, где частички сталкиваются с молекулами воздуха и выбывают или "высыпаются" из областей авроральной и захваченной радиации. Наиболее часто высыпаются частицы вблизи зон полярных сияний. Энергия частиц тратится на ионизацию и разогрев воздуха. В спокойных условиях вследствие высыпания частиц вблизи зон полярных сияний выделяется энергия, поток которой равен 0,1-1 эрг/см²×сек. Когда же количество высыпающихся частиц увеличивается до такой степени, что поток энергии доходит до 3 эрг/см²×сек, то возникает слабое полярное сияние. В случае очень яркого сияния этот поток достигает 10³ эрг/см²×сек. При этом расход частиц настолько велик, что всего запаса их в области захваченной радиации (оценки показывают, что общая масса частиц захваченной радиации не превышает 1 кг) могло бы хватить лишь на небольшое время. Между тем высыпание происходит непрерывно.

Как уже отмечалось выше, полярные сияния в основном возникают на высотах 95-120 км. Поскольку электроны и протоны обладают в воздухе вполне определенным пробегом, то можно показать путем расчета, что полярные сияния вызываются в основном высыпающимися электронами с энергией около 10 кэВ и протонами с энергией около 100 кэВ. Но частички с такой энергией находятся в основном в области авроральной радиации. Это еще раз указывает, что за полярные сияния ответственна не захваченная, а авроральная радиация. Отсюда и название ее - авроральная, т. е. связанная с полярными сияниями.

Откуда же берутся захваченные и авроральные частички? Происхождение их в магнитосфере пока не совсем ясно. Весьма вероятно, что частицы авроральной и захваченной радиаций являются частицами солнечного ветра, попавшими в геомагнитную ловушку и изменившими свою первоначальную энергию. Однако не совсем ясно, каким образом частички солнечного ветра проникают в магнитосферу Земли и каким образом они ускоряются до энергий, в сотни и тысячи раз превышающих энергию частиц солнечного ветра.