Физическая энциклопедия

РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ


внутренние области земной магнитосферы, в к-рых магн. поле Земли удерживает заряж, ч-цы (протоны, эл-ны, альфа-частицы и ядра более тяжёлых хим. элементов), обладающие кинетич. энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. Выходу заряж. ч-ц из Р. п. 3. мешает особая конфигурация силовых линий геомагн. поля, создающего для заряж. ч-ц магн. ловушку. Р. п. 3. были открыты в 1958: внутр. пояс группой амер. учёных под руководством Дж. Ван Аллена, внеш. пояс сов. учёными во главе с С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым. Потоки ч-ц Р. п. 3. были зарегистрированы счётчиками Гейгера, установленными на ИСЗ.
Принципиальная возможность существования магн. ловушки в магн. поле Земли была показана расчётами норв. геофизика К. Стёрмера (1913) и швед. физика X. Альфвена (1950), но лишь эксперименты на спутниках показали, что ловушка реально существует и заполнена ч-цами высоких энергий. Захваченные в магн. ловушку Земли ч-цы под действием Лоренца силы совершают сложное движение, к-рое можно представить как колебат. движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магн. поля из Сев. полушария в Южное и обратно с одновременным более медленным перемещением (долготным дрейфом) вокруг Земли (рис. 1). Когда ч-ца движется по спирали в сторону увеличения магн. поля (приближаясь к Земле), радиус спирали и её шаг уменьшаются. Вектор скорости ч-цы, оставаясь неизменным по величине, приближается к плоскости, перпендикулярной направлению поля.
Рис.1. Движение заряж. ч-ц, захваченных в гоомагн. ловушку (а). Ч-цы движутся по спирали вдоль силовой линии магн. поля Земли (б) и одновременно дрейфуют по долготе.
Наконец, в нек-рой точке (наз. зеркальной) происходит «отражение» ч-цы. Она начинает двигаться в обратном направлении — к сопряжённой зеркальной точке в др. полушарии. Одно колебание вдоль силовой линии из Сев. полушария в Южное протон с энергией =100 МэВ совершает за время =0,3 с. Время нахождения («жизни») такого протона в геомагн. ловушке может достигать 100 лет (=3•109 с), за это время он может совершить до 1010 колебаний. Долготный дрейф происходит со значительно меньшей скоростью. В зависимости от энергии ч-цы совершают полный оборот вокруг Земли за время от неск. минут до суток. Положит. ионы дрейфуют в зап. направлении, электроны — в восточном. Движение ч-цы по спирали вокруг силовой линии магн. поля можно представить как состоящее из вращения около т. н. мгновенного центра вращения и поступат. перемещения этого центра вдоль силовой линии.
При движении заряж. ч-цы в магн. поле Земли её мгновенный центр вращения находится на одной и той же поверхности, получившей назв. магн. оболочки (рис. 2).
Рис. 2. Поверхность, описываемая ч-цей (эл-ном) радиац. пояса; осн. характеристикой поверхности явл. параметр L; N и S — магн. полюсы Земли.
Магн. оболочку характеризуют параметром L, его численное значение в случае дипольного поля (см. ДИПОЛЬ) равно расстоянию, выраженному в радиусах Земли, на к-рое отходит магн. оболочка в экваториальной плоскости диполя от центра диполя. Для реального магн. поля Земли параметр L приближённо сохраняет такой же простой смысл. Энергия ч-ц связана со значением параметра L; на оболочках с меньшими значениями L находятся ч-цы, обладающие большими энергиями. Это объясняется тем, что ч-цы высоких энергий могут быть удержаны лишь сильным магн. полем, т. е. во внутр. областях магнитосферы.
Рис. 3. Структура радиац. поясов Земли (сечение соответствует полуденному меридиану): I —внутр. пояс, II —пояс протонов малых энергий, III — внеш. пояс, IV— зона квазизахвата.
Обычно выделяют внутр. и внеш. Р. п. 3., пояс протонов малых энергий (пояс кольцевого тока) и зону квазизахвата ч-ц (рис. 3) или авроральной радиации (по латинскому названию полярных сияний). Внутр. Р. п. 3. характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 МэВ) с максимумом плотности потока протонов с энергией ?р>20 МэВ до 104 протон/(см2•с•ср) на расстоянии L=l,5. Во внутр. поясе присутствуют также эл-ны с энергиями от 20—40 кэВ до 1 МэВ; плотность потока эл-нов с ?р?40 кэВ составляет в максимуме =106—107 эл-н/(см2•с•ср). С внеш. стороны этот пояс ограничен магн. оболочкой с L=2, к-рая пересекается с поверхностью Земли на геомагн. широтах =45°. На ниж. границе внутр. пояса (на высотах 200—300 км) ч-цы, испытывая частые столкновения с атомами и молекулами атм. газов, теряют свою энергию, рассеиваются и «поглощаются» атмосферой.
Внеш. Р. п. 3. заключён между магн. оболочками с L=3 и L=6 с макс. плотностью потока ч-ц на L=4—4,5. Для внеш. пояса характерны эл-ны с энергиями 40—100 кэВ, поток к-рых в максимуме достигает 106—107 эл-н/(см2•с•ср). Среднее время «жизни» частиц внеш. Р. п. 3. составляет 105—107 с. В периоды повышенной солнечной активности во внеш. поясе присутствуют также эл-ны больших энергий (до 1 МэВ и выше).
Пояс протонов малых энергий (=0,03 —10 МэВ) простирается от L=l,5 до L=7—8. Зона квазизахвата, или авроральной радиации, расположена за внеш. поясом, она имеет сложную пространс7в. структуру, обусловленную деформацией магнитосферы солнечным ветром (потоком заряж. ч-ц от Солнца). Осн. ч-цами в зоне квазизахвата явл. эл-ны и протоны с энергиями ?<100 кэВ. Внеш. пояс и пояс протонов малых энергий ближе всего (до высоты 200—300 км) подходит к Земле на широтах 50—60°. На широты выше 60° проецируется Зона квазизахвата, совпадающая с , областью макс. частоты появления полярных сияний.
Энергетич. спектры для всех ч-ц Р. п. 3. описываются ф-циями вида: N(?)=?-g, где N(?)— число ч-ц с данной энергией ?, или N(?)=e-?/?0 c характерными значениями g»1,8 для протонов в интервале энергий ? от 40 до 800 МэВ, ?0=200—500 кэВ для эл-нов внеш. и внутр. поясов и ?0=100 кэВ для протонов малых энергий.
Происхождение захваченных ч-ц с энергией, значительно превышающей среднюю энергию теплового движения атомов и молекул атмосферы, связывают с действием неск. физ. механизмов: распадом нейтронов, созданных космическими лучами в атмосфере Земли (образующиеся при этом протоны пополняют внутр. Р. п. 3.); «накачкой» ч-ц в пояса во время геомагн. возмущений (магн. бурь), к-рая в первую очередь обусловливает существование эл-нов внутр. пояса; ускорением и медленным переносом ч-ц солнечного происхождения из внеш. во внутр. области магнитосферы (так пополняются эл-ны внеш. пояса и пояс протонов малых энергий). Проникновение ч-ц солнечного ветра в Р. п. 3. возможно через особые точки магнитосферы (т. н. дневные полярные каспы; рис. 4), а также через т. н. нейтральный слой в хвосте магнитосферы (с её ночной стороны). В области дневных каспов и в нейтральном слое хвоста геомагн. поле резко ослаблено и не явл. существенным препятствием для заряж. ч-ц межпланетной плазмы. Частично Р. п. 3. появляются также за счёт захвата протонов и эл-нов солнечных косм. лучей, проникающих во внутр. области магнитосферы.
Рис. 4. Строение магнитосферы Земли в плоскости, проходящей через магн. полюсы Земли и линию Земля — Солнце. Стрелками указаны области, через к-рые ч-цы солнечного ветра проникают в магнитосферу.
Перечисленных источников ч-ц, по-видимому, достаточно для создания Р. п. 3. с характерным распределением потоков ч-ц. В Р. п. 3. существует динамич. равновесие между процессами пополнения поясов и процессами потерь ч-ц. В основном ч-цы покидают Р. п. 3. из-за потери своей энергии на ионизацию (эта причина ограничивает, напр., пребывание протонов внутр. пояса в магн. ловушке временем =109 с), из-за рассеяния ч-ц при столкновениях с ч-цами окружающей холодной плазмы и рассеяния на магн. неоднородностях и плазменных волнах разл. происхождения (см. ПЛАЗМА). Рассеяние может сократить время «жизни» эл-нов внеш. пояса до 104—105 с. Эти эффекты приводят к нарушению условий стационарного движения ч-ц в геомагн. поле (т. н. адиабатич. инвариантов) и к «высыпанию» ч-ц из Р. п. 3. в атмосферу вдоль силовых линий магн. поля. Высыпание ч-ц из магн. ловушки, в особенности из зоны квазизахвата (авроральной радиации), приводит к усилению ионизации ионосферы, а интенсивное высыпание — к полярным сияниям.
Р. п. 3. представляют собой серьёзную опасность при длит. полётах в околоземном пр-ве. Потоки протонов малых энергий могут вывести из строя солнечные батареи и вызвать помутнение тонких оптич. покрытий. Длит. пребывание во внутр. поясе может привести к лучевому поражению живых организмов внутри косм. корабля под воздействием протонов высоких энергий. Кроме Земли, радиац. пояса существуют у Меркурия, Юпитера и Сатурна. Радиац. пояса Юпитера и Сатурна имеют значительно большую протяжённость и большие энергии ч-ц и плотности потоков ч-ц, чем Р. п. 3.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1983.


  1. радиационные пояса земли—РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ внутренние области земной магнитосферы в крых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы протоны электроны альфачастицы iобладающие кинет...Большая советская энциклопедия
  2. радиационные пояса земли—внутренние области земной магнитосферы в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы Протоны emЭлектроны emАльфачастицы обладающие кинетической энергией от...Большая Советская энциклопедия II
  3. радиационные пояса земли—области околоземного пространства характеризующиеся повышенной плотностью потоков заряженных частиц обусловленной удержанием их магнитным полем Земли длительное пребывани...Большой медицинский словарь
  4. радиационные пояса земли—области околоземного пространства характеризующиеся повышенной плотностью потоков заряженных частиц обусловленной удержанием их магнитным полем Земли длительное пребывани...Медицинская энциклопедия
  5. радиационные пояса земли—радиационные пояса земли области околоземного пространства характеризующиеся повышенной плотностью потоков заряженных частиц обусловленной удержанием их магнитным полем ...Словарь медицинских терминов