РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ. ЧТО МЫ ЗНАЕМ О НИХ ТЕПЕРЬ?

После трех десятилетий изучения радиационных поясов у ученых сложилось достаточно полное представление об их природе и строении. Радиационными поясами теперь принято считать область околоземного пространства, в которой магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы, обладающие кинетической энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. В их число входят протоны, электроны и α-частицы. Частицы не могут покинуть радиационные пояса из-за того, что магнитное поле здесь имеет форму так называемой магнитной ловушки, лабораторным аналогом которой может служить зеркальная ловушка, используемая для создания термоядерного синтеза. Некоторые частицы находятся здесь очень долгое время, например, протоны - многие десятилетия. Под действием силы Лоренца частицы совершают в радиационных поясах сложное движение: колебательное по спиральной траектории вдоль силовой линии из северного полушария в южное и обратно с одновременным более медленным перемещением вокруг Земли.

Радиационные пояса принято разделять на внутренний и внешний, хотя это разделение носит весьма условный характер. Внутренний пояс расположен в экваториальных широтах, и его нижняя граница находится на различной высоте над разными районами Земли. Например, над Южной Америкой пояс проходит лишь на высоте всего 200-300 км, в то время как над Австралией - на высоте 1600 км. Максимальная концентрация протонов во внутреннем поясе (а он составлен в основном этими частицами) наблюдается на высоте около 3000 км. Энергии протонов здесь лежат в пределах 20-800 МэВ. Число протонов с этими энергиями значительно уменьшается при росте расстояния от Земли и при его сокращении. Из-за своей огромной проникающей способности протоны представляют значительную опасность для экипажей космических кораблей, достигающих значительных высот. Энергия электронов внутреннего пояса, как правило, бывает порядка 100 кэВ, а максимальная их концентрация наблюдается на высотах около 3400 км от земной поверхности.

Границы внешнего радиационного пояса принято считать находящимися на расстояниях 19 тыс. и 45 тыс. км. от Земли. Здесь преобладают протоны с энергиями до нескольких сотен кэВ и электроны с энергиями от 40 до 100 кэВ.

Существующие теории объясняют появление частиц в радиационных поясах их дрейфом из «хвоста» магнитосферы во внешний пояс во время магнитных бурь под действием электрического поля и медленной диффузией частиц в магнитную ловушку при небольших вариациях магнитного поля. Процессы, приводящие к тому, что частицы покидают радиационные пояса, до сих пор остаются неясными. Лишь одна причина этого явления пока точно установлена - столкновение с частицами атмосферы. Остается надеяться, что дальнейшие исследования позволят ответить и на этот вопрос.

Исследования показали, что радиационные пояса в космосе начинаются у отметки 800 км над поверхностью Земли и простираются до 24 000 км. Поскольку уровень радиации там более или менее постоянен, входящая радиация должна приблизительно равняться исходящей. В противном случае, она либо накапливалась бы до тех пор, пока не «запекла» Землю, как в духовке, либо иссякла. По этому поводу Ван Аллен писал:

«Радиационные пояса можно сравнить с протекающим сосудом, который постоянно пополняется от Солнца и протекает в атмосферу. Большая порция солнечных частиц переполняет сосуд и выплескивается, особенно в полярных зонах, приводя к полярным сияниям, магнитным бурям и прочим подобным явлениям».

Радиация поясов Ван Аллена зависит от солнечного ветра. Кроме того, они, по-видимому, фокусируют, или концентрируют, в себе эту радиацию. Но поскольку концентрировать в себе они могут только то, что пришло напрямую от Солнца, то открытым остается еще один вопрос: сколько радиации в остальной части космоса?

У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна - она смертельна!

В 1963 году советские ученые-космологи заявили известному британскому астроному Бернарду Ловеллу (Bernard Lovell), что они не знают способа защитить космонавтов от смертельного воздействия космической радиации (15, с. 173). Это означало, что даже намного более толстостенные металлические оболочки российских аппаратов не могли справиться с радиацией. Каким же образом тончайший, почти как фольга, металл, используемый в наших капсулах, мог защитить наших астронавтов? NASA знало, что это невозможно. Космические обезьяны погибли менее чем через 10 дней после возвращения, но NASA нам так и не сообщило об истинной причине их гибели.

Большинство людей, даже сведущих в космосе, и не подозревают о существовании пронизывающей его просторы смертельной радиации. Я полагаю, что своей неосведомленностью мы обязаны тем людям, которые травят космические байки.

В «Иллюстрированной энциклопедии космической технологии» словосочетание «космическая радиация» не встречается ни разу. Более того, ни одна из прочитанных мной за многие годы книг, кроме «Перспектив межзвездных путешествий» Билла Молдина (Bill Mauldin), опубликованной в 1992 году, и «Астронавигационной науки и техники», написанной ранними экспертами NASA, даже не упоминает об этом серьезном препятствии космическим полетам. Похоже, я снова узнаю тонкую работу моего правительства…

Русские определенно знали о радиации, потому что уже весной 1961 года их датчики были отправлены к обратной стороне Луны. По возвращении в Лондон Ловелл отправил имевшуюся у него информацию администратору NASA Хью Драйдену (Hugh Dryden). Драйден проигнорировал ее!

Коллинз в своей книге упоминал о космической радиации только дважды:

«По крайней мере, Луна была далеко за пределами земных поясов Ван Аллена, что предвещало хорошую дозу радиации для тех, кто побывал там, и смертельную - для тех, кто задержался» (7, с. 62).

Таким образом, радиационные пояса Ван Аллена, окружающие Землю, и возможность солнечных вспышек требуют понимания и подготовки, чтобы не подвергать экипаж повышенным дозам радиации (7, с. 101).

Так что же означает «понимание и подготовка»? Означает ли это, что за пределами поясов Ван Аллена остальной космос свободен от радиации? Или у NASA была секретная стратегия укрытия от солнечных вспышек после принятия окончательного решения об экспедиции?

Весь XX век человечество грезило мечтами о покорении Вселенной. Лучшие писатели всего мира сочиняли книги на эту тему. Но колонизация космоса все откладывается. Возможно, одна из причин лежит в феномене под названием пояс Ван Аллена. Что это, можно понять и без широких познаний в астрофизике.

Радиационный пояс Ван Аллена: правда и заблуждения

Так называют зону насыщенных энергией заряженных частиц, которая находится во внутренней области земной магнитосферы. Пояс образовался в результате удержания магнитным полем Земли части солнечного ветра (последний состоит преимущественно из электронов, протонов и альфа-частиц).

Впервые идея о наличии такого пояса вокруг нашей планеты была высказана еще до начала космической эры. К таким выводам приходили такие ученые конца XIX - начала XX веков, как Кристиан Биркеланд, Карл Стёрмер и Николай Хрестофилу. Экспериментальное подтверждение их искания получили в 1958 году благодаря опытам американского исследователя Джеймса Ван Аллена.

Несмотря на то, что существование пояса является научно подтвержденным фактом, он окружен ореолом заблуждений . Самое главное из них заключается в том, что радиационное излучение в магнитосфере настолько велико, что способно убить любое живое существо . Тем самым скептики доказывают невозможность космических путешествий.

Состав и характеристики объекта

Радиационный пояс (РП) состоит из следующих подпоясов:

1. Внутренний;
2. Внешний;
3. Иногда на ограниченный промежуток времени образуется и третий слой РП. Такой феномен наблюдался, в частности, в 2013 году. Он просуществовал около месяца и был уничтожен межпланетной ударной волной от Солнца.

Раскроем характеристики внутреннего радиационного пояса:

• Располагается на высоте от 1 тыс. км до 24 тыс. км от поверхности планеты;
• Во время высокой солнечной активности и в некоторых географических областях (например, Бразильская магнитная аномалия) нижняя граница может спуститься до 200 км от Земли;
• Состоит из электронов и протонов, энергия которых превышает 100 электронвольт. Считается, что протоны здесь образуются благодаря бета-распаду из нейтронов в результате воздействия космических лучей;
• Протоны более низких энергий образуются во время геомагнитных бурь.

Наглядно изображение внутреннего РП было получено в 2014 году. Рисунок напоминал «зебру» из-за эффектов, вызванных природой магнитного поля Земли.

Преодоление пояса Ван Аллена

Считается, что околоземная радиационная зона представляет собой значительное препятствие для возможных космических путешествий. И в значительной мере это правда:

1. Радиация может повредить солнечные батареи, интегральные схемы и датчики. Миниатюризация и оцифровка электроники сделали космические аппараты более уязвимыми для излучения, поскольку суммарный электрический заряд в этих цепях достаточно небольшой;
2. Чтобы избежать негативных эффектов, применяются радиационно-стойкие технологии. Например, спутники в околоземной орбите имеют защитный слой из 3 мм алюминия;
3. Очевидно, что прохождение через РП наносит человеческому организму определенный урон. В живых космонавтам удается оставаться лишь благодаря тому, что находятся они в этой области крайне непродолжительный период времени;
4. Полученная астронавтами суммарная радиация варьируется от миссии к миссии. В среднем она составляет 1,6 - 11,4 миллигрей. Это гораздо меньше тех доз, которые получают работающие на земле работники атомных электростанций;
5. Чтобы получить смертельную дозу, человеку необходимо «висеть» в околоземной орбите более месяца.

Для минимизации излучения от РП российский физик Валентин Данилов предложил запустить в небо спутники и растянуть между ними тросы длиной по 100 км. Идея оказалась достаточно привлекательной и получила дальнейшее теоретическое развитие в США под названием HiVOLT .

Свойства внешней радиационной оболочки

С физической точки зрения внешний пояс гораздо более интересен своего внутреннего собрата, поскольку в большей степени подвергается влиянию солнечной активности:

• Располагается на высоте от 13 000 до 60 000 километров и обладает почти тороидальной формой (другими словами, в виде бублика);
• Состоит преимущественно из электронов, значение энергий которых колеблется в пределах от 0,1 до 10 мегаэлектронвольт;
• В 2014 году было обнаружено, что внутренняя граница внешнего РП является достаточно резкой. Ниже ее электроны проникнуть не могут. В чем причина образования такого щита, до конца не понятно;
• По размеру он гораздо больше, чем внутренний РП. Количество частиц в нем колеблется в зависимости от геомагнитных бурь и плазменных возмущений, производимых Солнцем;

В 2011 году было обнаружено, что в составе потока находятся также античастицы. В результате взаимодействия верхних слоев атмосферы с космическими лучами образуются антипротоны. Их энергия составляет около 60-750 МэВ.

Пояс Ван Аллена и полет на Луну

Выше мы уже рассматривали все риски, которые сопровождают космонавта при прохождении через внутреннюю часть магнитосферы. Известны они не только из теоретических выкладок.

Полет американцев на Луну стал первым экспериментом, который проверил на прочность человеческий организм в космических условиях:

• Известно, что магнитные бури значительно увеличивают активность протонов высоких энергий. Такие аномалии предваряли многие лунные миссии, в частности, «Аполлон-8» и «Аполлон-17»;
• Если бы полеты походили без защиты (как самих летательных устройств, так и скафандров), все закончилось бы плачевно. Так, после магнитного шторма, прошедшего на 31 октября 1968 года, доза излучения увеличилась в несколько раз;
• Однако полеты не только не заканчивались летальным исходом, но и привели к весьма интересным результатам. Вес астронавта Шепарда (из «Аполлон-14») увеличился, участники миссии не принимали никаких медикаментов, последствий для организма ни одного из них не было;
• Такой эффект был достигнут благодаря высококачественной защите и кратковременному пребыванию в РП. Хотя многие скептики полагают, что отсутствие вреда для здоровья говорит об отсутствии факта полета на Луну.

Планета Земля окружена плотным слоем электронов и протонов, которые попадают в область магнитного поля преимущественно от Солнца. Этот слой известен под названием пояс Ван Аллена. Что это такое, было известно еще в начале XX века. Но на доказательство его существования ушло немало десятков лет.

Видео о радиационном поясе Земли

В данном ролике академик, астрофизик Борис Боярышников расскажет несколько необычных фактов про радиационный пояс Земли Ван Алена:

Первый американский космический спутник «Эксплорер 1», запущенный в 1958 г., вскоре подтвердил научную ценность исследований космоса. Благодаря бортовому эксперименту, в 1000 км над поверхностью Земли был обнаружен пояс радиации, в 100 миллионов раз превышающей естественный радиационный фон планеты. Вторая такая зона радиации была обнаружена позже на высоте 20 000 км.

Эти области зоны известны как «пояса Ван Аллена» (по имени физика Джеймса Ван Аллена, чей эксперимент помог их выявить). Они состоят из заряженных частиц космических лучей и солнечного ветра, притягиваемых магнитным полем Земли. Каждый из поясов образует вокруг Земли тор (фигуру, напоминающую по форме пончик). Соотношение и энергетический уровень заряженных частиц различаются во внутреннем и внешних поясах.

Как показано на верхней диаграмме, пояса Ван Аллена насыщены высоко заряженными протонами. Нижняя диаграмма иллюстрирует содержание высоко заряженных электронов (области наиболее высокой концентрации выделены темным цветом).

Внутренний пояс Ван Аллена

Большинство протонов и электронов во внутреннем поясе Ван Аллена - продукты распада нейтронов. Последние, в свою очередь, являются результатом столкновений частиц космических лучей с атомами водорода и гелия в верхних слоях атмосферы

Внешний пояс Ван Аллена

Внутренний и внешний пояса различаются по своему составу и силе заряда. Внешний улавливает частицы главным образом из солнечного ветра, а не из космических лучей. Во внутреннем поясе Ван Аллена больше протонов, чем во внешнем.

Структура поясов

Между двумя поясами Ван Аллена нет четкой границы - внутренний пояс постепенно переходит во внешний. Две эти радиоактивные зоны, как уже отмечалось, различаются по составу своих частиц и степени их заряженности.

Магнитное поле Земли

Земля подобна огромному магниту, чьи силовые линии формируют магнитосферу. Давление плазмы солнечного ветра сжимает магнитосферу на дневной стороне планеты и растягивает ее на ночной стороне. Составляющие плазму протоны и электроны улавливаются магнитным полем благодаря своему электрическому заряду. Пояса Ван Алле-на простираются на расстоянии примерно от 1000 до 25 000 км от Земли.