Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Радиационные пояса Земли

Запуски искусственных спутников Земли и космических ракет ознаменовали новую эпоху в развитии представлений об околоземном, межпланетном и галактическом пространстве. Впервые появилась возможность проведения прямых измерений на больших высотах и за пределами земной атмосферы. С помощью первых искусственных спутников Земли (ИСЗ) и ракет были открыты радиационные пояса Земли — потоки заряженных частиц, в основном электронов и протонов, захваченных геомагнитным полем. Это открытие было совершенно неожиданным для ученых всего мира.

Открытие и первые исследования (1958—1959 гг.)

До полета первых космических аппаратов сведения о магнитном поле и атмосфере Земли на больших высотах могли быть получены либо косвенным путем, либо с помощью расчетных моделей, а следовательно были недостаточно точны. Приборы, установленные на первых искусственных спутниках и космических ракетах, не были рассчитаны на регистрацию интенсивных потоков заряженных частиц, поскольку не предполагалось, что они могут существовать на больших высотах.

Впервые возрастание интенсивности радиации за пределами атмосферы Земли было зарегистрировано в пол ярных районах 7 ноября 1957 г. советским ИСЗ-2, однако оно не было интерпретировано авторами эксперимента как проявление геомагнитно-захва- ченной радиации, возможно потому, что возрастание было сравнимо с фоном галакти - ческих космических лучей. И лишь на борту советского ИСЗ-З, выведенного на орбиту 15 мая 1958 г., был установлен сцинтилляционный счетчик, позволяющий определять природу частиц, в т. ч. отличать электроны от протонов. Оказалось, что при прохождении спутника над полярными районами прибор регистрировал постоянно существующие потоки электронов с энергией больше 100 кэВ, причем с ростом высоты или уменьшением напряженности магнитного поля интенсивность этих потоков возрастала. Объяснение могло быть только одно — в этой области пространства на силовых линиях геомагнитного поля существует захваченная радиация, т. е. радиация, состоящая из частиц, совершающих многократные отражения в геомагнитном поле. Так был открыт внешний радиационный пояс Земли. За это открытие советские ученые С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков были удостоены Ленинской премии (1960 г.), а группа ученых в составе С. Н. Вернова, А. Е. Чудакова, П. В. Вакулова, Е. В. Горчакова, Ю. И. Логачева получила диплом об открытии внешнего радиационного пояса Земли Государственного реестра открытий СССР (1963 г.).

Уникальные сведения о свойствах радиации были получены и при прохождении ИСЗ-З над экваториальными районами, где американские спутники «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3», ранее выведенные на орбиту, обнаружили зону повышенной радиации, получившую впоследствии название внутреннего радиационного пояса Земли. На этих спутниках в качестве детектора радиации использовались газоразрядные счетчики, имевшие небольшой диапазон измерения интенсивности и не позволяющие определять природу частиц. Данные ИСЗ-З показали, что явление повышенной радиации в экваториальных районах обусловлено наличием потоков протонов с энергией больше 100 МэВ, а распределение интенсивности протонов в зависимости от высоты однозначно подтвердило, что существование области повышенной радиации связано с геомагнитно-захваченными частицами.

Вскоре после запуска советского ИСЗ-З на орбиту были выведены 3 американские космические ракеты серии «Пионер», спутники «Эксплорер-4», «Эксплорер-6» и 3 советские космические ракеты. Проведенные ими измерения подтвердили и дополнили полученную во время первых полетов информацию. Наиболее ценную информацию эти измерения внесли в изучение радиационных поясов на больших высотах. Таким образом, в 1958—1959 гг. были открыты радиационные пояса Земли и определены их основные свойства, в т. ч. получены первые данные о временных вариациях радиационных поясов, т. е. об изменениях во времени пространственного распределения и энергетического спектра образующих их частиц. Уже по результатам полета ИСЗ-З выяснилось, что потоки частиц внешнего радиационного пояса подвержены существенным временным изменениям, которые определяются солнечной и геомагнитной активностью, в то время как внутренний радиационный пояс является более стабильным образованием.

Дальнейшие исследования

Открытие и первые исследования радиационных поясов были сделаны в годы высокой солнечной активности (1958—1959 гг.). Последующие исследования проходили в годы ее снижения (минимум солнечной активности наблюдался в 1964 г.). Особенно актуальным было проведение экспериментальных исследований внешнего радиационного пояса, поскольку к тому времени уже было установлено, что жизнедеятельность этого пояса самым тесным образом связана с солнечной и геомагнитной активностью.

Для этих целей в 1964 г. в СССР были запущены четыре спутника (попарно): «Электрон-1», «Электрон-2» и «Электрон-3», «Электрон-4». Каждые два спутника выводились попарно на разные орбиты. Одновременный полет на различных высотах двух спутников, укомплектованных практически идентичной аппаратурой, создавал уникальную возможность для всестороннего исследования геомагнитно-захваченной радиации. На рис. 1 представлено распределение в пространстве энерговьщеления (по данным этих спутников), где L — расстояние в экваториальной плоскости, выраженное в радиусах Земли (L ~ 3 — зазор между внешним и внутренним радиационными поясами). Данные рис. 1 соответствуют распределению в одной из меридиональных плоскостей. На самом деле вследствие взаимодействия с солнеч¬ным ветром форма магнитосферы и находящихся в ней радиационных поясов зависит от местного времени.

С помощью спутников серии «Электрон» было установлено, что в годы минимальной солнечной активности внешний радиационный пояс Земли не только продолжает существовать, но и характеризуется свойствами, близкими к наблюдавшимся в годы максимума солнечной активности. Так, если в годы максимума солнечной активности наибольшая интенсивность радиации во внешнем радиационном поясе наблюдалась на силовых линиях, пересекавших экватор на расстояниях L = 3,2— 3,8, то в годы минимальной солнечной активности наибольшая интенсивность радиации регистрировалась на расстоянии L = 4,7—5,2. Максимальная интенсивность частиц в этом поясе также не претерпела принципиальных изменений. Внутренний радиационный пояс оказался еще более стабильным.

Спутники «Электрон-1» и «Электрон-2» обнаружили между внутренним и внешним радиационными поясами узкий пояс, состоящий из электронов с энергией около 6 МэВ. Позже спутник «Космос-137» (1966 г.) зафиксировал существование пояса электронов с энергией больше 7 МэВ, а «Космос-900» (1977—1979 гг.) — узкие пояса электронов с энергией больше 15 МэВ в различных областях геомагнитного поля. Особенно мощный пояс, состоящий из электронов с энергией больше 15 МэВ, возник во время магнитной бури 24 марта 1991 г.

В последние годы с помощью спутников серии «Космос» и других ИСЗ была обнаружена новая компонента радиационных поясов, процесс формирования которой связан с особенностями захвата и накоплением не полностью ионизированных атомов, проникающих в магнитосферу Земли из межпланетного пространства.

 

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика