Радіаційний пояс

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Відеоілюстрація активності радіаційних поясів
Схема внутрішнього та зовнішнього радіаційних поясів

Радіаційний пояс - область магнітосфер планет , в якій накопичуються і утримуються високоенергійні заряджені частинки, що проникли в магнітосферу (в основному протони і електрони ).

Радіаційний пояс Землі

РПЗ (пояс Ван Аллена)

Інша назва (зазвичай у західній літературі) - "радіаційний пояс Ван Аллена " ( англ. Van Allen radiation belt ).

Усередині магнітосфери, як і в будь-якому дипольному полі, є області, недоступні для часток з кінетичною енергією E менше критичної. Ті ж частки з енергією E < Е кр , які все-таки вже там знаходяться, не можуть залишити ці області. Ці заборонені області магнітосфери називають зонами захоплення. У зонах захоплення дипольного (квазидипольного) поля Землі справді утримуються значні потоки захоплених частинок (насамперед протонів і електронів).

Радіаційний пояс у першому наближенні є тороїд , в якому виділяються дві області:

  • внутрішній радіаційний пояс на висоті ≈ 4000 км, що складається переважно з протонів з енергією в десятки МеВ ;
  • зовнішній радіаційний пояс на висоті ≈ 17 000 км, що складається з електронів з енергією в десятки кеВ .

Висота нижньої межі радіаційного поясу змінюється на одній і тій же географічній широті по довготах через нахил осі магнітного поля Землі до осі обертання Землі, а на одній і тій самій географічній довготі вона змінюється по широтах через власну форму радіаційного поясу, зумовлену різною висотою силових ліній магнітного поля Землі. Наприклад, над Атлантикою зростання інтенсивності випромінювання починається на висоті 500 км, а над Індонезією на висоті 1300 км. Якщо ж графіки побудувати залежно від магнітної індукції , всі виміри покладуться однією криву, що ще раз підтверджує магнітну природу захоплення частинок.

Між внутрішнім та зовнішнім радіаційними поясами є щілина, розташована в інтервалі від 2 до 3 радіусів Землі. Потоки частинок у зовнішньому поясі більші, ніж у внутрішньому. Розрізнений і склад частинок: у внутрішньому поясі протони та електрони, у зовнішньому – електрони. Застосування неекранованих детекторів значно розширило відомості про радіаційні пояси. Були виявлені електрони та протони з енергією кілька десятків та сотень кілоелектронвольт відповідно. Ці частки мають істотно інший просторовий розподіл (проти проникаючими).

Максимум інтенсивності протонів низьких енергій розташований на відстані близько 3 радіусів Землі від її центру (приблизно на висоті 12500 км від поверхні). Малоенергіческіе електрони заповнюють всю область захоплення. Для них немає поділу на внутрішній та зовнішній пояси. Частинки з енергією десятки кеВ незвично відносити до космічних променів , однак радіаційні пояси є єдиним явищем і повинні вивчатися в комплексі з частинками всіх енергій.

Потік протонів у внутрішньому поясі є досить стійким у часі. Перші експерименти показали, що електрони високої енергії ( E > 1-5 МеВ ) зосереджені у зовнішньому поясі. Електрони з енергією менше 1 МеВ заповнюють майже всю магнітосферу. Внутрішній пояс дуже стабільний, тоді як зовнішній зазнає різких коливань.

Історія відкриття

Існування радіаційного поясу було вперше виявлено американським вченим Джеймсом Ван Алленом в лютому 1958 року при аналізі даних з американського супутника « Експлорер-1 » і переконливо доведено записом періодично змінюється рівня радіації на повному витку орбіти спеціально модифікованого Ван Алленом для вивчення виявленого феномена супутника « Експлорер- 3 ». Відкриття Ван Аллена було озвучено 1 травня 1958 р. і незабаром знайшло незалежне підтвердження даних радянського « Супутника-3 ». Пізніший повторний аналіз даних раннього радянського « Супутника-2 » показав, що радіаційні пояси фіксувалися і його обладнанням, призначеним для аналізу сонячної активності, проте дивним показанням сонячного датчика тоді не зуміли дати вірну інтерпретацію. Негативно позначилося на радянському пріоритеті і відсутність на «Супутниках» записуючого обладнання (на «Супутнику-2» воно не передбачалося, а на «Супутнику-3» воно зламалося), через що отримані дані виявилися уривчастими і не давали цільної картини про зміну радіації з висотою і в навколоземному просторі непросто космічної радіації, але характерного «пояса», що охоплює лише певні висоти. Проте різноманітніше обладнання «Супутника-3» допомогло уточнити «склад» внутрішнього поясу. Наприкінці 1958 року аналіз даних « Піонера-3 » і трохи пізнішого « Місяця-1 » призвів до відкриття існування зовнішнього радіаційного поясу, а американські висотні ядерні вибухи продемонстрували, що на радіаційні пояси Землі може впливати людина. Аналіз цих даних призвів до поступового формування з середини 1959 року сучасних уявлень про існування двох радіаційних поясів навколо Землі та механізми їх утворення.

Історія досліджень

30 серпня 2012 року з космодрому на мисі Канаверал за допомогою ракети Atlas V 410 на високоеліптичну орбіту з висотою апогею близько 30 тисяч кілометрів було виведено два ідентичні зонди RBSP ( Radiation Belt Storm Probes ), призначені для вивчення радіаційних поясів. Згодом вони були перейменовані в "Зонди Ван Аллена" ( Van Allen Probes ). Два апарати потрібні були для того, щоб відрізнити зміни, пов'язані з переходом з однієї області в іншу, від змін, що відбуваються в поясах [1] . Одним із основних результатів цієї місії було відкриття третього радіаційного поясу, що з'являється на короткий час близько кількох тижнів. На жовтень 2019 року обидва зонди закінчили свою роботу, перший – 19 липня, другий – 18 жовтня.

Радіаційні пояси планет

Радіозображення Юпітера : яскраві області (білі) - радіовипромінювання радіаційних поясів

Завдяки наявності сильного магнітного поля планети-гіганти ( Юпітер , Сатурн , Уран і Нептун ) також мають сильні радіаційні пояси, що нагадують зовнішній радіаційний пояс Землі . Радянські та американські космічні зонди показали, що Венера, Марс, Меркурій та Місяць радіаційних поясів не мають.

Історія досліджень

Радіовипромінювання радіаційного поясу Юпітера вперше було виявлено в 1955 році , проте природа випромінювання тоді залишалася незрозумілою. Безпосередні виміри в радіаційному поясі Юпітера вперше були проведені КА « Піонер-10 », що пройшов через його найбільш щільну область у 1973 році .

Наслідки для космічних подорожей

Космічний апарат, що рухається за межі низької навколоземної орбіти , потрапляє до зони дії радіаційних поясів. За межами поясів він стикається з додатковою радіаційною небезпекою від космічних променів та сонячно-протонних штормів . Область між внутрішнім та зовнішнім радіаційними поясами, що знаходиться на відстані від двох до трьох радіусів Землі, іноді називається «безпечною зоною» [2] [3] .

Радіація може пошкоджувати сонячні батареї , інтегральні схеми та датчики . Також електронні компоненти на космічних апаратах іноді ушкоджуються геомагнітними бурями . Для забезпечення надійної роботи на супутниках доводиться використовувати стійку радіаційну електроніку . Але навіть якщо електроніка не виходить з ладу, вплив підвищеного рівня радіації на чутливі датчики призводить до неправильних показань. Через це, зокрема, неможливе ведення спостережень орбітальним телескопом Хаббл під час проходження через область Бразильської магнітної аномалії [4] . Супутник, захищений шаром алюмінію товщиною 3 мм, на еліптичній орбіті 320×32000 км, що проходить через радіаційні пояси, отримає близько 2500 бер (25 Зв ) на рік (для порівняння, доза 5 Зв для всього тіла смертельна). При цьому майже всю радіацію буде отримано при проходженні через внутрішній пояс [5] .

Вперше люди перетнули радіаційні пояси під час польотів за програмою Аполлон . Це була одна з кількох небезпек, пов'язаних із радіацією, відомих на момент підготовки польотів [6] . Астронавти отримали малі дози опромінення у радіаційних поясах через невеликий час прольоту через них. Траєкторії польоту Аполлонів лежали поза областю найбільш інтенсивної радіації [7] [8] .

Основний внесок у опромінення астронавтів вносили сонячні частки у момент перебування поза магнітним полем Землі. Загальна поглинена доза, отримана астронавтами, змінювалася від польоту до польоту і становила від 0,16 до 1,14 рад (від 1,6 до 11,4 мЗв ), що набагато менше стандартної дози в 5 бер (50 мЗв ) на рік, встановленою комісією з атомної енергії США для осіб, які працюють із радіацією [6] .

Примітки

  1. Запуск зондів RBSP знову відкладено, цього разу через погану погоду // РІА Новини, 25.08.2012
  2. Earth's Radiation Belts with Safe Zone Orbit (англ.) . NASA/GSFC. Дата звернення: 27 квітня 2009 року.
  3. Weintraub, Rachel A. Earth's Safe Zone Became Hot Zone During Legendary Solar Storms (англ.) . NASA/GSFC (15 December 2004). Дата звернення: 27 квітня 2009 року.
  4. Donna Weaver. Hubble Achieves Milestone: 100,000th Exposure (англ.) . Baltimore, MD: Space Telescope Science Institute (18 July 1996). Дата звернення: 25 січня 2009 року.
  5. Andy Ptak. Ask an Astrophysicist (англ.) (Недоступне посилання) . NASA/GSFC (1997). Дата звернення: 11 червня 2006 року. Архівовано 22 березня 2009 року.
  6. 1 2 J. Vernon Bailey. Radiation Protection and Instrumentation (англ.) . Biomedical Results of Apollo . Дата звернення: 13 червня 2011 року.
  7. Amy Shira Teitel. Apollo Rocketed Through the Van Allen Belts (англ.) . Popular science (19 September 2014).
  8. W. David Woods. How Apollo Flew to the Moon. - New York: Springer-Verlag , 2008. - ISBN 978-0-387-71675-6 .

Література

  • Мурзін С. В. Введення у фізику космічних променів. - М.: Атоміздат , 1979.
  • Модель космічного простору : в 3 т. - М: Вид-во МДУ , 1976.
  • Вернов С. Н., Вакулов П. В., Логачов Ю. І. Радіаційні пояси Землі // Успіхи СРСР у дослідженні космічного простору: зб. - М., 1968. - С. 106.
  • Космічна фізика: пров. з англ. - М., 1966.
  • Тверський Би. А. Динаміка радіаційних поясів Землі, - М., 1968.
  • Редерер Х. Динаміка радіації, захопленої геомагнітним полем: пров. з англ. - М., 1972.
  • Хесс В. Радіаційний пояс та магнітосфера: пров. з англ. - М., 1972.
  • Шабанський В. П. Явлення в навколоземному просторі. - М., 1972.
  • Гальперін Ю. І., Горн Л. С., Хазанов Б. І. Вимірювання радіації в космосі. - М., 1972.
  • Adams, L.; Daly, EJ; Harboe-Sorensen, R.; Holmes-Siedle, AG; Ward, AK; Bull, RA Measurement of SEU and total dose in geostationary orbit under normal and solar flare conditions (англ.) // IEEE Transactions on Nuclear Science : journal. - 1991. - December ( vol. 38 , no. 6 ). - P. 1686-1692 . - Doi : 10.1109/23.124163 . - Bibcode : 1991ITNS ... 38.1686A .
  • Holmes-Siedle, Andrew; Adams, Len. Handbook of Radiation Effects (англ.) . - 2nd. - Oxford; New York: Oxford University Press , 2002. - ISBN 0-19-850733-X .
  • Shprits, Yuri Y.; Elkington, Scott R.; Meredith, Nigel P.; Subbotin, Dmitriy A. Review of modeling of losses and sources of relativistic electrons in outer radiation belt (англ.) // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (англ.) : journal. - 2008. - November ( vol. 70 , no. 14 ). Part I: Radial transport, pp. 1679-1693, doi : 10.1016/j.jastp.2008.06.008 ; Part II: Local acceleration and loss, pp. 1694-1713, doi : 10.1016/j.jastp.2008.06.014

Посилання