37. Радиационни пояси на Земята
Началото на космонавтиката е белязано от редица открития, едно от които е откриването на радиационните пояси на Земята. Вътрешният радиационен пояс на Земята е открит от американския учен Джеймс ван Алън след полета на Explorer 1. Външният радиационен пояс на Земята е открит от съветските учени С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков след полета на Спутник-3 през 1958 г.
На някои височини първите спътници попаднаха в региони, които бяха плътно наситени със заредени частици с много висока енергия, рязко различни от наблюдаваните преди това космически частици, както първични, така и вторични. След обработка на данни от сателити стана ясно, че става дума за заредени частици, уловени от магнитното поле на Земята.
Магнитното поле на Земята не е еднородно. На полюсите той се "удебелява" - уплътнява. Следователно заредена частица, която е започнала да се движи спираловидно по "оседланата" от нея магнитна линия от район близо до екватора, изпитва все по-голямо съпротивление, докато се приближава до полюса, докато спре. И след това се връща обратно към екватора и по-нататък към противоположния полюс, откъдето започва да се движи в обратна посока. Частицата изглежда като в гигантски "магнитен капан" на планетата.
Тези области на магнитосферата, където се натрупват и задържат високоенергийни заредени частици (главно протони и електрони) и частици, които са проникнали в неяс кинетична енергия E по-малка от критичната се наричат радиационни пояси. Земята има три радиационни пояса, а сега е открит и четвърти. Радиационният пояс на Земята е тороид.
Първият такъв пояс започва на височина около 500 км над западното и 1500 км над източното полукълбо на Земята. Най-голямата концентрация на частици в този пояс - неговото ядро - се намира на височина от две до три хиляди километра. Горната граница на този пояс достига три до четири хиляди километра над повърхността на Земята.
Външният пояс започва на височина 60-75 хиляди км.
Дадените граници на поясите са определени досега само приблизително и очевидно се променят периодично в определени граници.
Тези пояси се различават един от друг по това, че първият от тях, най-близкият до Земята, се състои от положително заредени протони с много висока енергия - около 100 Moe. Те успяха да уловят и задържат само най-плътната част от магнитното поле на Земята. Протонният поток в него е доста стабилен във времето и не изпитва резки колебания.
Вторият пояс се състои основно от електрони с енергия "само" 30-100 keV. В него се движат по-големи потоци от частици, отколкото във вътрешния пояс, той изпитва резки колебания.
В третия пояс, където магнитното поле на Земята е най-слабо, се задържат частици с енергия от 200 eV или повече.
В допълнение, електрони с енергия под 1 MeV запълват почти цялата област на улавяне. За тях няма разделение на пояси, присъстват и в трите пояса.
За да разберем колко опасни са заредените частици в радиационните пояси за целия живот на Земята, нека дадем пример за сравнение. Да, обичайнотоРентгеновото лъчение, използвано за кратко време за медицински цели, има енергия от 30-50 keV, а мощните инсталации за просветване на огромни слитъци и метални буци - от 200 keV до 2 MeV. Следователно най-опасните за астронавтите на бъдещето и за всички живи същества по време на полети до други планети са първият и вторият пояс.
Естественият въпрос е: откъде са дошли всички тези частици? Те се изхвърлят от недрата си основно от нашето Слънце. Сега е установено, че Земята, въпреки голямото си разстояние от Слънцето, се намира в най-външната част на своята атмосфера. Това по-специално се потвърждава от факта, че всеки път, когато слънчевата активност се увеличава и следователно броят и енергията на частиците, излъчвани от Слънцето, се увеличават, броят на електроните във втория радиационен пояс също се увеличава, който, сякаш под натиска на „вятъра“ на тези частици, се притиска към Земята.
Разделянето на зарядите на слоеве и образуването на радиационните пояси на Земята стават под действието на акустично-магнитоелектричния ефект, който се състои в това, че късовълновото лъчение на Слънцето, преминавайки през плазмата през силовите линии на магнитното поле на Земята, сортира зарядите според тяхното енергийно състояние на различни нива. Наличието на определен брой заряди във всеки слой, включително на повърхността на Земята, предполага, че Земята, заедно с цялата атмосфера, може да се разглежда като електрическа машина, която по дизайн може да се идентифицира ссферична многослойна, многороторна, асинхронна електрическа капацитивно-индуктивна машина.
Частиците, уловени в магнитния капан на Земята, под въздействието на силата на Лоренц, осцилират по спирална траектория по линията на магнитното поле от Северното полукълбо към Южното и обратно. Едновременно с това частиците извършват по-бавно движение (надлъжно дрейфуване) около Земята.
Едно трептене по линията на полето от северното полукълбо до южното полукълбо протон с енергия
100 MeV прави във времето
0,3 сек. Времето на престой („живот“) на такъв протон в геомагнитен капан може да достигне 100 години (
3 × 109 сек), през това време може да направи до 1010 трептения. Средно уловените частици с висока енергия правят до няколкостотин милиона трептения от едно полукълбо в друго.
Надлъжното отклонение се случва с много по-ниска скорост. В зависимост от енергията, частиците правят пълна обиколка около Земята за време от няколко минути до един ден. Положителните йони се движат на запад, докато електроните се движат на изток. Движението на частица по спирала около линията на магнитното поле може да се представи като състоящо се от въртене около т.нар. мигновен център на въртене и транслационно движение на този център по линията на силата.