37. Радіаційні пояси Землі
Початок космонавтики ознаменувався рядом відкриттів, одним з яких було відкриття радіаційних поясів Землі. Внутрішній радіаційний пояс Землі було відкрито американським вченим Джеймсом ван Алленом після польоту Експлорер-1. Зовнішній радіаційний пояс Землі був відкритий радянськими вченими С. Н. Верновим та А. Є. Чудаковим після польоту Супутник-3 у 1958 році.
На деяких висотах перші супутники потрапляли в області, які були густо насичені зарядженими частинками, що володіли дуже великою енергією, різко відмінними від космічних частинок, що спостерігалися раніше, і первинних, і вторинних. Після обробки даних із супутників стало ясно, що йдеться про заряджені частинки, захоплені магнітним полем Землі.
Магнітне поле Землі неоднорідне. Біля полюсів воно "згущується" - ущільнюється. Тому заряджена частка, що почала рух по спіралі вздовж «осідланої» нею магнітної лінії з області, близької до екватора, у міру наближення до будь-якого полюса відчуває все більший і більший опір, поки не зупиниться. А потім повертається назад до екватора і далі протилежного полюса, звідки починає рух у зворотному напрямку. Частка виявляється ніби в гігантській «магнітній пастці» планети.
Ці області магнітосфери, де накопичуються і утримуються високоенергійні заряджені частинки (в основному протони і електрони), що проникли в неї і частинкиз кінетичною енергією E менше критичної називаються радіаційними поясами. Земля має три радіаційні пояси, а зараз відкрили ще й четвертий. Радіаційний пояс Землі є тороїд.
Перший такий пояс починається на висоті приблизно 500 км над західною та 1500 км над східною півкулею Землі. Найбільша концентрація частинок цього поясу – його ядро – знаходиться на висоті двох-трьох тисяч кілометрів. Верхня межа цього поясу сягає трьох-чотирьох тисяч кілометрів над поверхнею Землі.
Другий пояс простягається від 10-11 до 40-60 тис. км з максимальною щільністю частинок на висоті 20 тис. км.
Зовнішній пояс починається на висоті 60-75 тис. км.
Наведені межі поясів визначені поки що лише приблизно і, певне, у якихось межах періодично змінюються.
Відрізняються ці пояси один від одного тим, що перший з них, найближчий до Землі, складається з позитивно заряджених протонів, що мають дуже велику енергію — близько 100 Моє. Їх змогла захопити і утримати лише найщільніша частина магнітного поля Землі. Потік протонів у ньому досить стійкий у часі та не відчуває різких коливань.
Другий пояс складається, головним чином, з електронів з енергією «лише» 30—100 кев. У ньому рухаються більші потоки частинок, ніж у внутрішньому поясі, він відчуває різкі коливання.
У третьому поясі, де магнітне поле Землі найслабше, утримуються частки з енергією 200 ев і більше.
Крім того, електрони з енергією менше 1 МеВ заповнюють майже всю область захоплення. Для них немає поділу на пояси, вони присутні у всіх трьох поясах.
Щоб зрозуміти, наскільки небезпечні для живого на Землі заряджені частинки в радіаційних поясах, наведемо для порівняння приклад. Так, звичайнерентгенівське випромінювання, що застосовується короткочасно для медичних цілей, має енергію 30-50 кев, а потужні установки для просвічування величезних злитків і брил металу - від 200 кев до 2 Мев. Тому найнебезпечнішими для космонавтів майбутнього і всього живого при польотах інші планети є перший і другий пояс.
Природне питання: звідки взялися всі ці частки? Їх переважно викидає зі своїх надр наше Сонце. Наразі вже встановлено, що Земля, незважаючи на величезну відстань від Сонця, знаходиться у зовнішній частині його атмосфери. Це, зокрема, підтверджується тим, що кожного разу, коли зростає сонячна активність, а отже, збільшуються кількість і енергія частинок, що випускаються Сонцем, зростає і кількість електронів у другому радіаційному поясі, який ніби під натиском «вітру» з цих частинок притискається до Землі.
Поділ зарядів на шари та утворення радіаційних поясів Землі відбувається під дією акусто-магнітоелектричного ефекту, що полягає в тому, що короткохвильове випромінювання Сонця, проходячи через плазму впоперек силових ліній магнітного поля Землі, проводить сортування зарядів за енергетичним станом на різні рівні. Наявність певної кількості зарядів у кожному шарі, в тому числі і на поверхні Землі, дає підставу припустити, що Землю разом з усією атмосферою можна розглядати як електричну машину, яку за конструкцією можна ототожнити зсферичної багатошарової, багатороторної, асинхронної електричної ємнісно-індуктивної машини.
Захоплені в магнітну пастку Землі частинки під дією сили Лоренца здійснюють коливальний рух спіральною траєкторією вздовж силової лінії магнітного поля з Північної півкулі в Південну і назад. Одночасно частинки здійснюють повільніше переміщення (довгий дрейф) навколо Землі.
Одне коливання вздовж силової лінії з Північної півкулі до Південного протону з енергією
100 Мев робить за час
0,3 сек. Час перебування («життя») такого протона в геомагнітній пастці може досягати 100 років (
3×109 сек), цей час він може зробити до 1010 коливань. У середньому захоплені частки великої енергії здійснюють до кількох сотень мільйонів коливань із півкулі до іншого.
Довготний дрейф відбувається із значно меншою швидкістю. Залежно від енергії частки здійснюють повний оборот навколо Землі протягом декількох хвилин до доби. Позитивні іони дрейфують у західному напрямку, а електрони у східному. Рух частинки по спіралі навколо силової лінії магнітного поля можна як складається з обертання близько т. зв. миттєвого центру обертання та поступального переміщення цього центру вздовж силової лінії.