Физическая энциклопедия - радиационные пояса земли

внутренние области земной магнитосферы, в к-рых магн. поле Земли удерживает заряж, ч-цы (протоны, эл-ны, альфа-частицы и ядра более тяжёлых хим. элементов), обладающие кинетич. энергией от десятков кэВ до сотен МэВ. Выходу заряж. ч-ц из Р. п. 3. мешает особая конфигурация силовых линий геомагн. поля, создающего для заряж. ч-ц магн. ловушку.

Р. п. 3. были открыты в 1958: внутр. пояс группой амер. учёных под руководством Дж. Ван Аллена, внеш. пояс сов. учёными во главе с С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым. Потоки ч-ц Р. п. 3. были зарегистрированы счётчиками Гейгера, установленными на ИСЗ. Принципиальная возможность существования магн. ловушки в магн. поле Земли была показана расчётами норв.

геофизика К. Стёрмера (1913) и швед. физика X. Альфвена (1950), но лишь эксперименты на спутниках показали, что ловушка реально существует и заполнена ч-цами высоких энергий. Захваченные в магн. ловушку Земли ч-цы под действием Лоренца силы совершают сложное движение, к-рое можно представить как колебат.

движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магн. поля из Сев. полушария в Южное и обратно с одновременным более медленным перемещением (долготным дрейфом) вокруг Земли (рис. 1). Когда ч-ца движется по спирали в сторону увеличения магн. поля (приближаясь к Земле), радиус спирали и её шаг уменьшаются. Вектор скорости ч-цы, оставаясь неизменным по величине, приближается к плоскости, перпендикулярной направлению поля.

Рис. 1. Движение заряж. ч-ц, захваченных в гоомагн. ловушку (а). Ч-цы движутся по спирали вдоль силовой линии магн. поля Земли (б) и одновременно дрейфуют по долготе. Наконец, в нек-рой точке (наз. зеркальной) происходит «отражение» ч-цы. Она начинает двигаться в обратном направлении к сопряжённой зеркальной точке в др. полушарии. Одно колебание вдоль силовой линии из Сев.

полушария в Южное протон с энергией =100 МэВ совершает за время =0,3 с. Время нахождения («жизни») такого протона в геомагн. ловушке может достигать 100 лет (=3•109 с), за это время он может совершить до 1010 колебаний. Долготный дрейф происходит со значительно меньшей скоростью.

В зависимости от энергии ч-цы совершают полный оборот вокруг Земли за время от неск. минут до суток. Положит. ионы дрейфуют в зап. направлении, электроны в восточном. Движение ч-цы по спирали вокруг силовой линии магн. поля можно представить как состоящее из вращения около т. н. мгновенного центра вращения и поступат. перемещения этого центра вдоль силовой линии.

При движении заряж. ч-цы в магн. поле Земли её мгновенный центр вращения находится на одной и той же поверхности, получившей назв. магн. оболочки (рис. 2). Рис. 2. Поверхность, описываемая ч-цей (эл-ном) радиац. пояса; осн. характеристикой поверхности явл. параметр L; N и S магн. полюсы Земли. Магн. оболочку характеризуют параметром L, его численное значение в случае дипольного поля (см.

ДИПОЛЬ) равно расстоянию, выраженному в радиусах Земли, на к-рое отходит магн. оболочка в экваториальной плоскости диполя от центра диполя. Для реального магн. поля Земли параметр L приближённо сохраняет такой же простой смысл. Энергия ч-ц связана со значением параметра L; на оболочках с меньшими значениями L находятся ч-цы, обладающие большими энергиями.

Это объясняется тем, что ч-цы высоких энергий могут быть удержаны лишь сильным магн. полем, т. е. во внутр. областях магнитосферы. Рис. 3. Структура радиац. поясов Земли (сечение соответствует полуденному меридиану): I -внутр. пояс, II -пояс протонов малых энергий, III внеш. пояс, IVзона квазизахвата. Обычно выделяют внутр. и внеш. Р. п. 3., пояс протонов малых энергий (пояс кольцевого тока) и зону квазизахвата ч-ц (рис.

3) или авроральной радиации (по латинскому названию полярных сияний). Внутр. Р. п. 3. характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 МэВ) с максимумом плотности потока протонов с энергией ?р>20 МэВ до 104 протон/(см2•с•ср) на расстоянии L=l,5. Во внутр. поясе присутствуют также эл-ны с энергиями от 20-40 кэВ до 1 МэВ; плотность потока эл-нов с ?р?40 кэВ составляет в максимуме =106-107 эл-н/(см2•с•ср). С внеш. стороны этот пояс ограничен магн. оболочкой с L=2, к-рая пересекается с поверхностью Земли на геомагн. широтах =45В°. На ниж. границе внутр. пояса (на высотах 200-300 км) ч-цы, испытывая частые столкновения с атомами и молекулами атм.

газов, теряют свою энергию, рассеиваются и «поглощаются» атмосферой. Внеш. Р. п. 3. заключён между магн. оболочками с L=3 и L=6 с макс. плотностью потока ч-ц на L=4-4,5. Для внеш. пояса характерны эл-ны с энергиями 40-100 кэВ, поток к-рых в максимуме достигает 106-107 эл-н/(см2•с•ср). Среднее время «жизни» частиц внеш. Р. п. 3. составляет 105-107 с. В периоды повышенной солнечной активности во внеш.

поясе присутствуют также эл-ны больших энергий (до 1 МэВ и выше). Пояс протонов малых энергий (=0,03 -10 МэВ) простирается от L=l,5 до L=7-8. Зона квазизахвата, или авроральной радиации, расположена за внеш. поясом, она имеет сложную пространс7в. структуру, обусловленную деформацией магнитосферы солнечным ветром (потоком заряж. ч-ц от Солнца).

Осн. ч-цами в зоне квазизахвата явл. эл-ны и протоны с энергиями ? .