Ziemski pas radiacyjny (ERB) lub pas Van Allena to obszar najbliższej przestrzeni kosmicznej w pobliżu naszej planety, który wygląda jak pierścień, w którym występują gigantyczne przepływy elektronów i protonów. Ziemia utrzymuje je dipolowym polem magnetycznym.
Otwarcie
RPZ odkryto w latach 1957-58. naukowcy ze Stanów Zjednoczonych i ZSRR. Explorer 1 (na zdjęciu poniżej), pierwszy amerykański satelita kosmiczny wystrzelony w 1958 roku, dostarczył bardzo ważnych danych. Dzięki eksperymentowi na pokładzie przeprowadzonemu przez Amerykanów nad powierzchnią Ziemi (na wysokości około 1000 km) znaleziono pas radiacyjny (wewnętrzny). Później, na wysokości około 20 000 km, odkryto drugą taką strefę. Nie ma wyraźnej granicy między pasami wewnętrznymi i zewnętrznymi – pierwszy przechodzi stopniowo w drugi. Te dwie strefy radioaktywności różnią się stopniem naładowania cząstek i ich składem.
Te obszary stały się znane jako pasy Van Allena. James Van Allen jest fizykiem, któremu pomógł eksperymentodkryć. Naukowcy odkryli, że pasy te składają się z wiatru słonecznego i naładowanych cząstek promieni kosmicznych, które przyciągane są do Ziemi przez jej pole magnetyczne. Każdy z nich tworzy wokół naszej planety torus (kształt przypominający pączka).
Od tego czasu przeprowadzono wiele eksperymentów w kosmosie. Umożliwiły zbadanie głównych cech i właściwości RPZ. Nie tylko nasza planeta ma pasy radiacyjne. Można je również znaleźć w innych ciałach niebieskich, które mają atmosferę i pole magnetyczne. Pas radiacyjny Van Allena został odkryty dzięki amerykańskiej międzyplanetarnej sondie kosmicznej w pobliżu Marsa. Ponadto Amerykanie znaleźli go w pobliżu Saturna i Jowisza.
Dipolowe pole magnetyczne
Nasza planeta posiada nie tylko pas Van Allena, ale także dipolowe pole magnetyczne. Jest to zestaw magnetycznych muszli zagnieżdżonych w sobie. Struktura tego pola przypomina główkę kapusty lub cebulę. Powłokę magnetyczną można sobie wyobrazić jako zamkniętą powierzchnię utkaną z magnetycznych linii sił. Im bliżej środka dipola znajduje się powłoka, tym większe staje się natężenie pola magnetycznego. Ponadto zwiększa się również pęd potrzebny naładowanej cząstce do penetracji jej z zewnątrz.
Więc N-ta powłoka ma pęd cząstek P . W przypadku, gdy początkowy pęd cząstki nie przekracza P , jest on odbijany przez pole magnetyczne. Cząstka następnie wraca do przestrzeni kosmicznej. Zdarza się jednak, że ląduje na N-tej powłoce. W tym przypadkunie jest już w stanie go opuścić. Uwięziona cząstka zostanie uwięziona, dopóki nie rozproszy się lub zderzy z resztkową atmosferą i straci energię.
W polu magnetycznym naszej planety ta sama powłoka znajduje się w różnych odległościach od powierzchni Ziemi na różnych długościach geograficznych. Wynika to z niedopasowania osi pola magnetycznego do osi obrotu planety. Ten efekt najlepiej widać na brazylijskiej anomalii magnetycznej. W tym obszarze opadają linie sił magnetycznych, a uwięzione cząsteczki poruszające się wzdłuż nich mogą mieć wysokość poniżej 100 km, co oznacza, że umrą w ziemskiej atmosferze.
Kompozycja RPG
Wewnątrz pasa radiacyjnego rozkład protonów i elektronów nie jest taki sam. Pierwsze znajdują się w jego wewnętrznej części, a drugie - w zewnętrznej. Dlatego na wczesnym etapie badań naukowcy wierzyli, że istnieją zewnętrzne (elektroniczne) i wewnętrzne (protonowe) pasy radiacyjne Ziemi. Obecnie ta opinia jest już nieaktualna.
Najważniejszym mechanizmem powstawania cząstek wypełniających pas Van Allena jest rozpad neutronów albedo. Należy zauważyć, że neutrony powstają, gdy atmosfera oddziałuje z promieniowaniem kosmicznym. Przepływ tych cząstek poruszających się w kierunku od naszej planety (neutrony albedo) przechodzi bez przeszkód przez pole magnetyczne Ziemi. Są jednak niestabilne i łatwo rozpadają się na elektrony, protony i antyneutrina elektronowe. Radioaktywne jądra albedo, które mają wysoką energię, ulegają rozpadowi w strefie wychwytywania. W ten sposób pas Van Allena jest uzupełniany pozytonami i elektronami.
ERP i burze magnetyczne
Kiedy zaczynają się silne burze magnetyczne, cząstki te nie tylko przyspieszają, ale opuszczają radioaktywny pas Van Allena, wylewając się z niego. Faktem jest, że jeśli zmieni się konfiguracja pola magnetycznego, punkty lustrzane mogą zostać zanurzone w atmosferze. W tym przypadku cząstki, tracąc energię (straty jonizacyjne, rozpraszanie), zmieniają kąt nachylenia, a następnie giną, gdy dotrą do górnych warstw magnetosfery.
RPZ i zorza polarna
Pas promieniowania Van Allena jest otoczony warstwą plazmy, która jest uwięzionym strumieniem protonów (jonów) i elektronów. Jedną z przyczyn takiego zjawiska jak światła północne (polarne) jest to, że cząstki wypadają z warstwy plazmy, a także częściowo z zewnętrznej ERP. Zorza polarna to emisja atomów atmosferycznych, które są wzbudzane w wyniku zderzenia z cząstkami, które wypadły z pasa.
Badania RPZ
Prawie wszystkie fundamentalne wyniki badań takich formacji jak pasy radiacyjne uzyskano około lat 60. i 70. XX wieku. Ostatnie obserwacje z wykorzystaniem stacji orbitalnych, międzyplanetarnych statków kosmicznych oraz najnowszej aparatury naukowej pozwoliły naukowcom uzyskać bardzo ważne nowe informacje. Pasy Van Allena wokół Ziemi są nadal badane w naszych czasach. Porozmawiajmy pokrótce o najważniejszych osiągnięciach w tym obszarze.
Dane otrzymane od Salut-6
Naukowcy z MEPhI na początku lat 80. ubiegłego wiekuzbadał przepływy elektronów o wysokim poziomie energii w bezpośrednim sąsiedztwie naszej planety. Aby to zrobić, wykorzystali sprzęt, który znajdował się na stacji orbitalnej Salut-6. Pozwoliło to naukowcom bardzo skutecznie wyizolować strumienie pozytonów i elektronów, których energia przekracza 40 MeV. Orbita stacji (nachylenie 52°, wysokość ok. 350-400 km) przebiegała głównie poniżej pasa radiacyjnego naszej planety. Jednak nadal dotykał swojej wewnętrznej części w brazylijskiej anomalii magnetycznej. Podczas przekraczania tego obszaru znaleziono stacjonarne strumienie składające się z elektronów o wysokiej energii. Przed tym eksperymentem w ERP rejestrowano tylko elektrony, których energia nie przekraczała 5 MeV.
Dane ze sztucznych satelitów serii „Meteor-3”
Naukowcy z MEPhI przeprowadzili dalsze pomiary na sztucznych satelitach naszej planety z serii Meteor-3, w których wysokość orbit kołowych wynosiła 800 i 1200 km. Tym razem urządzenie bardzo głęboko wniknęło w RPZ. Potwierdził wyniki uzyskane wcześniej na stacji Salut-6. Następnie badacze uzyskali kolejny ważny wynik, wykorzystując spektrometry magnetyczne zainstalowane na stacjach Mir i Salut-7. Udowodniono, że wcześniej odkryty stabilny pas składa się wyłącznie z elektronów (bez pozytonów), których energia jest bardzo wysoka (do 200 MeV).
Odkrycie stacjonarnego pasa jąder CNO
Grupa badaczy z SNNP MSU na przełomie lat 80. i 90. ubiegłego wieku przeprowadziła eksperyment mający na celubadanie jąder znajdujących się w najbliższej przestrzeni kosmicznej. Pomiary te prowadzono przy użyciu komór proporcjonalnych i emulsji fotograficznych do jądra atomowego. Przeprowadzono je na satelitach serii Kosmos. Naukowcy wykryli obecność strumieni jąder N, O i Ne w rejonie przestrzeni kosmicznej, w którym orbita sztucznego satelity (nachylenie 52°, wysokość około 400-500 km) przecinała anomalię brazylijską.
Jak wykazała analiza, te jądra, których energia sięgała kilkudziesięciu MeV/nukleon, nie były pochodzenia galaktycznego, albedo ani słonecznego, ponieważ nie mogły wniknąć głęboko w magnetosferę naszej planety z taką energią. W ten sposób naukowcy odkryli anomalny składnik promieni kosmicznych, uchwycony przez pole magnetyczne.
Niskoenergetyczne atomy w materii międzygwiazdowej są w stanie penetrować heliosferę. Następnie promieniowanie ultrafioletowe Słońca jonizuje je raz lub dwa razy. Powstałe naładowane cząstki są przyspieszane przez fronty wiatru słonecznego, osiągając kilkadziesiąt MeV/nukleon. Następnie wchodzą do magnetosfery, gdzie są wychwytywane i w pełni zjonizowane.
Kwasistacjonarny pas protonów i elektronów
22 marca 1991 roku na Słońcu wystąpił potężny rozbłysk, któremu towarzyszyło wyrzucenie ogromnej masy materii słonecznej. Dotarł do magnetosfery 24 marca i zmienił swój region zewnętrzny. Cząsteczki wiatru słonecznego, które miały wysoką energię, wpadły do magnetosfery. Dotarli do obszaru, w którym znajdował się wówczas amerykański satelita CRESS. zainstalowany na niminstrumenty odnotowały gwałtowny wzrost protonów, których energia wahała się od 20 do 110 MeV, a także potężnych elektronów (około 15 MeV). Wskazywało to na pojawienie się nowego pasa. Po pierwsze, quasi-stacjonarny pas został zaobserwowany na wielu statkach kosmicznych. Jednak tylko na stacji Mir był badany przez cały okres swojego istnienia, czyli około dwóch lat.
Nawiasem mówiąc, w latach 60. ubiegłego wieku, w wyniku eksplozji urządzeń jądrowych w kosmosie, pojawił się quasi-stacjonarny pas składający się z elektronów o niskich energiach. Trwało to około 10 lat. Radioaktywne fragmenty rozszczepienia rozpadły się, co było źródłem naładowanych cząstek.
Czy jest gra RPG na Księżycu
Satelita naszej planety nie ma pasa radiacyjnego Van Allena. Ponadto nie posiada atmosfery ochronnej. Powierzchnia księżyca jest wystawiona na działanie wiatrów słonecznych. Silny rozbłysk słoneczny, gdyby zdarzył się podczas ekspedycji księżycowej, spaliłby zarówno astronautów, jak i kapsuły, ponieważ zostałby uwolniony ogromny strumień promieniowania, które jest śmiertelne.
Czy można chronić się przed promieniowaniem kosmicznym
To pytanie interesuje naukowców od wielu lat. Jak wiadomo, promieniowanie w małych dawkach nie ma praktycznie żadnego wpływu na nasze zdrowie. Jest jednak bezpieczny tylko wtedy, gdy nie przekracza określonego progu. Czy wiesz, jaki jest poziom promieniowania poza pasem Van Allena, na powierzchni naszej planety? Zwykle zawartość cząstek radonu i toru nie przekracza 100 Bq na 1 m3. Wewnątrz RPZte liczby są znacznie wyższe.
Oczywiście, pasy radiacyjne Ziemi Van Allena są bardzo niebezpieczne dla ludzi. Ich wpływ na organizm był badany przez wielu badaczy. Radzieccy naukowcy w 1963 roku powiedzieli Bernardowi Lovellowi, znanemu brytyjskiemu astronomowi, że nie znają sposobów ochrony człowieka przed promieniowaniem w kosmosie. Oznaczało to, że nawet grubościenne pociski aparatów sowieckich nie mogły sobie z tym poradzić. W jaki sposób najcieńszy metal użyty w amerykańskich kapsułach, prawie jak folia, chronił astronautów?
Według NASA wysłał astronautów na Księżyc tylko wtedy, gdy nie spodziewano się żadnych rozbłysków, co organizacja jest w stanie przewidzieć. To właśnie pozwoliło zmniejszyć zagrożenie radiacyjne do minimum. Inni eksperci twierdzą jednak, że można jedynie z grubsza przewidzieć datę dużych emisji.
Pas Van Allena i lot na Księżyc
Leonov, radziecki kosmonauta, mimo wszystko udał się w kosmos w 1966 roku. Miał jednak na sobie bardzo ciężki ołowiany garnitur. A po 3 latach astronauci ze Stanów Zjednoczonych skakali po powierzchni Księżyca i oczywiście nie w ciężkich skafandrach kosmicznych. Być może przez lata specjalistom NASA udało się odkryć ultralekki materiał, który niezawodnie chroni astronautów przed promieniowaniem? Lot na Księżyc wciąż rodzi wiele pytań. Jednym z głównych argumentów tych, którzy uważają, że Amerykanie na nim nie wylądowali, jest istnienie pasów radiacyjnych.
