А вот еще одна особенность, которая оказалась совершенно неожиданной и была открыта, как только на искусственные спутники были поставлены регистраторы быстрых частиц. Речь идет о радиационных поясах, которые были обнаружены в плазмосфере в 1958 г. советским исследователем кос- мических лучей Верновым и американцем Ван-Алленом независимо, но практически в одно время. Эти наблюдения, дополненные последующими обстоятельными исследованиями, показали, что магнитосфера является весьма эффективным ускорителем частиц, а также удерживающей их пробочной ловушкой (рис. 9.2.7а). При этом, если рань- ше, говоря о плазме, наполняющей магнитосферу, речь шла об энергиях частиц ^ 100—1000эВ и плотностях ^ 10—12см~3, то в радиационных поясах, хотя плот- ность ЭНерГИЧНЫХ ЧаСТИЦ И Мала (Птах 10~3СМ~3 ДЛЯ ПрОТОНОВ И Птах 10~4СМ~3 9.2. Магнитосфера Земли 479 Головная ударная волна ОЕ Дневная нейтральная линия Солнечный ветер Синхронно' вращающаяся плазмосфера Магнитопауза Рис. 9.2.6. Перезамыкание магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы для электронов — при спокойном Солнце), но зато энергия протонов достигает многих сотен МэВ, а электронов - многих сотен КэВ. Кроме протонов и электронов, обнаруживаются и тяжелые ионы (Не+ и др.). Приведённые величины плотностей энергичных частиц в поясах могут пока- заться очень малыми по сравнению с плотностью частиц в солнечном ветре или в самой магнитосфере. Но это впечатление обманчиво, так как эти плотности надо сравнивать с плотностью космических лучей, которая ~ 10~10 —10~п см~3. Более адекватной характеристикой является поток N частиц на 1 см2 в 1 с. Так вот, если для космических лучей N ~ 1см~2с~\ то в радиационных поясах эта величина для мегавольтового уравнения больше на 4—6 порядков. Зоны относительно большой концентрации высокоэнергичных частиц действительно образуют пояса. Внутренний пояс, преимущественно протонный, содержит частицы с энергией ~ 30—800 МэВ. Он ограничен магнитной поверхностью, силовые линии которой пересекают земную поверхность при ±40° геомагнитной широты. Основной объём этого пояса находится на расстоянии 600—1500 км от поверхности Земли. На рис. 9.2.76 изображены линии с одним и тем же потоком (в 4тг) частиц и энергией гр > 30 МэВ. Числа около этих экви-линий указывают потоки [N] штук/см2 • с в спокойных условиях. Анализ показал, что более энергичная компонента находится ближе к Земле. И это есте- ственно, так как, чем больше энергия, тем больше ларморовский радиус и больше коэффициент диффузии. То есть энергичные частицы хуже, чем менее энергичные, удерживаются в удаленных от земли областях, где меньше магнитное поле. Внешний радиационный пояс иногда называют "электронным". Этот пояс заключен между магнитными поверхностями, образованными линиями, пересекающими поверхность Земли на геомагнитных широтах ±50—70° (рис. 9.2.7в). Максимумы интенсивностей потоков протонов с энергией гр > 1 МэВ и гр > 30 МэВ, расположенных на расстоя- ниях соответственно 2 • 104 и 104км (рис. 9.2.76) Удержание частиц в этих поясах типично "пробочное" и объясняется возрас- танием напряженности магнитного поля при приближении вдоль силовой линии к Земле. Расчёт зависимости давления плазмы в магнитосфере от "номера" магнитной 480 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика поверхности показывает, что здесь выполняется критерий (8.1.10) конвективной устойчивости. Весьма сложным явля- ется вопрос о механизмах набора энергии частицами образующими пояса. Схе- матически сегодня картина ускорения выглядит следу- ющим образом. Частицы (прежде всего протоны) в целом находят- ся в кругообороте, который начинается с верхних сло- ев атмосферы. Здесь, при- обретая энергию порядка нескольких эВ, частицы че- рез полярные области дви- жутся в плазменный хвост магнитосферы и, благода- ря непрерывным пульсаци- ям в этой зоне, увели- чивают свою энергию до нескольких кэВ. Затем из хвоста они возвращаются на внешнюю границу ради- ационного пояса, где, благо- даря большим нестационар- ным ?^-полям, их энергия еще увеличивается на 1-2 порядка, и, благодаря рас- сеянию на частицах и коле- баниях, протоны попадают в область сильного магнит- ного поля Земли, и здесь рост энергии продолжает- ся за счет индукционного электрического поля. Там энергия протонов достига- ет многих сотен МэВ. Но постепенно частицы попа- дают в "конус ухода" и вы- сыпаются на Землю. Уход частиц резко возрастает во время магнитных бурь. Учитывая, что пояса восстанавливаются за несколько суток, можно утверждать, что таков и масштаб времени жизни частиц в поясах. Ясно, что за это время они проходят огромный путь. Но следует подчеркнуть, что описанная многоступенчатая схема заполнения радиационных поясов во многом носит гипоте- тический характер. Более того, только что описанная модель заведомо не может считаться един- ственной. Так, уже давно указывалось на возможность появления наиболее быстрых Внутренний радиационный пояс ер > ЗОМэВ, ]Vp~ 102 см-2 с-1 R3 10 9876543210123456789 ^ -*¦ Внешний радиационный пояс ее> 500кэВ в R310 9876543210 1234 567i?3 Рис. 9.2.7. Радиационные пояса Земли: а — схема траекто- рий частиц в радиационном поясе; б — внутренний (протон- ный пояс); в — внешний (электронный пояс). Расстояние указано в радиусах Земли R3 9.2. Магнитосфера Земли 481 протонов за счет самораспада нейтронов п —> р + е + и, образующихся при столкновениях космических частиц с частицами магнитосферы. Не исключен и столкновительный захват космических частиц и т. д.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Радиационные пояса» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
