Радиационный пояс Ван Аллена - Van Allen radiation belt

Это видео CGI иллюстрирует изменения формы и интенсивности поперечного сечения ремней Ван Аллена.
Поперечный разрез радиационных поясов Ван Аллена

Ван Аллена Радиационный пояс является зоной энергичных заряженных частиц , большинство из которых происходит из солнечного ветра , которые захватываются и удерживаются вокруг планеты этой планеты магнитосферы . У Земли есть два таких пояса, а иногда могут быть временно созданы другие. Ремни названы в честь Джеймса Ван Аллена , которому приписывают их открытие. Два основных пояса Земли простираются от высоты примерно 640 до 58 000 км (от 400 до 36 040 миль) над поверхностью, в которых уровни радиации различаются. Считается, что большинство частиц, образующих пояса, образуются из солнечного ветра и других частиц космических лучей . Улавливая солнечный ветер, магнитное поле отклоняет эти энергичные частицы и защищает атмосферу от разрушения.

Пояса находятся во внутренней области магнитного поля Земли . Пояса улавливают энергичные электроны и протоны . Другие ядра, такие как альфа-частицы , менее распространены. Ремни создают опасность для спутников , чувствительные компоненты которых должны быть защищены надлежащим экранированием, если они проводят значительное время вблизи этой зоны. В 2013 году НАСА сообщило, что зонды Ван Аллена обнаружили переходный третий радиационный пояс, который наблюдался в течение четырех недель, пока не был разрушен мощной межпланетной ударной волной от Солнца .

Открытие

Кристиан Биркеланд , Карл Стёрмер , Николас Христофилос и Энрико Меди исследовали возможность захвата заряженных частиц еще до космической эры . Explorer 1 и Explorer 3 подтвердили существование пояса в начале 1958 года при Джеймсе Ван Аллене из Университета Айовы . Захваченное излучение было впервые нанесено на карту Explorer 4 , Pioneer 3 и Luna 1 .

Термин « пояса Ван Аллена» относится конкретно к радиационным поясам, окружающим Землю; однако подобные радиационные пояса были обнаружены и вокруг других планет . Солнце не поддерживает долговременные радиационные пояса, так как у него отсутствует стабильное глобальное дипольное поле. Атмосфера Земли ограничивает частицы ремней в регионы выше 200-1000 км, (124-620 миль) , а ремни не проходят мимо 8 радиусов Земли R E . Пояса ограничены объемом, который простирается примерно на 65 ° по обе стороны от небесного экватора .

Исследовать

Пояса переменной радиации Юпитера

Миссия NASA Van Allen Probes направлена ​​на понимание (с точностью до предсказуемости) того, как популяции релятивистских электронов и ионов в космосе образуются или изменяются в ответ на изменения солнечной активности и солнечного ветра. Исследования, финансируемые Институтом передовых концепций НАСА, предложили магнитные совки для сбора антивещества, которое естественным образом встречается в поясах Ван Аллена на Земле, хотя , по оценкам, во всем поясе присутствует только около 10 микрограммов антипротонов .

Миссия Van Allen Probes успешно стартовала 30 августа 2012 года. Основная миссия должна была продлиться два года, расходных материалов - четыре. Зонды были отключены в 2019 году из-за того, что у них закончилось топливо, и ожидается, что они выйдут с орбиты в 2030-х годах. НАСА Goddard Space Flight Center управляет Жизнь со звездой программы - из которых Ван Аллен Зонды проект, наряду с солнечной Dynamics Observatory (SDO). Лаборатории прикладной физики отвечает за внедрение и управление инструментом для Ван Аллена пробников.

Вокруг других планет и лун Солнечной системы существуют радиационные пояса, обладающие достаточно мощными магнитными полями, чтобы поддерживать их. На сегодняшний день большая часть этих радиационных поясов плохо нанесена на карту. Программа «Вояджер» (а именно « Вояджер-2» ) лишь номинально подтвердила существование подобных поясов вокруг Урана и Нептуна .

Геомагнитные бури могут вызывать относительно быстрое увеличение или уменьшение электронной плотности (например, примерно за один день или меньше). Процессы в более длительном масштабе определяют общую конфигурацию ремней. После того, как электронная инжекция увеличивает электронную плотность, часто наблюдается экспоненциальный спад электронной плотности. Эти постоянные времени затухания называются «временами жизни». Измерения с помощью магнитно-ионного спектрометра Van Allen Probe B (MagEIS) показывают длительное время жизни электронов (т.е. более 100 дней) во внутреннем поясе; в «щели» между поясами наблюдаются короткие времена жизни электронов, порядка одного-двух суток; и время жизни электронов, зависящее от энергии, составляет примерно от пяти до 20 дней во внешнем поясе.

Внутренний пояс

В разрезе показаны два радиационных пояса вокруг Земли: внутренний пояс (красный), в котором преобладают протоны, и внешний (синий), состоящий из электронов. Кредит изображения: НАСА

Внутренний пояс Ван Аллена обычно простирается от высоты от 0,2 до 2 радиусов Земли (значения L от 1 до 3) или от 1000 км (620 миль) до 12000 км (7500 миль) над Землей. В некоторых случаях, когда солнечная активность сильнее или в географических областях, таких как Южно-Атлантическая аномалия , внутренняя граница может снизиться примерно до 200 км над поверхностью Земли. Внутренний пояс содержит высокую концентрацию электронов в диапазоне сотен кэВ и энергичных протонов с энергией, превышающими 100 МэВ, захваченных относительно сильными магнитными полями в этой области (по сравнению с внешним поясом).

Считается , что энергии протонов , превышающих 50 МэВ в нижних поясов на более низких высотах , являются результатом бета - распада из нейтронов , созданных в результате столкновений космических лучей с ядрами верхних слоев атмосферы. Считается, что источником протонов с более низкой энергией является диффузия протонов из-за изменений магнитного поля во время геомагнитных бурь.

Из-за небольшого смещения поясов от геометрического центра Земли внутренний пояс Ван Аллена максимально приближается к поверхности в Южно-Атлантической аномалии .

В марте 2014 года с помощью эксперимента по ионному составу зондов Radiation Belt Storm Probes (RBSPICE) на борту зондов Ван Аллена в радиационных поясах был обнаружен узор, напоминающий «полосы зебры» . Первоначальная теория, предложенная в 2014 году, заключалась в том, что из-за наклона оси магнитного поля Земли вращение планеты генерировало колеблющееся слабое электрическое поле, которое пронизывает весь внутренний радиационный пояс. Вместо этого исследование 2016 года пришло к выводу, что полосы зебры были отпечатком ионосферных ветров на радиационных поясах.

Внешний пояс

Лабораторное моделирование влияния пояса Ван Аллена на солнечный ветер; эти биркеландские течения, похожие на полярное сияние, были созданы ученым Кристианом Биркеландом в его террелле , намагниченном анодном глобусе в вакуумированной камере.

Внешний пояс состоит в основном из электронов высоких энергий (0,1–10  МэВ ), захваченных магнитосферой Земли. Он более изменчив, чем внутренний пояс, так как на него легче влияет солнечная активность. Он имеет почти тороидальную форму, начиная с высоты 3 радиуса Земли и простираясь до 10 радиусов Земли ( R E ) - от 13 000 до 60 000 километров (от 8 100 до 37 300 миль) над поверхностью Земли. Его наибольшая интенсивность обычно составляет около 4 до 5 R E . Внешний радиационный пояс электронов в основном создается радиальной диффузией внутрь и локальным ускорением из-за передачи энергии от плазменных волн вистлер-режима электронам радиационного пояса. Электроны радиационного пояса также постоянно удаляются из-за столкновений с атмосферой Земли, потерь на магнитопаузе и их радиальной диффузии наружу. Гирорадиусов энергичных протонов будет достаточно большим , чтобы привести их в контакт с атмосферой Земли. Внутри этого пояса электроны имеют высокий поток и на внешнем краю (близко к магнитопаузе), где силовые линии геомагнитного поля открываются в геомагнитный «хвост» , поток энергичных электронов может упасть до низких межпланетных уровней в пределах примерно 100 км. (62 мили) - уменьшение в 1000 раз.

В 2014 году было обнаружено, что внутренний край внешнего пояса характеризуется очень резким переходом, ниже которого высокорелятивистские электроны (> 5 МэВ) не могут проникнуть. Причина подобного щиту поведения не совсем понятна.

Население захваченных частиц внешнего пояса варьируется, включая электроны и различные ионы. Большинство ионов находятся в форме энергичных протонов, но определенный процент составляют альфа-частицы и ионы кислорода O + - аналогичные ионам в ионосфере, но гораздо более энергичные. Эта смесь ионов предполагает, что частицы кольцевого тока, вероятно, происходят из более чем одного источника.

Внешний пояс больше внутреннего, и его количество частиц колеблется в широких пределах. Потоки энергетических (радиационных) частиц могут резко увеличиваться и уменьшаться в ответ на геомагнитные бури , которые сами инициируются магнитным полем и возмущениями плазмы, создаваемыми Солнцем. Увеличение связано с инжекциями, связанными с бурей, и ускорением частиц из хвоста магнитосферы.

Сообщалось, что 28 февраля 2013 года был обнаружен третий радиационный пояс, состоящий из ультрарелятивистских заряженных частиц высоких энергий . На пресс-конференции команды NASA Van Allen Probe было заявлено, что этот третий пояс является продуктом выброса корональной массы Солнца. Он был представлен как отдельное творение, которое разделяет Внешний пояс, как нож, на своей внешней стороне и существует отдельно как контейнер для хранения частиц в течение месяца, прежде чем снова слиться с Внешним поясом.

Необычная стабильность этого третьего переходного пояса объясняется «захватом» магнитным полем Земли ультрарелятивистских частиц, которые теряются во втором, традиционном внешнем поясе. Хотя внешняя зона, которая образуется и исчезает в течение дня, сильно варьируется из-за взаимодействия с атмосферой, считается, что ультрарелятивистские частицы третьего пояса не рассеиваются в атмосферу, поскольку они слишком энергичны, чтобы взаимодействовать с атмосферными волнами на низкие широты. Это отсутствие рассеяния и захвата позволяет им сохраняться в течение долгого времени, в конечном итоге разрушаясь только в результате необычного события, такого как ударная волна от Солнца.

Значения потока

В поясах в данной точке поток частиц заданной энергии резко уменьшается с увеличением энергии.

На магнитном экваторе электроны с энергией, превышающей 5000 кэВ (соответственно 5 МэВ), имеют всенаправленный поток в диапазоне от 1,2 × 10 6 (соответственно 3,7 × 10 4 ) до 9,4 × 10 9 (соответственно 2 × 10 7 ) частиц на квадратный сантиметр в секунду.

Протонные пояса содержат протоны с кинетической энергией в диапазоне от примерно 100 кэВ, которые могут проникать через 0,6 мкм свинца , до более 400 МэВ, которые могут проникать через 143 мм свинца.

Большинство опубликованных значений магнитного потока для внутреннего и внешнего ремней могут не отражать максимально возможные плотности потока, которые возможны в ремнях. Причина этого несоответствия: плотность потока и положение пика потока варьируются, в первую очередь, в зависимости от солнечной активности, а количество космических аппаратов с инструментами, наблюдающими за поясом в реальном времени, ограничено. На Земле не было солнечной бури с интенсивностью и продолжительностью явления Кэррингтона , а для наблюдения за этим событием имелся космический корабль с соответствующими приборами.

Уровни радиации в поясах были бы опасны для людей, если бы они подвергались воздействию в течение длительного периода времени. Миссии Аполлона минимизировали опасность для астронавтов, посылая космический корабль на высоких скоростях через более тонкие области верхних поясов, полностью минуя внутренние пояса, за исключением миссии Аполлона 14, где космический корабль прошел через сердце захваченных радиационных поясов.

  • Значения потока, нормальные солнечные условия

  • AP8 MIN всенаправленный поток протонов ≥ 100 кэВ

  • AP8 MIN всенаправленный поток протонов ≥ 1 МэВ

  • AP8 MIN всенаправленный поток протонов ≥ 400 МэВ

Удержание антивещества

В 2011 году исследование подтвердило ранее высказанные предположения о том, что пояс Ван Аллена может удерживать античастицы. Эксперимент « Полезная нагрузка для исследования антивещества и астрофизики легких ядер» (PAMELA) обнаружил уровни антипротонов на порядки величины выше, чем ожидается от обычных распадов частиц при прохождении через Южно-Атлантическую аномалию . Это говорит о том, что пояса Ван Аллена ограничивают значительный поток антипротонов, образующихся при взаимодействии верхних слоев атмосферы Земли с космическими лучами. Энергия антипротонов измерена в диапазоне от 60 до 750 МэВ.

Исследования, финансируемые Институтом перспективных концепций НАСА, пришли к выводу, что использование этих антипротонов для движения космических кораблей было бы возможным. Исследователи полагали, что этот подход будет иметь преимущества перед генерацией антипротонов в ЦЕРНе, потому что сбор частиц на месте исключает транспортные потери и затраты. Юпитер и Сатурн также являются возможными источниками, но пояс Земли является наиболее продуктивным. Юпитер менее продуктивен, чем можно было бы ожидать, из-за магнитной защиты от космических лучей большей части его атмосферы. В 2019 году CMS объявила, что создание устройства, способного собирать эти частицы, уже началось. НАСА будет использовать это устройство для сбора этих частиц и транспортировки их в институты по всему миру для дальнейшего изучения. Эти так называемые «контейнеры с антивеществом» могут быть использованы в будущем и в промышленных целях.

Последствия для космических путешествий

Сравнение размеров орбит группировок GPS , ГЛОНАСС , Galileo , BeiDou-2 и Iridium , Международной космической станции , космического телескопа Хаббл и геостационарной орбиты (и ее орбиты захоронения ) с радиационными поясами Ван Аллена и Землей в масштабе.
В Луны орбита «S составляет около 9 раз больше на геостационарную орбиту. (В файле SVG наведите указатель мыши на орбиту или ее метку, чтобы выделить ее; щелкните, чтобы загрузить ее статью.)

Космический аппарат, выходящий за пределы низкой околоземной орбиты, попадает в зону излучения поясов Ван Аллена. Помимо поясов, они сталкиваются с дополнительными опасностями, связанными с космическими лучами и солнечными частицами . Область между внутренним и внешним поясами Ван Аллена находится на расстоянии от 2 до 4 радиусов Земли и иногда называется «безопасной зоной».

Солнечные элементы , интегральные схемы и датчики могут быть повреждены радиацией. Геомагнитные бури иногда повреждают электронные компоненты космических кораблей. Миниатюризация и оцифровка электроники и логических схем сделали спутники более уязвимыми для излучения, поскольку общий электрический заряд в этих схемах теперь достаточно мал, чтобы быть сопоставимым с зарядом поступающих ионов. Электроника на спутниках должна быть защищена от излучения для надежной работы. У космического телескопа Хаббла , среди других спутников, часто отключаются датчики при прохождении через области интенсивного излучения. Спутник, защищенный 3 мм алюминием на эллиптической орбите (200 на 20 000 миль (320 на 32 190 км)), проходя через радиационные пояса, будет получать около 2500 бэр (25  Зв ) в год. (Для сравнения, доза всего тела в 5 Зв смертельна.) Почти вся радиация будет получена при прохождении внутреннего пояса.

В миссии Аполлон был первый случай , когда люди путешествовали через пояса Ван Аллена, который был одним из нескольких радиационных опасностей , известных планировщиками миссии. У астронавтов была низкая экспозиция в поясах Ван Аллена из-за короткого периода времени, проведенного через них. Траектории полета Аполлона полностью обходили внутренние пояса, проходя через более тонкие участки внешних поясов.

На самом деле, в общей экспозиции астронавтов преобладали солнечные частицы, когда-то находившиеся вне магнитного поля Земли. Суммарная радиация, полученная астронавтами, варьировалась от миссии к миссии, но по измерениям составляла от 0,16 до 1,14 рад (1,6 и 11,4  мГр ), что намного меньше стандарта в 5 бэр (50 мЗв) в год, установленного Соединенными Штатами. Комиссия по атомной энергии для людей, работающих с радиоактивностью.

Причины

Обычно считается, что внутренний и внешний ремни Ван Аллена являются результатом разных процессов. Внутренний пояс, состоящий в основном из энергичных протонов, является продуктом распада так называемых " альбедных " нейтронов, которые сами являются результатом столкновений космических лучей в верхних слоях атмосферы. Внешний пояс состоит в основном из электронов. Они выбрасываются из геомагнитного хвоста после геомагнитных бурь и впоследствии получают энергию за счет взаимодействия волн и частиц .

Во внутреннем поясе частицы, исходящие от Солнца, задерживаются в магнитном поле Земли. Частицы вращаются по спирали вдоль магнитных линий потока, перемещаясь «в широте» вдоль этих линий. По мере того, как частицы движутся к полюсам, плотность силовых линий магнитного поля увеличивается, а их «широтная» скорость замедляется и может быть изменена на противоположную, отражая частицы и заставляя их подпрыгивать между полюсами Земли. Помимо спирали и движения вдоль силовых линий, электроны медленно движутся в восточном направлении, а ионы движутся в западном направлении.

Зазор между внутренним и внешним ремнями Ван Аллена - иногда называемый безопасной зоной или безопасной щелью - вызван волнами очень низкой частоты (VLF), которые рассеивают частицы под углом наклона , что приводит к попаданию частиц в атмосферу. Солнечные вспышки могут закачивать частицы в зазор, но через несколько дней они снова стекают. Первоначально считалось, что радиоволны генерируются турбулентностью в радиационных поясах, но недавняя работа Джеймса Л. Грина из Центра космических полетов Годдарда - сравнение карт грозовой активности, собранных космическим кораблем Microlab 1, с данными о радиоволнах в излучении. -зазор пояса космического корабля IMAGE - предполагает, что они действительно генерируются молнией в атмосфере Земли. Генерируемые радиоволны падают на ионосферу под правильным углом, чтобы проходить только в высоких широтах, где нижние концы зазора приближаются к верхним слоям атмосферы. Эти результаты все еще обсуждаются в научных кругах.

Предлагаемое удаление

Осушение заряженных частиц из поясов Ван Аллена откроет новые орбиты для спутников и сделает путешествие более безопасным для астронавтов.

Высоковольтный орбитальный длинный трос или HiVOLT - это концепция, предложенная российским физиком В. В. Даниловым и усовершенствованная Робертом П. Хойтом и Робертом Л. Форвардом для осушения и удаления радиационных полей радиационных поясов Ван Аллена, окружающих Землю.

Другое предложение по осушению поясов Ван Аллена включает излучение очень низкочастотных (ОНЧ) радиоволн с земли на пояса Ван Аллена.

Осушение радиационных поясов вокруг других планет также предлагалось, например, перед исследованием Европы , которая вращается внутри радиационного пояса Юпитера .

По состоянию на 2014 год остается неясным, есть ли какие-либо негативные непредвиденные последствия удаления этих радиационных поясов.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Дополнительные источники

  • Adams, L .; Дэли, EJ; Harboe-Sorensen, R .; Holmes-Siedle, AG; Уорд, АК; Бык, РА (декабрь 1991 г.). «Измерение SEU и полной дозы на геостационарной орбите при нормальных условиях и условиях солнечной вспышки». IEEE Transactions по ядерной науке . 38 (6): 1686–1692. Bibcode : 1991ITNS ... 38.1686A . DOI : 10.1109 / 23.124163 . OCLC  4632198117 .
  • Холмс-Зидле, Эндрю; Адамс, Лен (2002). Справочник по радиационным эффектам (2-е изд.). Оксфорд; Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850733-8. LCCN  2001053096 . OCLC  47930537 .
  • Шприц, Юрий Юрьевич .; Элкингтон, Скотт Р .; Meredith, Nigel P .; Субботин, Дмитрий А. (ноябрь 2008 г.). «Обзор моделирования потерь и источников релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе». Журнал атмосферной и солнечно-земной физики . 70 (14).Часть I: Radial транспорт, с 1679-1693,. Дои : 10.1016 / j.jastp.2008.06.008 ; Часть II: Локальное ускорение и потери, стр 1694-1713,. DOI : 10.1016 / j.jastp.2008.06.014 .

внешние ссылки