История открытия радиационных поясов Земли: кто же, когда и как

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E , меньше критической. Те же частицы с энергией E < Е кр , которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тороид , в котором выделяются две области:

• внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ ;
• внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ .

Высота нижней границы радиационного пояса меняется на одной и той же географической широте по долготам из-за наклона оси магнитного поля Земли к оси вращения Земли, а на одной и той же географической долготе она меняется по широтам из-за собственной формы радиационного пояса, обусловленной разной высотой силовых линий магнитного поля Земли. Например, над Атлантикой возрастание интенсивности излучения начинается на высоте 500 км, а над Индонезией на высоте 1300 км. Если те же графики построить в зависимости от магнитной индукции , то все измерения уложатся на одну кривую, что ещё раз подтверждает магнитную природу захвата частиц.

Между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Потоки частиц во внешнем поясе больше, чем во внутреннем. Различен и состав частиц: во внутреннем поясе протоны и электроны, во внешнем - электроны. Применение неэкранированных детекторов существенно расширило сведения о радиационных поясах. Были обнаружены электроны и протоны с энергией несколько десятков и сотен килоэлектронвольт соответственно. Эти частицы имеют существенно иное пространственное распределение (по сравнению с проникающими).

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстоянии около 3 радиусов Земли от её центра (приблизительно на высоте 12 500 км от поверхности). Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Частицы с энергией десятки кэВ непривычно относить к космическим лучам , однако радиационные пояса представляют собой единое явление и должны изучаться в комплексе с частицами всех энергий.

Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Первые эксперименты показали, что электроны высокой энергии (E > 1-5 МэВ ) сосредоточены во внешнем поясе. Электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю магнитосферу. Внутренний пояс очень стабилен, тогда как внешний испытывает резкие колебания.

История открытия

Существование радиационного пояса было впервые обнаружено американским учёным Джеймсом ван Алленом в феврале 1958 года при анализе данных с американского спутника «Эксплорер-1 » и убедительно доказано записью периодически изменяющегося уровня радиации на полном витке орбиты специально модифицированного Ван Алленом для изучения обнаруженного феномена спутника «Эксплорер-3 ». Открытие Ван Аллена было озвучено 1 мая 1958 г. и вскоре нашло независимое подтверждение в данных советского «Спутника-3 ». Более поздний повторный анализ данных более раннего советского «Спутника-2 » показал что радиационные пояса фиксировались и его оборудованием, предназначенным для анализа солнечной активности, однако странным показаниям солнечного датчика тогда не сумели дать верную интерпретацию. Негативно сказалось на советском приоритете и отсутствие на «Спутниках» записывающего оборудования (на «Спутнике-2» оно не предусматривалось, а на «Спутнике-3» сломалось), из-за чего полученные данные оказались отрывочными и не давали цельной картины об изменении радиации с высотой и наличии в околоземном пространстве не просто космической радиации, но характерного «пояса», охватывающего лишь определённые высоты. Однако более разнообразное оборудование «Спутника-3» помогло уточнить «состав» внутреннего пояса. В конце 1958 года анализ данных «Пионера-3 » и чуть более поздней «Луны-1 » привёл к открытию существования внешнего радиационного пояса, а американские высотные ядерные взрывы продемонстрировали, что на радиационные пояса Земли может оказывать влияние человек. Анализ этих данных привёл к постепенному формированию с середины 1959 года современных представлений о существовании двух радиационных поясов вокруг Земли и механизмах их образования.

История исследований

30 августа 2012 года с космодрома на мысе Канаверал с помощью ракеты Atlas V 410 на высокоэллиптическую орбиту с высотой апогея около 30 тысяч километров были выведены два идентичных зонда RBSP (Radiation Belt Storm Probes ), предназначенных для изучения радиационных поясов. Впоследствии они были переименованы в «Зонды Ван Аллена» (Van Allen Probes ). Два аппарата нужны были для того, чтобы отличить изменения, связанные с переходом из одной области в другую с изменениями, происходящими в самих поясах. . Одним из основных результатов этой миссии было открытие третьего радиационного пояса, появляющегося на короткое время порядка нескольких недель. На февраль 2017 года работа обоих зондов продолжалась.

Радиационные пояса планет

Благодаря наличию сильного магнитного поля планеты-гиганты (Юпитер , Сатурн , Уран и Нептун) также обладают сильными радиационными поясами, напоминающими внешний радиационный пояс Земли . Советские и американские космические зонды показали, что Венера, Марс, Меркурий и Луна радиационных поясов не имеют.

История исследований

Схема внутреннего и внешнего радиационных поясов

Радиационный пояс - область магнитосфер , в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны).

Радиационный пояс Земли

Другое название (обычно в западной литературе) - «радиационный пояс Ван Аллена» (Van Allen radiation belt ).

РПЗ (пояс Ван Аллена)

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E , меньше критической. Те же частицы с энергией E < Е кр , которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

Радиационный пояс Земли (внутренний) был предсказан советскими учёными С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым, а также американским учёным Джеймсом ван Алленом. Существование радиационного пояса было подтверждено «Спутник-3», запущенным в 1958 году. Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тороид, в котором выделяются две области:

• внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;
• внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Зависимость положения нижней границы радиационного пояса - долготная. Над Атлантикой возрастание интенсивности излучения начинается на высоте 500 км, а над Индонезией на высоте 1300 км. Если те же графики построить в зависимости от магнитной индукции, то все измерения уложатся на одну кривую, что ещё раз подтверждает магнитную природу захвата частиц.

Между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Потоки частиц во внешнем поясе больше, чем во внутреннем. Различен и состав частиц: во внутреннем поясе протоны и электроны, во внешнем - электроны. Применение неэкранированных детекторов существенно расширило сведения о радиационных поясах. Были обнаружены электроны и протоны с энергией несколько десятков и сотен килоэлектронвольт соответственно. Эти частицы имеют существенно иное пространственное распределение (по сравнении с проникающими).

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстоянии около 3 радиусов Земли от её центра. Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Частицы с энергией десятки кэВ непривычно относить к космическим лучам, однако радиационные пояса представляют собой единое явление и должны изучаться в комплексе с частицами всех энергий.

Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Первые эксперименты показали, что электроны высокой энергии (E > 1-5 МэВ) сосредоточены во внешнем поясе. Электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю магнитосферу. Внутренний пояс очень стабилен, тогда как внешний испытывает резкие колебания.

Радиационные пояса планет

Радиоизображение Юпитера: яркие области (белые) - радиоизлучение радиационных поясов

Благодаря наличию сильного магнитного поля, ( , и ) также обладают сильными радиационными поясами, напоминающими внешний радиационный пояс Земли. Советские и американские космические зонды показали, что , и с помощью 410 на высокоэллиптическую орбиту с высотой апогея около 30 тысяч километров были выведены два идентичных зонда RBSP (Radiation Belt Storm Probes ), предназначенных для изучения радиационных поясов. Впоследствии они были переименованы в «Зонды Ван Аллена» (Van Allen Probes ). Два аппарата нужны были для того, чтобы отличить изменения, связанные с переходом из одной области в другую с изменениями, происходящими в самих поясах. Одним из основных результатов этой миссии было открытие третьего радиационного пояса, появляющегося на короткое время порядка нескольких недель. На сентябрь 2015 года работа обоих зондов продолжается.

Оригинал взят у sokolov9686 в Так были ли американцы на Луне?...

Выше 24 000 км над Землей радиация убивает все живое

Как уже говорилось, едва американцы начали свою космическую программу, их ученый Джеймс Ван Аллен совершил достаточно важное открытие. Первый американский искусственный спутник, запущенный ими на орбиту, был куда меньше советского, но Ван Аллен додумался прикрепить к нему счетчик Гейгера. Таким образом, была официально подтверждена высказанная еще в конце ХIХ в. выдающимся ученым Николой Теслой гипотеза о том, что Землю окружает пояс интенсивной радиации.

Фотография Земли астронавта Уильяма Андерса во время миссии «Аполлон-8» (архив НАСА)

Тесла, однако, считался большим чудаком, а академической наукой - даже сумасшедшим, поэтому его гипотезы о генерируемом Солнцем гигантском электрическом заряде давно лежали под сукном, а термин «солнечный ветер» не вызывал ничего, кроме улыбок. Но благодаря Ван Аллену теории Теслы были реанимированы. С подачи Ван Аллена и ряда других исследователей было установлено, что радиационные пояса в космосе начинаются у отметки 800 км над поверхностью Земли и простираются до 24 000 км. Поскольку уровень радиации там более или менее постоянен, входящая радиация должна приблизительно равняться исходящей. В противном случае она либо накапливалась бы до тех пор, пока не «запекла» Землю, как в духовке, либо иссякла. По этому поводу Ван Аллен писал:

«Радиационные пояса можно сравнить с протекающим сосудом, который постоянно пополняется от Солнца и протекает в атмосферу. Большая порция солнечных частиц переполняет сосуд и выплескивается, особенно в полярных зонах, приводя к полярным сияниям, магнитным бурям и прочим подобным явлениям».

Радиация поясов Ван Аллена зависит от солнечного ветра. Кроме того, они, по-видимому, фокусируют или концентрируют в себе эту радиацию. Но поскольку концентрировать в себе они могут только то, что пришло напрямую от Солнца, то открытым остается еще один вопрос: сколько радиации в остальной части космоса?

NASA | Гелиофизика | Спутник открыл новый пояс радиации!

про кольца Ван Аллена 28.30 минута радиация убивает все

Куча музеев в европе, где выставлен реголит в свободном для просмотра доступе довольно большими кусками. Не верите, адреса музеев есть, легко проверить.

Вот например камень в Тулузском Cité de l"Espace:

Оригинал взят у toomth в Почему НАСА прячет «лунный грунт» от всего мира?

Считается, что американцы привезли с Луны 378 кг лунного грунта и камней. Во всяком случае, об этом заявляет НАСА. Это почти четыре центнера. Ясно, что доставить такое количество грунта могли только астронавты: никаким космическим станциям это не под силу.

Камни сфотографированы, переписаны и являются постоянными статистами «лунных» фильмов НАСА. Во многих таких фильмах в роли эксперта и комментатора выступает астронавт-геолог «Аполлона-17», доктор Хариссон Шмидт, якобы лично собравший на Луне много таких камней

Логично ожидать, что при таком лунном богатстве Америка будет им потрясать, всячески демонстрировать и уж кому-кому, а своему главному сопернику отвалит от щедрот килограммов 30-50. Нате, мол, исследуйте, убеждайтесь в наших успехах... Но с этим-то как раз почему-то не получается. Грунта нам дали мало. Зато «свои» (опять же, по данным НАСА) получили 45 кг лунного грунта и камней.

Правда, некоторые особо въедливые исследователи провели подсчет по соответствующим публикациям научных центров и не смогли обнаружить убедительных свидетельств того, что эти 45 кг дошли до лабораторий даже западных ученых. Более того, по ним получается, что в настоящее время в мире из лаборатории в лабораторию кочует не более 100 г американского лунного грунта, так что обычно исследователь получал полграмма горной породы.

Т. е. НАСА относится к лунному грунту, как скупой рыцарь к золоту: хранит заветные центнеры в своих подвалах в надежно запертых сундуках, выдавая исследователям лишь жалкие граммы. Не избежал этой участи и СССР.

В нашей стране в то время головной научной организацией по всем исследованиям лунного грунта являлся Институт геохимии АН СССР (ныне - ГЕОХИ РАН). Заведующий отделом метеоритики этого института доктор М.А. Назаров сообщает: «Американцами было передано в СССР 29,4 грамма (!) лунного реголита (проще говоря, лунной пыли) из всех экспедиций «Аполлон», а из нашей коллекции образцов «Луны-16, 20 и 24» было выдано за рубеж 30,2 г». Фактически американцы обменялись с нами лунным прахом, который может доставить любая автоматическая станция, хотя космонавты должны бы были привезти увесистые булыжники, и интереснее всего посмотреть на них.

Что НАСА собирается делать с остальным лунным «добром»? О, это - «песня».

«В США принято решение сохранить главную массу доставленных образцов в полной неприкосновенности до тех пор, пока не будут разработаны новые, более совершенные способы их изучения», - пишут компетентные советские авторы, из-под пера которых вышла не одна книга по лунному грунту.

«Необходимо расходовать минимальное количество материала, оставив нетронутой и незагрязненной бóльшую часть каждого отдельного образца для изучения будущими поколениями ученых», - разъясняет позицию НАСА американский специалист Дж. А. Вуд.

Очевидно, американский специалист полагает, что на Луну уже не полетит никто и никогда - ни сейчас, ни в будущем. А посему нужно беречь центнеры лунного грунта пуще глаза. Одновременно унижены современные ученые: они своими приборами могут рассмотреть каждый отдельный атом в веществе, а им отказано в доверии - не доросли. Или рылом не вышли. Такая настойчивая забота НАСА о будущих ученых более похожа на то, что это - удобный предлог, чтобы скрыть неутешительный факт: в ее кладовых нет ни лунных камней, ни центнеров лунного грунта.

Еще одна странность: после завершения «лунных» полетов НАСА вдруг стало испытывать острую нехватку денег на их исследование.

Вот что пишет по состоянию на 1974 год один из американских исследователей: «Значительная часть образцов будет храниться в качестве резерва в центре космических полетов в Хьюстоне. Сокращение ассигнований уменьшит число исследователей и замедлит темпы исследований».

Потратив $25 млрд на то, чтобы доставить лунные образцы, НАСА вдруг обнаружило, что денег на их исследование не осталось...

Интересна и история с обменом советского и американского грунта. Вот сообщение от 14 апреля 1972 года главного официального издания советского периода - газеты «Правда»:

«13 апреля Президиум Академии наук СССР посетили представители НАСА. Состоялась передача образцов лунного грунта из числа доставленных на Землю советской автоматической станцией «Луна-20». Одновременно советским ученым был передан образец лунного грунта, полученного экипажем американского корабля «Аполлон-15». Обмен совершен в соответствии с соглашением между Академией наук СССР и НАСА, подписанным в январе 1971 года».

Теперь нужно пройтись по срокам.

Июль 1969 г. Астронавты «Аполлона-11» якобы привозят 20 кг лунного грунта. СССР из этого количества не дают ничего. У СССР к этому моменту лунного грунта еще нет.

Сентябрь 1970 г. Наша станция «Луна-16» доставляет на Землю лунный грунт, и отныне советские ученым есть что предложить в обмен. Это ставит НАСА в трудное положение. Но НАСА рассчитывает, что в начале 1971 года оно сможет автоматически доставить на Землю свой лунный грунт, и в расчете на это в январе 1971 г. соглашение об обмене уже заключено. Но самого обмена не происходит еще 10 месяцев. Видимо, у США что-то не заладилось с автоматической доставкой. И американцы начинают тянуть резину.

Июль 1971 г. В порядке доброй воли СССР в одностороннем порядке передает США 3 г грунта от «Луны-16», но от США не получает ничего, хотя соглашение об обмене подписано уже полгода назад, а в кладовых НАСА якобы уже лежит 96 кг лунного грунта (от «Аполлона-11», «Аполлона-12» и «Аполлона-14»). Проходит еще 9 месяцев.

Апрель 1972 г. Наконец-то НАСА передает образец лунного грунта. Он якобы доставлен экипажем американского корабля «Аполлон-15», хотя со времени полета «Аполлона-15» (июль 1971 г.) прошло уже 8 месяцев. В кладовых НАСА к этому времени якобы уже лежат 173 кг лунных камней (от «Аполлона-11», «Аполлона-12», «Аполлона-14» и «Аполлона-15»).

Советские ученые получают от этих богатств некий образец, параметры которого в газете «Правда» не сообщаются. Но благодаря доктору М.А. Назарову мы знаем, что этот образец состоял из реголита и не превышал 29 г по массе.

Очень похоже на то, что примерно до июля 1972 года у США вообще не было настоящего лунного грунта. Видимо, где-то в первой половине 1972 года у американцев появились первые граммы настоящего лунного грунта, который был доставлен с Луны автоматическим способом. Вот только тогда у НАСА и проявилась готовность к совершению обмена.

А в последние годы лунный грунт у американцев (точнее, то, что они выдают за лунный грунт) и вовсе начал исчезать. Летом 2002 года огромное количество образцов лунного вещества - сейф весом почти 3 центнера - исчезло из запасников музея Американского космического центра НАСА им. Джонсона в Хьюстоне.

Вы никогда не пробовали украсть 300-килограммовый сейф с территории космического центра? И не пробуйте: слишком тяжелая и опасная работа. А вот воришкам, на след которых полиция вышла на диво быстро, это легко удалось. Тиффани Фоулер и Тэд Робертс, работавшие в здании в период пропажи, были арестованы специальными агентами ФБР и НАСА в одном из ресторанов штата Флорида. Впоследствии в Хьюстоне был взят под стражу и третий подельщик, Шэ Саур, а затем - и четвертый участник преступления, Гордон Мак Вотер, способствовавший транспортировке краденого. Воры намеревались сбыть бесценные свидетельства лунной миссии НАСА по цене $1000-5000 за грамм через сайт минералогического клуба в Антверпене (Голландия). Стоимость украденного, по информации из-за океана, составляла более $1 млн.

Через несколько лет - новое несчастье. В США в районе Вирджиния-Бич из автомобиля неизвестными злоумышленниками были выкрадены две небольших запаянных пластиковых коробки в форме диска с образцами метеоритного и лунного вещества, судя по имевшейся на них маркировке. Образцы такого рода, сообщает Space, передаются НАСА специальным инструкторам «для учебных целей». Прежде чем получить подобные образцы, преподаватели проходят специальный инструктаж, в ходе которого их обучают правильно обращаться с этим национальным достоянием США. А «национальное достояние», оказывается, так просто украсть... Хотя это похоже не на кражу, а на инсценировку кражи в целях избавления от улик: нет грунта - нет «неудобных» вопросов.

До сего времени считалось, что во внутреннем поясе Ван Аллена радиация довольно сильная. И вот тут устоявшееся мнение недавно было разрушено исследованиями, которые показали, что на самом-то деле самые энергичные электроны, самые быстрые, которые находятся во внутреннем поясе, довольно редки. Так что астронавты могут выдохнуть. Им теперь не так страшно летать в той области, поскольку нет опасности сильного повреждения здоровья радиацией.

Последние данные должны помочь ученым понять, а также зафиксировать, эффекты от высоко расположенных мест ядерных взрывов. Причем работа ведется в сложных условиях, когда приходится обнаруживать слабые сигналы через сильный фон помех. Исследователи сравнивают свою работу с поиском пары снежинок в сильнейшем ливне. Ведь этот ливень как-то надо игнорировать, чтобы более подробно изучить снежинки, понять, какие они, как образуются и прочее.

Что такое пояс Ван Аллена

По сути пояс Ван Аллена – это две зоны кольцеобразного вида, состоящие из заряженных частиц. И это все окружает нашу планету. К сожалению прошлые миссии не справились с задачей различить электроны от протонов с высокой энергией во внутреннем поясе. Но сегодня применяется специальное устройство Магнитный электронный и ионный спектрометр – MagEIS, который позволил при помощи зондов рассмотреть отдельные частица пояса. Были обнаружены необычные факты. Во внутреннем поясе нет ни одного сверхбыстродействующего электрона, известного, как релятивистский.

Конечно, все лаборатории мира проявляют большой интерес в отношении прогноза космической погоды для наших аппаратов: спутников, кораблей. Недаром существует специальное соглашение о запрете проведения испытаний ядерного оружия в космосе.

Пока что наблюдения за Ван Алленом показали, что внешний пояс намного активней, и когда происходят интенсификация магнитных бурь, когда частицы солнечного ветра бьют по нашей системе, он начинает пульсировать. Пояс как бы растет и тут же сжимается в ответ на такой раздражитель. Внутренний же пояс более стабилен. Разве что если буря слишком интенсивная, то может протолкнуть релятивистские электроны вглубь ближе к Земле.