РАДИАЦИО́ННЫЕ ПОЯСА́ ЗЕМЛИ́

РАДИАЦИО́ННЫЕ ПОЯСА́ ЗЕМЛИ́, внутр. об­лас­ти маг­ни­то­сфе­ры Зем­ли, в ко­то­рых маг­нит­ное по­ле удер­жи­ва­ет за­ря­жен­ные час­ти­цы. В Р. п. З. на­блю­да­ют­ся уве­ли­чен­ные (по срав­не­нию с сол­неч­ным вет­ром и внеш­ни­ми об­лас­тя­ми маг­ни­то­сфе­ры) по­то­ки энер­гич­ных ио­нов и элек­тро­нов. Та­кие по­то­ки впер­вые за­фик­си­ро­ва­ны в 1957 при за­пус­ке ИСЗ «Спут­ник-2» (СССР), ис­сле­до­ва­ны в 1958 амер. ас­т­ро­фи­зи­ком Дж. Ван Ал­ле­ном (на ИСЗ «Explorer-1» и «Explorer-3», США) и С. Н. Вер­но­вым, А. Е. Чу­да­ко­вым и др. (на ИСЗ «Спут­ник-3», СССР). Ны­не ра­ди­ац. поя­са обна­ру­же­ны у всех пла­нет Сол­неч­ной сис­те­мы, об­ла­даю­щих силь­ны­ми маг­нит­ны­ми по­ля­ми.

Рис. 1. Интегральные потоки электронов с энергией ℰе и протонов с энергией ℰр в радиационных поясах Земли в плоскости геомагнитного экватора. R – расстояние от центра Земли, выраженное в радиусах Земл...

На рис. 1 по­ка­за­но рас­пре­де­ле­ние по вы­со­те ин­те­граль­ных (с энер­ги­ей $ℰ$, пре­вы­шаю­щей не­ко­то­рую фик­си­ро­ван­ную ве­ли­чи­ну) по­то­ков про­то­нов и элек­тро­нов в плос­ко­сти гео­маг­нит­но­го эк­ва­то­ра: в рас­пре­де­ле­ни­ях по­то­ков про­то­нов за­ме­тен один мак­си­мум, по­то­ков элек­тро­нов – два. Т. о., про­то­ны (и др. энер­гич­ные ио­ны) об­ра­зу­ют один Р. п. З., а элек­тро­ны – два Р. п. З. (внут­рен­ний и внеш­ний). Час­ти­цы с энер­ги­ей, пре­вы­шаю­щей фик­си­ро­ван­ную, фор­ми­ру­ют то­рои­даль­ную струк­ту­ру, ок­ру­жаю­щую Зем­лю. Тра­ек­то­рия час­ти­цы Р. п. З. яв­ля­ет­ся су­пер­по­зи­ци­ей трёх пе­рио­дич. дви­же­ний (рис. 2): вра­ще­ния во­круг маг­нит­ной си­ло­вой ли­нии, ко­ле­ба­ния вдоль этой ли­нии и дрей­фа во­круг Зем­ли. Ко­ле­ба­ния час­тиц ме­ж­ду Сев. и Юж. по­лу­ша­рия­ми воз­ни­ка­ют из-за от­ра­же­ния час­тиц от об­лас­тей вы­со­кой на­пря­жён­но­сти маг­нит­но­го по­ля (т. н. маг­нит­ных про­бок). При дрей­фе во­круг Зем­ли ио­ны дви­жут­ся из ут­рен­ней об­лас­ти в ве­чер­нюю, а элек­тро­ны – в об­рат­ном на­прав­ле­нии. Маг­нит­ное по­ле, в ко­то­ром дви­жут­ся час­ти­цы, на уда­ле­нии от Зем­ли ме­нее 5 ра­диу­сов Зем­ли близ­ко к по­лю ди­поля, а на боль­шом уда­ле­нии от Зем­ли силь­но ис­ка­же­но (см. рис. к ст. Маг­ни­то­сфе­ра). По­это­му во внеш­нем элек­трон­ном Р. п. З. воз­ни­ка­ет асим­мет­рия ме­ж­ду днев­ной и ноч­ной сто­ро­на­ми (рис. 1).

Из­ме­не­ния со вре­ме­нем ха­рак­те­ри­стик Р. п. З. (ди­на­ми­ка Р. п. З.) и со­став ион­ных Р. п. З. оп­ре­де­ля­ют­ся про­цес­са­ми ус­ко­ре­ния и по­терь час­тиц. Эти про­цес­сы силь­но за­ви­сят от уров­ня гео­маг­нит­ной воз­му­щён­но­сти: в спо­кой­ных ус­лови­ях ион­ные Р. п. З. со­сто­ят в осн. из ио­нов сол­неч­но­го вет­ра (ок. 95–96% со­став­ля­ют про­то­ны, ос­таль­ное – ио­ны $\ce{He^{2+}}$ и др.), во вре­мя маг­нит­ных воз­му­ще­ний рас­тёт вклад час­тиц ио­но­сфер­но­го про­ис­хо­ж­де­ния с энер­ги­ей до не­сколь­ких со­тен кэВ.

Рис. 2. Движение частиц радиационного пояса вдоль магнитной силовой линии.

Р. п. З. фор­ми­ру­ют­ся в осн. за счёт пе­ре­но­са час­тиц низ­ко­час­тот­ны­ми элек­тро­маг­нит­ны­ми по­ля­ми из внеш­них об­лас­тей маг­ни­то­сфе­ры во внут­рен­ние, со­про­во­ж­даю­ще­го­ся ус­ко­ре­ни­ем час­тиц. Осн. вклад в про­цесс пе­ре­но­са вно­сят элек­тро­маг­нит­ные по­ля, воз­ни­каю­щие при взаи­мо­дей­ст­вии маг­ни­то­сфе­ры с круп­но­мас­штаб­ны­ми воз­му­ще­ния­ми сол­неч­но­го вет­ра (пре­им. удар­ны­ми вол­на­ми). Ко­рот­кие осо­бо ин­тен­сив­ные воз­му­ще­ния мо­гут при­во­дить к т. н. удар­но­му фор­ми­ро­ва­нию но­вых Р. п. З., ко­то­рые мо­гут су­ще­ст­во­вать на про­тя­же­нии срав­ни­тель­но ко­рот­ко­го вре­ме­ни (не­сколь­ких не­дель). Внут­ри Р. п. З. так­же есть ис­точ­ни­ки энер­гич­ных час­тиц и про­ис­хо­дит ус­ко­ре­ние час­тиц, не свя­зан­ное с про­цес­сом пе­ре­но­са. Осн. вклад в по­то­ки про­то­нов ($ℰ\gt $20–30 МэВ) и элек­тро­нов ($ℰ∼$0,1–1 ГэВ) внутр. Р. п. З. вно­сят час­ти­цы, об­ра­зо­ван­ные в ре­зуль­та­те рас­па­да ней­тро­нов, воз­ник­ших при взаи­мо­дей­ст­вии га­лак­тич. кос­мич. лу­чей с ат­мо­сфе­рой Зем­ли. Ано­маль­ная ком­по­нен­та кос­мич. лу­чей, со­стоя­щая из од­но­крат­но за­ря­жен­ных ио­нов, так­же вно­сит вклад в по­то­ки вы­со­ко­энер­гич­ных ио­нов Р. п. З. Та­кие энер­гич­ные ио­ны, про­ни­кая внутрь Р. п. З., те­ря­ют элек­тро­ны и за­хва­ты­ва­ют­ся маг­ни­то­сфе­рой Зем­ли. Во вре­мя маг­нит­ных бурь про­ис­хо­дит мощ­ное ус­ко­ре­ние час­тиц, при­во­дя­щее к по­яв­ле­нию элек­тро­нов ре­ля­ти­ви­ст­ских энер­гий (по­ряд­ка не­сколь­ких МэВ), за­пол­няю­щих внеш­ний Р. п. З. на фа­зе вос­ста­нов­ле­ния маг­нит­ной бу­ри. Эти элек­тро­ны ус­ко­ря­ют­ся вбли­зи гра­ни­цы ав­ро­раль­но­го ова­ла (см. в ст. По­ляр­ное сия­ние) и мо­гут вы­зы­вать сбои в ра­бо­те ап­па­ра­ту­ры на ИСЗ и да­же вы­ход из строя КА. Ме­ж­ду про­цес­са­ми по­пол­не­ния и по­терь час­тиц Р. п. З. в сред­нем су­ще­ст­ву­ет ди­на­мич. рав­но­ве­сие. Умень­ше­нию чис­ла час­тиц в Р. п. З. спо­соб­ст­ву­ют ио­ни­за­ци­он­ные по­те­ри, рас­сея­ние час­тиц с их вы­сы­па­ни­ем в ат­мо­сфе­ру при раз­ви­тии цик­ло­трон­ной не­ус­той­чи­во­сти, ку­ло­нов­ские столк­но­ве­ния и про­цес­сы пе­ре­за­ряд­ки ио­нов (вы­зван­ные за­хва­том элек­тро­нов).

Ди­на­ми­ка про­то­нов Р. п. З. срав­ни­тель­но хо­ро­шо изу­че­на, в от­ли­чие от ди­на­ми­ки ион­ной ком­по­нен­ты. Во­про­сы ус­ко­ре­ния ре­ля­ти­ви­ст­ских элек­тро­нов от­но­сят­ся к наи­бо­лее ак­ту­аль­ным про­бле­мам фи­зи­ки маг­ни­то­сфе­ры: пред­ска­за­ние по­яв­ле­ния по­то­ков та­ких элек­тро­нов яв­ля­ет­ся од­ной из осн. за­дач про­грамм кос­мич. по­го­ды. Для оп­ре­де­ле­ния доз ра­диа­ции, по­лу­чае­мых спут­ни­ка­ми и КА при пе­ре­се­че­нии Р. п. З., ис­поль­зу­ют соз­дан­ные в Рос­сии и США ус­ред­нён­ные мо­де­ли ра­диа­ци­он­ных поя­сов Зем­ли.