Радиация в околоземном пространстве и на самой планете Земля

С ростом высоты над уровнем  моря мощность эквивалентной дозы космического излучения увеличивается. Например, на высоте 4500 м доза облучения из космоса составляет 3 мЗв/год, а на вершине пика Эвереста (8848 м над уровнем моря), соответствующий показатель равен 8 мЗв/год.

Фон радиоактивный, естественный радиационный фон, ионизирующие излучения, источниками которых являются космические лучи и естественно распределённые в природе радионуклиды. Космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, приходящих на Землю из мирового пространства. Естественные радионуклиды принадлежат к сильно рассеянным элементам и повсеместно присутствуют в окружающей среде, а также в животных и растительных организмах. Фоновому облучению подвергаются все живые организмы Земли, в том числе человек (средние значения годовых доз облучения человека представлены в табл.). В зависимости от высоты над уровнем моря и содержания радионуклидов в окружающей среде Радиоактивный фон колеблется в значительных пределах. В отдельных районах с высоким содержанием природных радионуклидов он может достигать 1000 мрад/год и больше. Жизнь на Земле возникла и развивалась в условиях воздействия ионизирующих излучений. Биологическое значение радиоактивного фона, однако, окончательно ещё не выяснено. Считают, что часть наследственных изменений - мутаций у животных и растений связана с радиоактивным фоном.

Фоновое нейтронное излучение атмосферы.

Космический эксперимент  «БТН-Нейтрон» на Российском сегменте МКС заключался в исследовании фонового нейтронного излучения Земли. С 2001 по 2007 годы в ИКИ РАН проводились  работы по разработке и созданию аппаратуры БТН-М1 для реализации научного эксперимента «БТН-Нейтрон» на борту Российского  сегмента МКС.

Целями этого эксперимента являются:

- исследование вторичного нейтронного излучения верхней атмосферы Земли под воздействием энергичных заряженных частиц в магнитосфере,

- исследование нейтронной компоненты солнечных вспышек,

- исследование нейтронной компоненты радиационного фона на борту МКС.

Особенностью проведения эксперимента «БТН-Нейтрон» на борту  МКС является возможность синхронных измерений нейтронного излучения  Марса в российском эксперименте ХЕНД на борту автоматической межпланетной станции НАСА «Марс Одиссей». Совместная обработка данных измерений с  двух приборов на орбитах вокруг

Земли и Марса создает  уникальную возможность для стереоскопических  измерений потоков нейтронов  от солнечных вспышек с различных  точек Солнечной системы. При  этом возникает возможность сравнения  вариаций радиационной обстановки на различных фазах солнечного цикла, и также сравнение радиационных условий на околоземных и межпланетных космических аппаратах.

На карте хорошо видно  увеличение скорости счета нейтронов  на высоких широтах и также  в области Южно-Атлантической (Бразильской) Магнитной аномалии. В этих районах  происходит увеличение потока энергичных заряженных частиц в верхней атмосфере  Земли, что приводит в возрастанию вторичного нейтронного излучения.

4. Радиационный  пояс Земли

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< Eкр, которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещенные 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 Земли (РПЗ) в западной литературе обычно называется поясом Ван-Аллена. РПЗ был открыт американскими и советскими учеными в 1957-1958 годах и представляет собой в первом приближении тороид, в котором выделяется 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  начинается на высоте 500 км, а над Индонезией на высоте 1300 км. Если те же графики построить в зависимости от магнитной индукции В, то все измерения уложатся на одну кривую, что еще раз подтверждает магнитную природу захвата.

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 сот килоэлектронвольт соответственно. Эти частицы имеют существенно иное, по сравнению с проникающими, пространственное распределение.

Максимум интенсивности  протонов низких энергий расположен на расстояниях L~3 от центра Земли. 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.

Благодаря наличию сильного магнитного поля, планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) также обладают сильными радиационными поясами, напоминающими  внешний радиационный пояс Земли.

Радиоизлучение радиационного  пояса Юпитера впервые было обнаружено в 1955 г., однако природа излучения тогда оставалась непонятной. Непосредственные измерения в радиационном поясе Юпитера впервые были проведены КА Пионер-10, прошедшим через его наиболее плотную область в 1973 г.

Открытие радиационного  пояса.

В настоящее время считается  общепризнанным, что автором открытия радиационных поясов Земли является американский физик из университета штата Айова Джеймс Ван Аллен. Эта точка зрения была изложена в  статье главного редактора журнала  «Тайм» (май 1959 г.). Из нее следовало, что это открытие Ван Аллена, сделанное на основе измерений на спутниках «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3», было логическим завершением результатов его ранних экспериментов на геофизических ракетах, в то время, когда «…ни один из трех тяжелых русских спутников не передал сообщений об излучении Ван Аллена. Одно из объяснений состоит в том, что русские перехитрили сами себя, отказавшись сообщить внешнему миру, как нужно интерпретировать сигналы с их спутников. Поскольку только нижние части орбит спутников проходили над советской территорией, русские ученые никогда не получали данных с больших высот. Если какой-то из советских спутников и имел запоминающее устройство, то оно не работало. Другое предположение состоит в том, что гейгеровские счетчики перегружались вблизи апогея излучением Ван Аллена и русские ученые не знали, как объяснить это необычное поведение. Собака, запущенная на втором спутнике, умерла примерно через неделю, но русские не сообщили, было ли это вызвано воздействием излучения. Вполне возможно, что они этого не знали».

Хорошо известно, что значит такого рода публикация в «Тайме»  да еще с красочным портретом  героя статьи на первой странице обложки! И поэтому представляется совершенно естественным, что после этого  мировая пресса стала связывать  открытие только с именем американского  физика, и на страницах замелькали новые термины: «излучение Ван Аллена», «пояса Ван Аллена»…

Надо отдать должное самому автору открытия, быстро разобравшемуся в сложившейся ситуации: «Я выражаю  существенное несогласие с разделом статьи относительно неудач советских  исследователей по обнаружению захваченного излучения.

По моему представлению, наша работа со спутником «Эксплорер-1»  действительно обеспечила основное открытие, и я сделал первое публичное  сообщение на объединенной сессии Американского  Физического Общества и Национальной Академии наук США 1 мая 1958 г. Двумя неделями позже был успешно запущен советский «Спутник-3», и он обеспечил существенное подтверждение наших ранних результатов».

Итак, в начале августа 1958 г. было установлено, что в окрестности Земли присутствуют интенсивные, захваченные геомагнитным полем, потоки протонов, - с энергией порядка 100 МэВ (С.Н. Вернов) и электронов, - с энергиями в десятки кэВ (В.И. Красовский, Дж. Ван Аллен). Эти выводы вполне укладывались в рамки теорий того времени. До открытия явления, позже названного «радиационным поясом Земли», оставалось сделать еще один шаг - доказать, что заряженные частицы, «накопленные» в геомагнитном поле, могут дрейфовать в азимутальном направлении. Эта возможность обсуждалась еще в 1946 г. при разработке зеркальной магнитной ловушки и считалась проблематичной из-за предполагаемого образования пространственного заряда от разделяющихся при дрейфе электронов и ионов. Доказать существование дрейфа заряженных частиц могли только эксперименты с инжекцией заряженных частиц в геомагнитную ловушку. Ими стали высотные ядерные взрывы, проведенные США в августе - сентябре 1958 г.

Структура радиационного  пояса.

Радиационные пояса принято  разделять на внутренний и внешний, хотя это разделение носит весьма условный характер. Внутренний пояс расположен в экваториальных широтах, и его нижняя граница находится на различной высоте над разными районами Земли. Например, над Южной Америкой пояс проходит лишь на высоте всего 200-300 км, в то время как над Австралией - на высоте 1600 км.

Максимальная концентрация протонов во внутреннем поясе (а он составлен в основном этими частицами) наблюдается на высоте около 3000 км. Энергии протонов здесь лежат в пределах 20-800 МэВ. Число протонов с этими энергиями значительно уменьшается при росте расстояния от Земли и при его сокращении. Из-за своей огромной проникающей способности протоны представляют значительную опасность для экипажей космических кораблей, достигающих значительных высот. Энергия электронов внутреннего пояса, как правило, бывает порядка 100 кэВ, а максимальная их концентрация наблюдается на высотах около 3400 км от земной поверхности.

Границы внешнего радиационного пояса принято считать находящимися на расстояниях 19 тыс. и 45 тыс. км от Земли. Здесь преобладают протоны с энергиями до нескольких сотен кэВ и электроны с энергиями от 40 до 100 кэВ.

Существующие теории объясняют  появление частиц в радиационных поясах их дрейфом из «хвоста» магнитосферы во внешний пояс во время магнитных  бурь под действием электрического поля и медленной диффузией частиц в магнитную ловушку при небольших  вариациях магнитного поля. Процессы, приводящие к тому, что частицы  покидают радиационные пояса, до сих  пор остаются неясными. Лишь одна причина этого явления пока точно установлена - столкновение с частицами атмосферы. Остается надеяться, что дальнейшие исследования позволят ответить и на этот вопрос.

а) к началу 1959 г. (до анализа результатов с КА, запускавшихся к Луне). Единый пояс содержит максимум интенсивности на расстоянии двух радиусов Земли от ее центра плоскости экватора;

б) к середине 1959 г. (после анализа результатов с КА «Пионер-1, -2, -3, -4» и с III советского ИСЗ). В двух радиационных поясах максимумы находятся на удалении радиуса 1,5 земных (внутренний протонный) и 3,5 (внешний электронный). Цифры у контуров постоянной интенсивности характеризуют скорость учета экранированного счетчика Гейгера (в имп./с). Нанесена траектория удаления от Земли и возврата к ней КА «Пионер-3.

Радиационные  пояса других планет. Интерес к радиационным поясам вновь возник через 11 лет после их прямой регистрации при пролетах КА «Пионер-10, -11» и «Вояджер-1, -2» через магнитосферы планет-гигантов Солнечной системы: Юпитера (1973, 1974, 1979 гг.), Сатурна (1977, 1981 гг.), Урана (1986 г.) и Нептуна (1989 г.). Исследования показали, что их радиационные пояса во многом схожи с земными. Более энергичные захваченные частицы были обнаружены в их внутренних поясах и менее энергичные частицы - во внешних. Открыты и значительные отличия радиационных поясов планет-гигантов от земных.

Например, пояса Юпитера - оказались более сплюснутыми  в плоскости экватора, - по сравнению  с земными, - из-за быстрого вращения планеты вокруг своей оси.

Радиационные пояса Сатурна - оказались подобными земным. Из-за сильного наклона осей вращения Урана и оси его магнитного диполя к плоскости Земли меридиональные сечения его поясов, по-видимому, почти перпендикулярны плоскости эклиптики. Радиационные пояса Нептуна во многом сходны с поясами Земли. Получается, что даже при столь различных удалениях от Солнца планет-гигантов их пояса формируются, по-видимому, одинаковыми источниками.

Изложенная здесь история  исследования радиационного окружения  Земли позволяет ответить на вопрос о приоритетах их первооткрывателей  словами Дж. Ван Аллена из его письма в журнал «Тайм» 1959 г.: «…вклады американских и советских исследователей в понимании огромной радиационной области перемежались за последние 15 месяцев». Два радиационных пояса под названиями «внутренний протонный» и «внешний электронный», по-прежнему фигурируют в литературе несмотря на то, что в 1962 г. было установлено, что плотность энергии захваченных электронов во внутреннем поясе намного выше, чем протонов, а во внешнем, соответственно, наоборот.

Широкомасштабные исследования радиационных поясов в начале 60-х  годов имели, кроме научного, и политическое значение.

5. Бразильская  магнитная аномалия

(БМА) - магнитная аномалия  Земли в южном полушарии, у  берегов Бразилии и Южной Африки (Бразильская и Кейптаунская аномалии, которые часто объединяются в Южно-Атлантическую аномалия (ЮАА)).