Ореол Земли
Солнечная система — это не только планеты, астероиды, кометы, это еще и межпланетное пространство, в котором движутся все эти небесные тела. Далеко в прошлое ушло время, когда пространство считалось простым вместилищем, пустотой. Наука давно пришла к выводу, что в космосе развертываются сложные процессы. Их исследование имеет чрезвычайно важное значение для глубокого понимания явлений окружающего нас мира. Вот почему разнообразные процессы, протекающие на больших высотах, привлекают к себе внимание физиков и геофизиков.
Из глубин Вселенной к Земле приходят космические лучи — ядра атомов водорода, гелия и других .химических элементов. Однако первичные космические лучи, взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, растрачивают свою энергию и до поверхности Земли практически не доходят. Это взаимодействие осуществляется главным образом в тропосфере, приземном слое воздуха толщиной около 15—20 км, в котором сосредоточено примерно четыре пятых всей массы земной атмосферы. Таким образом, на высотах свыше 20 км мы, по существу, уже имеем дело с частицами первичного излучения.
Естественно было ожидать, что с дальнейшим увеличением высоты интенсивность космического излучения будет оставаться постоянной. Однако уже первые измерения, проведенные американскими учеными с помощью высотных ракет, показали, что в действительности с увеличением высоты эта интенсивность возрастает.
Окончательную ясность и изучение проблемы внесли искусственные спутники Земли, оборудованные специальной аппаратурой для регистрация космического излучения, Результаты наблюдений, проведенных с помощью второго и третьего советских спутников, а также американских спутников, подтвердили рост интенсивности космического излучения с высотой.
Дальнейшие исследования показали, что наша планета окружена своеобразным ореолом заряженных частиц, состоящих из двух радиационных зон — внутренней и внешней, границы которых могут изменяться к зависимости от физических условий.
На первых порах казалось, что внутренний и внешний радиационные пояса существуют обособленно друг от друга и их границы нигде не перекрываются. Однако уже к середине 1965 г. в результате многочисленных наблюдений, проведенных с помощью спутников серии «Космос», космических станций «Марс 1», «Луна 4» и «Зонд 1», космических кораблей «Восход» и «Восход 2», а также наблюдений американских ученых, стало ясно, что все околоземное космическое пространство сплошь заполнено частицами разных «сортов», обладающих различными зарядами и энергиями. При этом частицы каждого сорта имеют свое характерное распределение в пространстве, которое может, однако, изменяться в зависимости от целого ряда причин.
Вначале считалось, что основную долю частиц внутреннего пояса составляют протоны (ядра атомов водорода) высоких энергий. Однако дополнительные наблюдения показали, что в действительности здесь количественно преобладают электроны небольших энергий.
Число частиц, которые движутся на расстоянии до 7 земных радиусов от центра планеты, т. е. на высоте от 32 до 36 тыс. км от поверхности Земли, непостоянно. Оно меняется в зависимости от уровня солнечной активности и состояния земного магнитного поля.
Наличие радиационного ореола нашей планеты тесно связано с земным магнетизмом. Расчеты показывают, что заряженные частицы зон движутся вдоль магнитных силовых линий земного магнитного поля от одного магнитного полюса к другому. По мере приближения к полюсу магнитные силовые линии, которые все сходятся в этой точке, сближаются друг с другом и «сгущаются», движение частиц замедляется и в конце концов они начинают перемещаться в обратном направлении. У противоположного полюса повторяется то же самое и частицы поворачивают обратно. Таким образом, в околоземном пространстве существует своеобразная «магнитная ловушка» для заряженных частиц.
Как известно, межпланетное пространство не является совершенно свободным от вещества. Поэтому заряженные частицы, движущиеся в магнитной ловушке, могут испытывать соударения с частицами окружающей среды. В результате подобных столкновений частицы постепенно теряют свою энергию и «выбывают из игры».
В радиационных зонах происходит постепенное накопление частиц до тех пор, пока не устанавливается своеобразное равновесие, когда число прибывающих за единицу времени частиц оказывается равным числу частиц, теряющих свою энергию.
Таким образом, главная причина образований радиационного ореола Земли — магнитное поле нашей планеты. Это означает, что и любая другая планета, обладающая достаточно сильными магнитными свойствами, видимо, должна быть окружена радиационными поясами.
Для того чтобы заряженная частица могла проникнуть на достаточно близкое расстояние к поверхности Земли и попасть в область внутренней радиационной зоны, она должна преодолеть своеобразный барьер — магнитное поле нашей планеты. Совершить этот «подвиг» способны лишь частицы, обладающие большой энергией. Но такие частицы свободно пронизывают насквозь радиационные пояса и не могут быть захвачены магнитной ловушкой. Получается парадокс: чтобы попасть в состав радиационной зоны, электрон или протон должны двигаться с малой скоростью, обеспечивающей возможность захвата. По такие частицы будут отброшены назад земным магнитным полем.
Каким же образом возникают радиационные зоны?
На первых порах предполагалось, что поставщиками частиц для радиационного ореола Земли являются так называемые нейтроны, нейтральные частицы, которые образуются г. земной атмосфере в результате ее бомбардировки космическими лучами. Эти ядерные частицы неустойчивы. Средняя продолжительность «жизни» нейтрона составляет всего около 12 минут. По истечении этого срока нейтрон распадается на протон и электрон с выделением нейтральной частицы — нейтрино. Нейтрино, не имеющее электрического заряда, беспрепятственно улетает со скоростью света, а протон и электрон захватываются земным магнитным полем.
Однако многолетние наблюдения и исследования привели ученых к мысли, что мощность космических лучей слишком невелика, чтобы считать их главной причиной возникновения радиационных зон. Вероятно, распад нейтронов действительно имеет место, но не он является главным поставщиком частиц для радиационного ореола Земли.
В настоящее время можно считать установленным, что преобладающая масса частиц радиационных зон попадает в магнитную ловушку Земли из потоков заряженных частиц, извергающихся с поверхности Солнца с огромными скоростями от сотни до тысячи километров в секунду, — солнечного ветра.
В околоземном космическом пространстве, на расстоянии около 36 тыс. км от поверхности Земли существует, как показали измерения, не только магнитное, но и электрическое поле. Оно возникает благодаря движению частиц ионосферы по отношению к магнитным силовым линиям земного магнитного поля. Между прочим, в связи с этим правильнее называть околоземное пространство не «магнитосферой», как раньше, а «электромагнитосферой».
При взаимодействии солнечного ветра, т. е. потоков солнечной плазмы, с электромагнитосферой могут происходить нарушения земного магнитного поля. Создается нечто вроде своеобразных каналов для поступления заряженных частиц внутрь магнитной ловушки. Происходящее при этом «высыпание» заряженных частиц в атмосферу вызывает одно из красивейших явлений природы — полярные сияния.
Однако механизм этого явления еще не ясен. Здесь есть еще немало загадок, которые предстоит разрешить. Так, например, измерения, проведенные с помощью ракет и спутников, показывают, что энергия солнечного ветра почти не меняется. Между тем энергия полярных сияний изменяется в десятки тысяч раз. Видимо, причины этого явления связаны с изменениями физического состояния «электромагкитосферы», которые в свою очередь могут быть вызваны процессами ионизации, а также ветрами, дующими на высоте в сотни километров.
Изучение всех этих явлений с помощью ракет и спутников представляет большой научный интерес, поскольку, сложные физические, процессы, протекающие в околоземном космическом пространстве, невозможно детально воспроизвести искусственным путем в земных физических лабораториях.
Интерес к этим явлениям объясняется еще одним обстоятельством. Не исключена возможность, что изменения физического состояния радиационных зон могут оказывать существенное влияние на многие процессы, происходящие в земной атмосфере и на поверхности нашей планеты. Весьма вероятно, что радиационные зоны представляют собой важное передаточное звено в механизме воздействия солнечной активности на геофизические явления.
|
|
Читайте в рубрике «Изучение Вселенной»: |