Еще в начале нашего века на основе изучения полярных
сияний и магнитных бурь было высказано предположение о возможности
захвата магнитным полем
Земли заряженных частиц, движущихся в межпланетном пространстве.
Однако лишь при исследованиях, проводимых с помощью искусственных
спутников Земли, за пределами земной атмосферы были открыты области с
высокой плотностью энергичных частиц — внутренний и внешний радиационные
пояса Земли.
Радиационные пояса Земли почти целиком состоят из электронов и протонов с энергиями от килоэлектронвольт (кэВ) до сотен мегаэлектронвольт (МэВ); в них обнаружены также альфа-частицы и некоторые более тяжелые ионы. Вследствие особой конфигурации силовых линий магнитное поле Земли создает для заряженных частиц как бы ловушку, в которой оно может длительное время их удерживать. Характер движения частиц определяется структурой магнитного поля: они совершают быстрые колебания из северного полушария в южное и обратно, двигаясь по спирали относительно силовой линии, и одновременно медленно перемещаются вокруг Земли по азимуту. Приближаясь к Земле, частицы попадают в область, где нарастает напряженность магнитного поля. В некоторой точке, называемой зеркальной, они как бы отражаются, после чего движутся к сопряженной зеркальной точке, расположенной в другом полушарии Земли (рис. 1).
Одно колебание из северного
полушария в южное и обратно частица средней энергии совершает за время
порядка 1 с. Время жизни частицы в захваченном состоянии для протона с
энергией свыше нескольких сотен МэВ может достигать 100 лет во внутреннем
поясе.
Внутренний радиационный пояс расположен на высотах, не превышающих 12 000 км; внешний радиационный пояс простирается примерно до 57 000 км. Разделение на внутренний и внешний радиационные пояса, принятое первоначально и сохранившееся до настоящего времени из-за различия их свойств, условно. На самом деле вся область околоземного пространства заселена заряженными частицами, движущимися в магнитном поле Земли (рис. 2). Эта область называется магнитосферой. Она отделена от межпланетного пространства магнитопаузой и переходной областью (см. Магнитное поле Земли).
Пополнение радиационных поясов протонами и электронами происходит за счет распада нейтронов, образующихся в атмосфере Земли при бомбардировке ее частицами космических лучей, ускорения и переноса частиц из наружных областей магнитосферы во внутренние. «Подкачка» частиц во внешнем радиационном поясе, вероятно, производится солнечными корпускулярными потоками.
В среднем в радиационных поясах существует равновесие между процессами пополнения и гибели частиц. Утечка частиц происходит в основном из-за потерь энергии при столкновении с атомами атмосферы, а также за счет процессов взаимодействия и рассеяния частиц на неоднородностях магнитного поля и различных электромагнитных волнах.
Эти эффекты приводят к «высыпаниям» частиц вдоль силовых линий магнитного поля
в атмосферу, наиболее интенсивные из которых сопровождаются полярными
сияниями. Для внутреннего радиационного пояса характерны небольшие
вариации в течение
Радиационные пояса Земли могут заполняться частицами и в результате человеческой деятельности. Так, после американского ядерного взрыва 9 июля 1962 г. в верхней атмосфере во внутренний радиационный пояс поступило столько электронов, что их интенсивность превысила интенсивность электронов естественного происхождения, имеющих такую же энергию. Исчезли эти электроны лишь к 1971 г. Длительное пребывание в радиационном поясе представляет серьезную опасность и может привести к повреждению элементов космической техники (тонких оптических покрытий, солнечных батарей и т. п.) и к лучевому поражению живых организмов внутри космического корабля. Выбор траектории полета и обеспечение защиты корабля позволяют исключить опасность, связанную с лучевым поражением.
Радиационные пояса Земли — это одни из звеньев в цепи взаимосвязанных геофизических явлений, определяющихся состоянием верхней атмосферы и магнитного поля Земли, которые, в свою очередь, связаны с солнечной активностью. Помимо Земли установлено также наличие радиационных поясов у Юпитера. Американские космические аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11» при полете около планеты зарегистрировали интенсивные потоки электронов и протонов.
