Техника-молодежи" №5-1960, обл, стр. 35-36

Что же представляют собой эти пояса? Как их удалось обнаружить? Несут ли они опасность для будущих космонавтов? Попробуем ответить на все эти вопросы.

О МАГНИТНОМ «ЗЕРКАЛЕ»

Уже давно установлено, что наша планета является громадным магнитом. По мере приближения к Земле из космоса напряженность магнитного поля возрастает обратно пропорционально квадрату расстояния до центра Земли. Магнитное поле - преграда на пути движения частиц, обладающих электрическим зарядом. Лишь те из них, что обладают энергией свыше 10 млрд. злектроновольт, двигаясь из мирового пространства, могут пробиться к любой точке поверхности планеты.

Частицы несколько меньших энергий будут перемещаться по сильно искривленным траекториям, а некоторые из них вовсе не попадут на Землю.

Интересно проследить за траекториями частиц, обладающих небольшой энергией. Эти частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля, навиваясь на них по спирали.

Перемещаясь вдоль силовой линии, мельчайший «осколок» вещества попадает в область больших геомагнитных широт, одновременно приближаясь к Земле. Дойдя до области, где магнитное поле достаточно велико, «осколок» обязательно отразится от него, как от своеобразного магнитного «зеркала». Отразившаяся частица начинает двигаться в обратную сторону по той же силовой линии, пока не дойдет уже в другом полушарии до «зеркала», симметрично расположенного относительно экватора. После этого заряженный «осколок» повернет в прежнем направлении и т. д.

Магнитнов поле Земли образует для заряженных частиц малых энергий своеобразную ловушку. Попав в нее, они начинают двигаться по замкнутым траекториям. Они могут совершать многие тысячи и миллионы колебаний между двумя точками поворота у магнитных «зеркал». Благодаря этому при небольшом количестве частиц, влетающих в ловушку, внутри нее получается высокая плотность излучения, несущего большую энергию. Физики, работающие над созданием управляемой термоядерной реакции, используют принципиально тот же способ лля удержания горячей плазмы в ограниченном объеме.

ПРИЕМНИКИ НЕВИДИМЫХ ЛУЧЕЙ

Именно потоки заряженных частиц, пойманные в ловушку магнитным полем Земли, и были обнаружены при запусках искусственных спутников Земли и космических ракет. Для регистрации всевозможных излучений советскими учеными - членом-корреспондентом Академии наук СССР С. Н. Верновым, кандидатом физико-математических наук А. Е. Чудаковым и их сотрудниками - были созданы специальные приборы. Надо сказать, что постановка опытов по регистрации заряженных частиц на спутниках и ракетах предъявляет физикам много жестких требований. Главные из них - надежная работа приборов в условиях космического попета, малые размеры и вес научной аппаратуры. Радиосхемы были собраны на полупроводниках, малогабаритных и легких по сравнению с обычными лампами.

Основным рабочим элементом приборов служил газоразрядный счетчик. Ом представляет собой тонкостенную стальную трубку, внутри которой на изоляторах натянута металлическая «нить». Внутренняя полость трубки, герметически закрытой с концов, наполняется специальной газовой смесью. Трубка и нить присоединяются к источнику тока с разностью потенциалов в несколько сотен вольт. Если сквозь стенки трубки проникает хотя бы одна заряженная частица, она разгоняется электрическим полем и вызывает ионизацию газовой смеси. В полости счетчика образуется «лавина» из электронов, и происходит электрический разряд между нитью и стенками трубки.

Ученые предполагают, что магнетизм Земли связан с метрическими токами, текущими в ее жидком ядре. Существующая форма магнитных силовых линий, по-видимому, определяется именно этими процессами. А характер силовых линий, в свою очередь, определяет форму поясов радиации. Газоразрядный счетчик позволяет определять число попадающих в него частиц, но не определяет их энергии. С этой второй задачей справляется так называемый сцинтилляционный счетчик - кристалл йодистого натрия. Частица, попавшая в кристалл, вызывает в нем поток фотонов, который направляется в специальное устройство - фотоумножитель. Здесь первичный импульс усиливается в строго определенное число раз. Это и позволяет определить величину энергии частицы, вызвавшей фотонную «лавину».

СПУТНИКИ ОБСЛЕДУЮТ ВНЕЗЕМНОЕ ПРОСТРАНСТВО

Первые данные о существовании высокой интенсивности заряженных частиц в северных широтах были получены при помощи второго советского искусственного спутника Земли. При нескольких его пролетах севернее 60-й географической параллели было обнаружено необычное возрастание числа частиц (примерно на 100%). Второй спутник летал над территорией СССР на высоте 225-700 км. Сведения о высокой интенсивности заряженных частиц в экваториальных широтах на высоте более 1 000 км были получены Ван-Алленом при полетах американских спутников.

Однако только запуск третьего советского спутника позволил экспериментально установить наличие вокруг Земли двух зон повышенной радиации. Третий спутник летал а очень большом диапазоне географических широт, начиная от Северного полярного круга до экватора и дальше вплоть до самой Антарктиды. Высота его полета в северных широтах менялась от 250 км до 550 км, а в южных составляла примерно 1 600 км.

Показания счетчиков третьего спутника позволили надежно установить границы внутренней зоны радиации. В западном полушарии она начинается на высоте 600 км, а в восточном - на высоте 1 600 км. На первый взгляд это кажется странным, но на самом деле несимметричный характер внутренней зоны легко объясняется тем, что центр магнитного поля не совпадает с центром Земли, а сдвинут относительно него на целых 500 км. Внешняя граница зоны удалена в экваториальной плоскости на расстояние около 4 тыс. км от поверхности Земли.

Из каких же частиц состоит внутренний радиационный пояс и как они попадают в магнитную ловушку?

Путем остроумного и тонкого анализа показаний приборов С. Н. Вернову и А. Е. Чудакову удалось доказать, что во внутреннем поясе преобладают протоны с энергиями около 100 млн. электроновольт. Ими же была предложена гипотеза, которая наиболее вероятно объясняет этот результат.

Дело в том, что под действием космических лучей, идущих к нам из беспредельных просторов вселенной, происходит разрушение атомных ядер вещества верхних слоев атмосферы. Один из продуктов этого разрушения - нейтроны. Не обладая электрическим зарядом, нейтроны беспрепятственно проходят через магнитное поле. Но нейтрон недолговечен. В течение примерно 15 минут он распадается на протон и электрон, причем основная доля его энергии уносится протоном. Если распад произошел именно в тот момент, когда нейтрон пролетал через магнитную ловушку, то продукты распада окажутся пойманными ею.

Гипотеза Вернова-Чудакова подтверждается еще и тем, что электроны также были обнаружены в составе внутреннего пояса радиации. Их энергия - порядка сотен тысяч электроновольт. Электроны были зафиксированы на краю внутренней зоны в интервале геомагнитных широт примерно от 35° до 40°. Но есть основания считать, что электронное излучение малых энергий существует во всей внутренней зоне.

К ГРАНИЦАМ МАГНИТНОЙ «ЗАПАДНИ»

Приборы третьего спутника дали много важных сведений и о внешнем поясе радиации. Было установлено, что его излучение состоит из электронов с энергией около 100 тыс. электроновольт, причем число этих электронов сильно меняется со временем. Наоборот, интенсивность излучения внутреннего пояса по данным приборов была практически постоянной.

Но более подробные данные о расположении, составе и энергиях частиц внешней зоны были получены с помощью первой и второй советских космических ракет. Непосредственно на опыте было получено, что она простирается на расстояние около 10 радиусов от центра Земли (60 тыс. км). Нижняя граница зоны е экваториальной плоскости расположена на расстоянии примерно 20 тыс. км от центра Земли. Оказалось, что «населяющие» ее электроны делятся на две группы: так называемую «мягкую» - с энергией в несколько десятков тысяч электроновольт, и «жесткую» - с энергией около 1 млн. электроновольт. Соотношение интенсивности мягкой и жесткой групп оказалось непостоянным внутри зоны: чем ближе к максимуму интенсивности, тем относительно больше становится «мягких» электронов.

Проникающая способность электронов этих двух групп резко различна. «Мягкие» электроны в состоянии «прострелить» лишь фольгу толщиной в несколько микрон, тогда как «жесткие» порождают мощное гамма-излучение, способное проходить через большие слои вещества. Даже слой стальной брони толщиной в 1 см ослабит его поток всего в несколько раз. Протоны внутреннего пояса радиации способны проходить через такой слой лишь частично. Поток энергии электронов внешней зоны оказался настолько большим, что в районе максимума его даже не удалось измерить приборами первой космической ракеты.

Как объясняют сейчас ученые происхождение внешней зоны радиации?

Вероятнее всего, что ее возникновение связано с потоками частиц, периодически испускаемых Солнцем. По-видимому, очень малая часть этих потоков может каким-то способом проникать в «западню», образуемую для заряженных частиц магнитным полем Земли, и оставаться там.

Открытие вокруг нашей планеты двух поясов радиации очень важно для определения способов защиты аппаратуры и пассажиров будущих космических кораблей. Кроме того, исследование подобных излучений может явиться средством обнаружения даже слабых магнитных полей небесных тел. Расчеты показывают, что таким путем можно обнаружить поля даже в тысячу раз более слабые, чем поле Земли. Так, благодаря полету второй космической ракеты было обнаружено отсутствие магнитного поля Луны. Не было обнаружено вблизи нашего естественного спутника и лунного «ореола» из заряженных частиц. Нет сомнений в том, что наши знания о свойствах магнитной «западни», столь необходимые для будущих исследований мирового пространства, будут быстро пополняться.

На вкладке: Подобно двум огромным ожерельям охватывают Землю зоны заряженных частиц. Они были открыты с помощью искусственных спутников Земли и космических ракет. Своим существованием эти зоны обязаны земному магнитному полю. Попадая в него, заряженные частицы движутся по сложным искривленным траекториям. Красная линия изображает путь одной из таких частиц. Вверху справа - разрез поясов радиации и траектория первой советской космической ракеты. Более густые оттенки цвета соответствуют местам повышенной интенсивности излучения.