Науки о Земле
Релятивистские электроны в космосе
М.И. ПАНАСЮК,
доктор физико-математических наук директор НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына МГУ
Открытие, сделанное советскими и американскими учеными с помощью первых искусственных спутников Земли 55 лет назад, в начале космических исследований, значительно изменило наши представления о космическом пространстве.
Путь к открытию был краток (Земля и Вселенная, 2006, № 3). На первом советском ИСЗ, запущенном в октябре 1957 г., не было научных приборов, за исключением радиопередатчика, посылавшего сигналы с орбиты. Но уже на втором советском ИСЗ были установлены простые газоразрядные счетчики Гейгера - Мюллера для изучения космических лучей. Счетчики создал академик С.Н. Вернов с сотрудниками МГУ (Земля и Вселенная, 2001, № 1). По сути, это была первая в мире научная аппаратура, запущенная в
© Панасюк М.И.
космическое пространство. Каковы же были основные цели эксперимента?
Будучи "космиком", посвятившим себя изучению космических лучей, С.Н. Вернов поставил задачу их исследования за пределами атмосферы. Вслед за ним американский ученый Дж. Ван Ал-лен (Земля и Вселенная, 2007, № 1) для изучения космических лучей установил на первом американском искусственном спутнике Земли "Экспло-
рер-1 " такой же газоразрядный детектор, как и на втором советском спутнике. С.Н. Вернов и Дж. Ван Аллен столкнулись с совершенно новым природным явлением - захваченными в магнитное поле Земли потоками заряженных частиц с большими энергиями - радиационными поясами. Понимание их природы пришло спустя несколько месяцев, когда был запущен в мае 1958 г. третий советский спутник с большим набором экспериментальных приборов, в том числе созданных НИИЯФ МГУ. Они позволили детально исследовать пространственные распределения частиц на больших высотах. Затем американский ученый Ф. Зингер опубликовал статью, в которой правильно интерпретировал результаты первых американских исследований. Появился первый механизм, пред-
15
ложенныи советскими учеными С.Н. Верновым и А.И. Лебединским из НИИЯФ МГУ, для объяснения существования гигантской ловушки заряженных частиц. Что же такое радиационные пояса Земли?
Нашу планету окружает гигантский тор заряженных частиц, в основном - протоны и электроны с энергиями от самых малых, "плазменных" в десятки-сотни килоэлектронвольт (103 эВ) до энергий в ги-гаэлектронвольт (109 эВ) для протонов и несколько мегаэлектронвольт (106 эВ) для электронов. Частицы радиационных поясов, захваченные в магнитную ловушку, совершают три характерных вида движений, в результате которых и "рождаются" их долго-живущие потоки: вращательное движение частиц
16
вокруг магнитной силовой линии (ларморовское движение с радиусом, определяемым жесткостью частиц), колебания вдоль магнитной силовой линии и азимутальный дрейф вокруг Земли. Длительность этих видов движения - от долей секунды для ларморовско-го движения до часа для азимутального дрейфа.
Интересным оказался эксперимент, свидетельствующий о принципиально разной структуре радиационных поясов Земли для протонов и электронов: если протонная компонента заполняет полностью частицами магнитную ловушку, то электроны заполняют две разделенные зазором области - внутренний пояс и внешний. Зазор между поясами электронов равен 2-3 Я3, они расположены в плоскости экватора. Среди
Структура радиационных поясов Земли. Рисунок NASA.
электронов, заполняющих две пространственные области радиационных поясов, есть частицы огромных релятивистских энергий - до нескольких мегаэлектронвольт. Их происхождение связано с проникновением солнечной плазмы в магнитосферу Земли и ее последующим ускорением и переносом под действием флуктуаций электрических и магнитных полей, при взаимодействии с электромагнитными волнами в окрестности нашей планеты. Почему их нет в районе расположения зазора? Исследования показали, что причина этого - потери частиц, их "высыпание" из области устойчивого захвата при взаимодей-
Изменение скорости счета (Ы, импульс/с) черенковско-го детектора на советском ИСЗ "Космос-900" во время двух пролетов через радиационные пояса в апреле 1977 г. Овалами показаны пространственные области заполнения радиационных поясов релятивистскими электронами с энергией 15 МэВ на расстоянии 2-3 Я3.
ствии электронов с электромагнитными волнами типа "вистлеров" - особого типа волн, генерируемых в области грозовой активности около поверхности Земли. Пакеты электромагнитных волн, распространяясь вдоль магнитных силовых линий, резонансно взаимодействуют с частицами, изменяя направление их движения (взаимодействие типа "волна - частица"). В результате часть электронов оказывается в "конусе потерь", обеспечивающем их направленное "высыпание" в атмосферу и гибель. Такова была первая модельная интерпретация зазора между двумя электронными поясами.
В дальнейшем были созданы и другие, уточ-
Рисунок, поясняющий принцип взаимодействия пакета волн типа "свистящий ат-мосферик" с захваченными в магнитном поле электронами (взаимодейстие типа "волна - частица"), приводящего к их "высыпанию" из ловушки.
1 4 103
и и 3,5 103
§
3 103
1 2,5 103
о Ч
1 2 103
1,5 103
103
2,5 3 5 5 32,5 2,5 5 5 3 2,5 Уровень заряженных частиц
няющие модели, но также основанные на резонансном взаимодействии "волна - частица". Однако, пожалуй, наиболее удивительным стало понимание того, что сам человек может быть причастен к образованию зазора. Мощные наземные связные низкочастотные передатчики, работающие в килогер-цевом диапазоне частот, могут приводить к эф-
фекту высыпания электронов из радиационных поясов! Важно подчеркнуть, что модельные расчеты, прямые экспериментальные данные коррелированных экспериментов по измерению частиц на спутниках и работа наземных передатчиков подтверждают существование антропогенной природы зазора. Более того, в середине 1970-х гг. появились ра-
Свистящий Молния атмосферик
Электрон
17
боты, доказывающие исключительно антропогенное происхождение зазора. Сейчас более устойчивой считается модель, основанная на одновременном действии как антропогенного, так и природного источников потерь электронов в районе зазора.
Вернемся к истории исследований радиационных поясов. Уже в 1964 г. стало ясно, что зазор не всегда бывает "пустым": он иногда заполняется энергичными электронами. Появление в зазоре потоков электронов релятивистских энергий (6 МэВ) впервые обнаружила советская группа исследователей во главе с С.Н. Верновым, получившая данные о радиационных поясах с двух спутников серии "Электрон". "Новый" пояс про-
18
существовал около месяца. К сожалению, анализ измерений был опубликован только в трудах конференции, проводившейся в 1965 г. Е.В. Горчаков из НИИЯФ МГУ с сотрудниками разместил черенковский детектор на борту спутника "Космос-900" (запущен в 1977 г.). Прибор обладал большой чувствительностью к относительно небольшим потокам высокоэнергичных электронов радиационных поясов. В ходе эксперимента ученые смогли зарегистрировать в зазоре между внешним и внутренним радиационными поясами электроны с энергиями выше 15 МэВ. Электроны находились в космосе несколько дней и потом исчезли. Впоследствии той же группе во главе с Е.В. Горчаковым уда-
Гигантский протуберанец, вырвавшийся 31 августа 2012 г., вызвал поток заряженных частиц и ударную волну, прошедшую возле Земли. Возможно, это событие стало причиной радиального дрейфа частиц из внешних областей радиационных поясов несколько дней спустя. Снимок получен космической "Обсерваторией солнечной динамики". Фото NASA.
лось зарегистрировать еще несколько случаев инжекции релятивистских электронов столь больших энергий внутрь радиационных поясов в 1977-1978 гг. Анализируя результаты, авторы пришли к выводу, что все зарегистрированные события относятся к временным интервалам на фазе восстановления геомагнитных бурь
и коррелируют с увеличением скорости солнечного ветра. Тем не менее окончательных выводов о природе ускорительного механизма, ответственного за возникновение столь энергичных электронов в радиационных поясах, сделано не было.
1 марта 2013 г. наши американские коллеги опубликовали в журнале "Science" заметку "Другой радиационный пояс Ван Аллена" об обнаружении американскими научными спутниками "Зонды Ван Алена" ("Van Allen probes"), запущенными в августе 2012 г., третьего радиационного пояса. Как видно из предыдущего текста, коллеги явно поспешили объявить об ф "открытии". Это был не
первый случай наблюдения формирования пояса высокоэнергичных электронов в зазоре. Важно
отметить, что черенков-ский детектор Е.В.Горчакова на спутнике "Кос-мос-900" имел рекордный геометрический фактор, g = 7100 см2 стер (приемный конус детектора, определяющий его чувствительность) и значительно превосходил по чувствительности Релятивистский электронный протонный телескоп (Rel-ativistic Electron Proton Telescope), установленный на борту ИСЗ "Зонды Ван Алена", с геометрическим фактором всего g = 0,2 см2 стер. Можно только сожалеть, что в силу изолированности советской космической науки замечательное открытие не стало в свое время достоянием мирового сообщества. Теоретическая интерпретация эффекта заполнения зазора "свежими частицами" указывает, вероятно, на радиальный дрейф
частиц из внешних областей в глубь радиационных поясов - результат увеличения скорости их смещения (диффузии) после сильных геомагнитных бурь. Однако необходимы новые эксперименты, чтобы более детально изучить это явление*.
Можно надеяться, что будут успешно проведены новые эксперименты по исследованию релятивистских электронов в околоземном космическом пространстве, в том числе на ИСЗ "Зонды Ван Алена", перспективных российских научных спутниках "Ломоносов" (Земля и Вселенная, 2012, № 2), "Рэлек" и "Резонанс". Возможно, они откроют новую страницу -ф-
в изучении физики релятивистских электронов в окружающих Землю поясах радиации.
Информация
Дуэт галактик
В июне 2013 г. опубликована фотография, сделанная КТХ в конце 2012 г. На ней в деталях видны взаимодействующие галактики NGC 2936 и NGC 2937, образовавшие объект Агр 142
(см. стр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.