Радиационный пояс Земли (стр. 2 из 3)

2. При движении заряженной частицы в дипольном магнитном поле возникают два так называемых адиабатических инварианта движения.

Первый инвариант. Ларморовское вращение частицы приводит к сохранению магнитного момента

, где - ток частиц, - частота ларморовского вращения и e - заряд частицы. Учитывая (2), получаем выражение

(5)

Если частицы не подвергаются торможению, а поле стационарно, то

const. Таким образом, и есть первый адиабатический инвариант - сохраняющаяся величина в процессе движения захваченной частицы. В каждый момент времени магнитный момент направлен по касательной к магнитной силовой линии, следуя за всеми ее изгибами. Иными словами, ведущий центр обладает магнитным моментом и движется вдоль магнитной силовой линии. Поскольку изменяется вдоль магнитной силовой линии, то соответственно поменяется и питч-угол. При некотором значении напряженности магнитного поля станет равным единице. Значит, в соответствующей точке скорость частицы перпендикулярна к и дальнейшее продвижение вдоль силовой линии к полюсу прекращается. Это и есть математическое определение зеркальной точки. После остановки в зеркальной точке тотчас же начинается обратное спиральное движение частицы к противоположному полюсу. Из выражения (5) следует, что если на магнитном экваторе частица имела питч-угол определенной величины, то ему соответствует значение поля Bз , при котором произойдет зеркальное отражение. Используя выражения (1) и (2), можно установить, на какой географической широте поле становится равным расчетной величине Bз .

В стационарных условиях осцилляции могли бы продолжаться бесконечно, но захваченные частицы непрерывно растрачивают энергию на ионизацию остаточной атмосферы, синхротронное излучение (электроны) и на рассеяние на электромагнитных волнах. Все это приводит к потере скорости и изменению питч-угла частиц, что сильно влияет на условия их движения. Особенно критичной оказывается высота зеркальных точек. Если она выше условной верхней границы атмосферы, то ионизационные потери пренебрежимо малы и число осцилляций велико. Если при долготном дрейфе зеркальные точки нигде не опускаются ниже 100 км, то частица обойдет Землю без каких-либо последствий. Для частиц с нулевым питч-углом на магнитном экваторе зеркальных точек нет: они проникают в плотные слои атмосферы, достигают поверхности Земли, где погибают.

Второй адиабатический инвариант (долготный). Интеграл действия J при осцилляциях между северной Зс и южной Зю зеркальными точками

где

- составляющая импульса вдоль магнитной силовой линии, а ds - элемент пути. Учитывая, что в зеркальной точке sin2 = 1/Bз , находим, что В магнитном поле p = const и

Введем величину

Если за время каждой осцилляции частицы между двумя зеркальными точками значение I сохраняется и частица совершает при этом долготный дрейф, то можно считать, что она все время находится на вполне определенных силовых линиях. Совокупность этих силовых линий составляет поверхность (рис. 3) и называется оболочкой. Оболочка напоминает замкнутый выпуклый пояс, где верхний и нижний края - это множество широт расположения зеркальных точек. Края пояса, его выпуклость или вогнутость зависят уже от реальной конфигурации дипольного магнитного поля Земли. Пояс для конкретной частицы имеет толщину, определяемую ее ларморовским радиусом. Захваченные частицы отличаются импульсами, питч-углами и т.п. и каждая имеет свой пояс. Все вместе они образуют РПЗ.

Рис. 3. Меридиональное сечение радиационного пояса Земли. Оболочки L = 1-3 - внутренняя часть пояса; L = 3,5-7 - внешняя часть; L = 1,2-1,5 - стабильный пояс высокоэнергетичных электронов (см. раздел 3.1); L ~ 2 - стабильный пояс ядер аномальной компоненты космических лучей (см. раздел 3.2); L ~ 2,6 - квазистабильный пояс (см. раздел 3.3).

2.3. Пространственное и энергетическое распределения захваченных частиц в радиационном поясе Земли

В магнитном поле Земли одна и та же оболочка на разных долготах отстоит на различном расстоянии от поверхности Земли из-за несовпадения оси вращения с осью магнитного поля. Этот эффект наиболее заметен над Бразильской магнитной аномалией, где магнитные силовые линии опускаются и движущиеся по ним захваченные частицы рискуют оказаться ниже высоты 100 км и погибнуть в атмосфере Земли.

Распределение электронов и протонов внутри пояса неодинаково. В частности, из рис. 4 видно, что протоны располагаются во внутренней части пояса, а электроны - во внешней. Поэтому при открытии и на раннем этапе исследования радиационного пояса считалось, что поясов два: внутренний - протонный и внешний - электронный.

Рис. 4. Потоки электронов и протонов различных энергий в плоскости геомагнитного экватора. R - расстояние от центра Земли, выраженное в радиусах Земли. Стабильный пояс электронов с Ee > 20 МэВ выделен жирной линией (см. раздел 3.1).

2.4. Природа частиц радиационного пояса

Самый существенный механизм генерации частиц, заполняющих РПЗ, - это распад альбедных нейтронов. Нейтроны образуются при взаимодействии космического излучения с атмосферой. Поток нейтронов по направлению от Земли (нейтроны альбедо) беспрепятственно проходит сквозь ее магнитное поле. Однако они нестабильны и распадаются на протоны, электроны и электронное антинейтрино. В зависимости от напряженности магнитного поля в точке распада нейтрона и питч-углов электронов и протонов они будут захвачены или же покинут РПЗ. Нейтроны альбедо снабжают радиационный пояс протонами с энергией до 103 МэВ и электронами с энергией до нескольких МэВ.

Второй механизм - радиальная диффузия. Плазма солнечного ветра, обтекая магнитосферу, врывается в магнитное поле Земли со стороны хвоста магнитосферы, и заряженные частицы, оказавшись на магнитной силовой линии, захватываются и участвуют во всех трех описанных выше движениях. Находясь на определенной силовой линии L, захваченная частица имеет соответствующую энергию E, причем EL3 = const. Действительно, из выражения (5) следует, что

~ (E /B) ~ const. Учитывая, что B ~ r-3 ~ L-3, получаем EL3 = const. При резком изменении давления солнечного ветра магнитное поле может сильно измениться даже за один оборот частицы вокруг земного шара. Тогда второе условие адиабатичности (4) нарушается и частица переходит на оболочку с меньшим L. Происходит увеличение энергии за счет изменения магнитного поля. Это сравнительно медленный процесс ускорения, однако он дополнительно обеспечивает радиационный пояс протонами и электронами до энергии ~ 30 МэВ. Внешняя часть РПЗ в основном и формируется этим механизмом, и поскольку этот источник зависит от магнитных возмущений, то внешний электронный пояс достаточно динамичный и изменяемый в отличие от внутренней части.

Есть еще несколько механизмов накачки пояса высокоэнергичными частицами. Например, альбедные атмосферные электроны и протоны, возникшие в результате взаимодействия первичных протонов с ядрами в верхней атмосфере, рассеиваются на остаточной атмосфере и захватываются в РПЗ или высокоэнергичные радиоактивные альбедные ядра претерпевают распад внутри зоны захвата и пополняют радиационный пояс электронами и позитронами.

Во время сильных магнитных бурь частицы не только ускоряются, но и высыпаются из пояса. Дело в том, что изменения конфигурации магнитного поля могут погрузить зеркальные точки в атмосферу и частицы, теряя энергию (рассеяние, ионизационные потери), изменяют питч-углы и гибнут в верхних слоях магнитосферы.

РПЗ окружен так называемым плазменным слоем (захваченные потоки электронов и протонов (ионов) c плотностью ~1 см-3 и энергией до 1 кэВ) (рис. 1). Одной из причин возникновения северных (полярных) сияний является высыпание частиц из плазменного слоя и частично из внешнего РПЗ. Явление “северные сияния” - это излучение атомов атмосферы, возбуждаемых в результате столкновений с частицами, высыпающимися из пояса.