Материал: 5721

15

эффектом может привести к «неожиданному» торможению спутника и потере им высоты полета. Пожалуй, самым печально известным случаем такой ошибки стало падение американской станции «Скайлэб» после крупнейшей солнечной вспышки, произошедшей в 1972 году. К счастью, во время спуска с орбиты станции «Мир» Солнце было спокойным, что облегчило работу российским баллистикам.

Однако, возможно, наиболее важным для большинства обитателей Земли эффектом оказывается влияние ионосферы на состояние радиоэфира. Плазма наиболее эффективно поглощает радиоволны только вблизи определенной резонансной частоты, зависящей от плотности заряженных частиц и равной для ионосферы примерно 5-10 мегагерцам. Радиоволны более низкой частоты отражаются от границ ионосферы, а волны более высокой – проходят сквозь неё, причем степень искажения радиосигнала зависит от близости частоты волны к резонансной. Спокойная ионосфера имеет стабильную слоистую структуру, позволяя за счет многократных отражений принимать радиосигнал диапазона коротких волн (с частотой ниже резонансной) по всему земному шару.

Магнитосфера - магнитное поле Земли

Существование магнитного поля у нашей планеты – Земли является уникальным явлением. Эксперименты показали, что магнитного поля нет у планеты земной группы – Марса и Венеры. Нет магнитного поля и у Луны, а Юпитер и Сатурн обладают магнитными полями значительно превосходящими магнитное поле Земли. Магнитное поле Земли можно представить в виде гигантского магнита, расположенного внутри Земли и сдвинутого на расстояние около 500 км от центра Земли в сторону Тихого океана. Ось этого магнита не совпадает с осью вращения Земли и имеет наклон около 11°. Поэтому магнитные полюса и магнитный экватор не совпадают с географическими полюсами и экватором, а геомагнитные широты не совпадают с географическими.

Магнитосфера Земли – область около планетарного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем планеты и его взаимодействием с потоками

16

заряженных частиц космического происхождения (солнечным ветром). Магнитосфера Земли с дневной стороны простирается до 8-14 земных радиуса, с ночной стороны – вытянута, образуя магнитный «хвост» в несколько сотен земных радиусов. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Радиационные пояса Земли – это области пространства, заполненные заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли. Потоки этих частиц намного порядков превышают потоки частиц космических лучей. Радиационные пояса (магнитные силовые линии Земли) создают препятствия для проникающей космической радиации. Электроны и протоны высоких энергий накручиваются на магнитные силовые линии, создавая при этом повышенный радиационный фон и высокие температуры.

К открытию радиационных поясов Земли привели первые полеты спутников на больших высотах. Впервые внутренний радиационный пояс был зарегистрирован советским ученым С.Верновым в 1957 году, а позже американским ученым Дж. ВанАлленом. Внешний радиационный пояс открыт советскими учеными во главе с С.Н. Верновым и А. Е. Чудаковым. Разделение на внутренний и внешний пояса является очень четким.

Первый эксперимент по измерению энергии мощных потоков заряженных частиц внутреннего радиационного пояса был поставлен группой советского исследователя Сергея Вернова в 1957 году. Действительность превзошла все ожидания – приборы зашкалило. Спустя год руководитель аналогичного американского эксперимента Джеймс Ван Аллен понял, что это не сбой в работе прибора, а реально существующие мощнейшие потоки заряженных частиц, не относящихся к галактическим лучам. Энергия этих частиц недостаточно велика, чтобы они могли достигать поверхности Земли, но в космосе этот «недостаток» с лихвой компенсируется их количеством.

Известно, что почти дипольное магнитное поле внутренней магнитосферы Земли создает особые зоны «магнитных бутылок», в которых заряженные частицы могут «захватываться» на длительное время, вращаясь вокруг силовых линий. При этом частицы периодически отражаются от околоземных концов

17

силовой линии (где магнитное поле увеличивается) и медленно дрейфуют вокруг Земли по окружности. В наиболее мощном внутреннем радиационном поясе хорошо удерживаются протоны с энергиями вплоть до сотен мегаэлектронвольт. Дозы облучения, которые можно получить при его пролете, настолько велики, что долго в нем рискуют держать только научно-исследовательские спутники. Пилотируемые корабли прячутся на более низких орбитах, а большинство спутников связи и навигационных космических аппаратов находится на орбитах выше этого пояса. Наиболее близко к Земле внутренний пояс подходит в точках отражения. Из-за наличия магнитных аномалий (отклонений геомагнитного поля от идеального диполя) в тех местах, где поле ослаблено (над так называемой бразильской аномалией), частицы достигают высот 200-300 км, а в тех, где оно усилено (над Восточно-Сибирской аномалией) – 600 км. Над экватором пояс отстоит от Земли на 1500 км. Сам по себе внутренний пояс довольно стабилен, но во время магнитных бурь, когда геомагнитное поле ослабевает, его условная граница спускается еще ближе к Земле. Поэтому положение пояса и степень солнечной и геомагнитной активности обязательно учитываются при планировании полетов космонавтов и астронавтов, работающих на орбитах высотой 300-400 км.

Во внешнем радиационном поясе наиболее эффективно удерживаются энергичные электроны. «Население» этого пояса очень нестабильно и многократно возрастает во время магнитных бурь за счет выброса плазмы из внешней магнитосферы. К сожалению, именно по внешней периферии этого пояса проходит геостационарная орбита, незаменимая для размещения спутников связи: спутник на ней неподвижно «висит» над одной точкой земного шара (её высота около 4,2 104 км). Поскольку радиационная доза, создаваемая электронами, не столь велика, то на первый план выходит проблема электризации спутников. Дело в том, что любой объект, погруженный в плазму, должен находиться с ней в электрическом равновесии. Поэтому он поглощает некоторое количество электронов, приобретая отрицательный заряд и соответствующий «плавающий» потенциал, примерно равный температуре электронов, выраженной в электронвольтах. Появляющиеся во время

18

магнитных бурь облака горячих (до сотен килоэлектрон вольт) электронов придают спутникам дополнительный и неравномерно распределенный отрицательный заряд, из-за различия электрических характеристик элементов поверхности. Разности потенциалов между соседними деталями спутников могут достигать десятков киловольт, провоцируя спонтанные электрические разряды, выводящие из строя электрооборудование.

Проникающая радиация космического происхождения – это сравнительно большая энергия: электроны с энергией >100 Кэв и протоны с энергией >30 Мэв. Причем протоны с энергией >30 Мэв существуют только во внутреннем радиационном поясе, а во внешнем поясе их нет.

Разделение радиационных поясов на внутренний и внешний имеет значение также и с другой точки зрения. Оказывается, что радиация, захваченная в области внутреннего радиационного пояса, почти не подвержена временным изменениям, в то время как радиация в области внешнего пояса испытывает разнообразные и значительные временные вариации, как по интенсивности, так и по распределению в пространстве.

После открытия радиационных поясов Земли стала ясна их тесная связь с магнитными бурями, полярными сияниями, поглощением космического радиоизлучения в полярных областях и другими геофизическими явлениями, связанными с солнечной активностью.

Солнечная активность характеризуется появлением на Солнце пятен, факелов, протуберанцев, хромосферных вспышек в результате гелиомагнитных инверсий. Эти процессы связаны с импульсным излучением колоссальной энергии и выделением вещества в виде частиц и полей. Импульсное периодически повторяющееся излучение Солнца формирует перед препятствием ударные волны, которые вызывают в космических объектах возмущение их магнитных полей. Это воздействие приводит к тому, что с дневной стороны происходит поджатие магнитного поля, а с ночной – его растяжение. Само поле оказывается ограниченным в определенной области пространства, называемое магнитосферой космических тел. Внутри магнитосферы магнитное поле определяется силовыми линиями