Перегляд вихідного коду сторінки Радіаційні пояси

'''Радіаці́йні пояси́''' (від {{lang-la|radiatio}}&nbsp;— ''випромінюю'')&nbsp;— внутрішні шари [[магнітосфера|магнітосфер]] [[планета|планет]], у яких утримуються високоенергійні заряджені частинки (здебільшого [[протон]]и та [[електрон]]и).

Існування ''радіаційних поясів [[Земля|Землі]]'' було передбачено ще на початку XX&nbsp;сторіччя, проте відкрито та досліджено їх тільки на початку космічної ери. Вони отримали назву ''поясів Ван Аллена'' на честь американського астрофізика [[Джеймс ван Аллен|Джеймса ван Аллена]]<ref>[https://tribun.com.ua/55585 Американський астрофізик Джеймс Ван Ален 1958 року, після аналізу даних з лічильників Гейгера—Мюллера, які було встановлено на супутнику «Експлорер-1» зробив висновок про існування радіаційних поясів Землі.]</ref>. Згодом потужні радіаційні пояси було виявлено у планет-гігантів&nbsp;— [[Юпітер (планета)|Юпітера]] і [[Сатурн (планета)|Сатурна]].
[[Файл:Van Allen radiation belt uk.svg|thumb|400px|Радіаційні пояси Землі]]

== Природа виникнення ==
[[Магнітне поле Землі]] (та інших планет) є подібним до [[диполь]]ного. Воно ефективно відхиляє заряджені частинки, що прилітають з космосу, не даючи їм досягти поверхні. Проте, якщо частинка з якихось причин опинилася глибше у магнітному полі, ніж їй дозволяє її [[кінетична енергія]], то вона не зможе ні покинути його, ні наблизитись до Землі. Частинка починає рухатися по спіральній траєкторії, обертаючись навколо силової лінії магнітного поля. Поблизу полюсів, через ущільнення силових ліній, її послідовний рух сповільнюється, і частинка розвертається в протилежному напрямку, не сповільнюючи обертання. Ділянки траєкторії, де це відбувається називаються дзеркальними точками<ref name="ufn">[https://ufn.ru/ufn65/ufn65_1/Russian/r651d.pdf Радиационные пояса земли]</ref>. Також, через те, що радіус спіралі, по якій рухається частинка, хоч і значно менший за радіус Землі, проте не нульовий, напруженність магнітного поля змінюється під час її руху, що призводить до повільного дрейфу за довготою<ref name="Гальпер">
{{Cite web
 |url         = http://www.astronet.ru/db/msg/1171214
 |title       = Радиационный пояс Земли
 |accessdate  = 2010-07-01
 |author      = А.М. Гальпер (Московский инженерно-физический институт)
 |work        = [http://www.astronet.ru/ Российская Астрономическая сеть]
 |language    = російською
 |archiveurl  = https://www.webcitation.org/6Hv0D05Is?url=http://www.astronet.ru/db/msg/1171214
 |archivedate = 2013-07-06
 |deadurl     = no
}}
</ref>.

== Радіаційні пояси Землі ==
Радіаційні пояси Землі умовно поділяють на ''внутрішній'', заповнений здебільшого потоками протонів, та ''зовнішній'', де в основному зустрічаються високоенергетичні електрони. Частинки заповнюють усю зону, де силові лінії магнітного поля замкнені: від декількох сотень кілометрів над земною поверхнею до кількох десятків тисяч кілометрів, проте з нерівномірною інтенсивністю.
Електрони мають два максимума інтенсивності:
* Зовнішній максимум інтенсивності розташовано на висоті від 4 до 6 земних радіусів. Електрони у цьому поясі мають енергії від десятків КеВ до кількох МеВ. Інтенсивність потоку електронів з енергією більшою за 40 КеВ у цій зоні складає близько 10<sup>8</sup> частинок на секунду на квадратний сантиметр.
* Внутрішній максимум інтенсивності займає зону між 1,5 і 2,5 земними радіусами. Електрони мають енергії від одиниць до сотень КеВ<ref name="Adams">[http://techdigest.jhuapl.edu/TD/td3303/33_03-Adams.pdf Van Allen Probes Mission Overview and Discoveries to Date] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20180928200830/http://techdigest.jhuapl.edu/TD/td3303/33_03-Adams.pdf |date=2018-09-28 }}{{ref-en}}</ref>.

Розподіл протонів має один максимум на висоті 1,5—3 земних радіуси. Енергія протонів становить 20—800&nbsp;МеВ.

У магнітосфері Землі тривалий час можуть існувати квазістаціонарні радіаційні пояси. Їх утворення пов'язують із потужними спалахами на Сонці, як це сталося, наприклад, в 2024 році<ref>[https://newsyou.info/2024/08/masshtabna-sonyachna-burya-podaruvala-zemli-nove-kilce-nezvichne-yavishhe-zafiksuvali-v-nasa#google_vignette Масштабна сонячна буря подарувала Землі нове кільце: незвичне явище зафіксували в NASA. 29.08.2024, 21:30]</ref>, а також із розпадом радіоактивних елементів, що було викинуто в атмосферу внаслідок ядерних випробувань<ref name="Гальпер"/>.

Варто зазначити, що, кажучи про висоту, на якій розташований той чи інший пояс, маються на увазі L-оболонки&nbsp;— [[узагальнені координати]], що відраховуються від центру Землі, і прив'язані до розташування силових ліній її магнітного поля, тому на високих широтах пояси знаходяться ближче до поверхні<ref>[https://www.spenvis.oma.be/help/background/magfield/bl.html McIlwain's (B, L) coordinate system]{{ref-en}}</ref>. Також, форма ліній може змінюватись через неспівпадіння магнітного поля Землі з ідеальним дипольним&nbsp;— так, над [[Південно-атлантична аномалія|Південно-атлантичною магнітною аномалією]] магнітне поле «просідає», тому у цій області радіаційний фон є високим навіть у 300 кілометрах над поверхнею<ref>[https://image.gsfc.nasa.gov/poetry/tour/AAvan.html The Van Allen Belts] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20191220163500/https://image.gsfc.nasa.gov/poetry/tour/AAvan.html |date=2019-12-20 }}{{ref-en}}</ref>.

=== Динаміка руху частинок у поясі ===
Якщо частинка у магнітному полі рухається під деяким кутом до силової лінії (''пітч-кут''), то її рух можна розкласти на дві складові, дотичну і перпендикулярну силовій лінії. Тоді, завдяки першій компоненті, частинка рухається вздовж лінії, а завдяки другій&nbsp;— обертається навколо неї. Типовий [[ларморів радіус]] частинок&nbsp;— від ста метрів до ста кілометрів, що значно менше за радіус Землі, тому можна вважати, що напруженність поля не змінюється за один оберт.

[[Ганнес Альвен]] показав, що за таких умов, [[магнітний момент]], що створюється частинкою (а точніше, кільцевим струмом, що виникає через її рух по колу) в таких умовах зберігається. Його можна записати як
: <math>\mu=\pi mv^2sin^2\Theta/eB</math>,
де Θ&nbsp;— кут між напрямком швидкості частинки і силовою лінією. Цю величину називають ''першим адіабатичним інваріантом''. Швидкість у магнітному полі не змінюється, тому з формули можна бачити, що зі зростанням напруженості поля, кут Θ також зростає, аж доки не досягає 90°, після чого частинка змінює напрямок руху<ref>[https://books.google.com.ua/books?id=hdrSAAAAQBAJ&pg=PA370&lpg=PA370 Астрофизика космических лучей]{{ref-ru}}</ref>.

Таким чином, частинки рухаються від північного магнітного полюса до південного, не втрачаючи енергії. Період коливання для електронів і протонів з енергією 10&nbsp;МеВ складає 1 секунду і 0,1&nbsp;секунди відповідно<ref name="Гальпер"/>.

Також, через те, що при обертанні навколо силової лінії частинка проходить через зони з різною напруженністю поля, що виражається у виникненні додаткової сили, що пропорційна '''B'''·grad'''B''', і зміщує частинку по довготі. Частинки роблять повний оберт навколо Землі за час від десятків секунд до кількох хвилин<ref name="Гальпер"/>.

=== Джерела наповнення ===
Основним механізмом генерації частинок, що заповнюють радіаційні пояси, вважають розпад т.&nbsp;зв. ''нейтронів [[альбедо]]'' ([[нейтрон]]ів, що утворюються внаслідок взаємодії [[космічні промені|космічних променів]] з атмосферою, і спрямованих від Землі)<ref name="Гальпер"/>. Магнітне поле на них не впливає і вони проходять крізь нього. Однак нейтрони нестабільні і розпадаються на [[протон]]и, [[електрон]]и та [[антинейтрино]]. Залежно від напрямку та величини швидкості частинок і напруги магнітного поля у точці розпаду, електрони і протони можуть залишити зону радіаційних поясів або будуть захоплені.

Іншим механізмом є захоплення частинок [[сонячний вітер|сонячного вітру]] з хвоста магнітосфери та їх поступова [[дифузія]] (дрейф) до радіаційних поясів під впливом різноманітних варіацій [[магнітне поле Землі|магнітного поля]] (зокрема, внаслідок [[магнітна буря|магнітних бурь]]).

Зміни напруженості та конфігурації магнітного поля призводить також до «висипання» заряджених частинок із радіаційних поясів. Зазвичай це відбувається поблизу магнітних полюсів (де траєкторії частинок пролягають найближче до поверхні Землі) внаслідок взаємодії з атмосферою. Зіткнення з атомами атмосфери призводить до збудження останніх та подальшого випромінювання ними світла, що спостерігається як [[полярне сяйво]].
[[Файл:Jupiter.Radio.VLAl.jpg|міні||191пкс|Зображення Юпітера у радіохвилях. Яскраві (білі) області&nbsp;— випромінювання радіаційних поясів.]]

=== Сейсмомагнітосферні зв'язки ===
Сейсмічна активність Землі породжує різноманітні електромагнітні хвилі за рахунок п'єзоефекту, взаємного тертя та інших механічних причин. При цьому, через товщу землі і атмосфери проходять лише хвилі з частотою 0,1—10&nbsp;Гц. Ця частота є близькою до частоти коливань частинок радіаційного поясу, що призводить до виникнення резонансу, що змінює пітч-кути деяких частинок, через що їх дзеркальні точки зміщуються. Частинки, дзеркальні точки яких опиняються на висоті меншій за 100&nbsp;км, потрапляють в атмосферу і висипаються біля полюсів<ref name="Гальпер"/>. Спостереження за такими процесами дозволяє передбачити найбільші землетруси (з [[Магнітуда землетрусу|магнітудою]] більше 6,5) за кілька днів<ref>[https://www.researchgate.net/profile/Sergey_Pulinets/publication/232706850_Characteristics_of_flux-time_profiles_temporal_evolution_and_spatial_distribution_of_radiation-belt_electron_precipitation_bursts_in_the_upper_ionosphere_before_great_and_giant_earthquakes/links/09e41508b92340830d000000/Characteristics-of-flux-time-profiles-temporal-evolution-and-spatial-distribution-of-radiation-belt-electron-precipitation-bursts-in-the-upper-ionosphere-before-great-and-giant-earthquakes.pdf?origin=publication_list Characteristics of flux-time profiles, temporal evolution, and spatial distribution of radiation-belt electron precipitation bursts in the upper ionosphere before great and giant earthquakes]{{ref-en}}</ref>.

== Значення для космонавтики ==
Радіаційний пояс становить значну небезпеку для пілотованих і непілотованих польотів. Тривале знаходження у ньому вкрай небезпечне для людини. Міжнародна космічна станція, що обертається на висоті 400&nbsp;км над землею, при проходженні над Бразильською магнітною аномалією на деякий час потрапляє у радіаційний пояс (що у цій зоні знаходиться ближче до Землі), внаслідок чого середній фон на станції у 10 разів вищий, ніж на АЕС. Безпілотні космічні апарати теж зазнають впливу космічної радіації&nbsp;— потоки високоенергетичних частинок шкодять електронним компонентам апаратів<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/pilgrims/cr16.htm Радиационные бури в космосе]{{ref-ru}}</ref>.

== Радіаційні пояси інших планет ==
Відомості про магнітне поле Юпітера та його радіаційні пояси одержано за допомогою радіоспостережень та значно доповнено завдяки польотам американських [[Автоматична міжпланетна станція|АМС]] «<nowiki/>[[Піонер-10]]<nowiki/>», «<nowiki/>[[Піонер-11]]<nowiki/>», «<nowiki/>[[Вояджер-1]]<nowiki/>» та «<nowiki/>[[Вояджер-2]]<nowiki/>». Радіаційні пояси Юпітера заповнено електронами та протонами з енергією понад 6&nbsp;МеВ.

Радіаційні пояси Сатурна були дослідженні апаратом «[[Кассіні — Гюйгенс|Кассіні]]». Їх цікавою особливістю є те, що вони значно менше залежать від активності Сонця ніж земні<ref>[https://phys.org/news/2017-10-saturn-belts-stranger-solar.html Saturn's radiation belts: A stranger to the solar wind]{{ref-en}}</ref>.

Уран і Нептун також мають радіаційні пояси, що було зафіксовано «Вояджером-2»<ref>[https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2010JA015660 Electron radiation belts of the solar system]{{ref-en}}</ref>.

Марс мав сильне магнітне поле близько 3,5 мільярди років тому, а тому, ймовірно, мав і радіаційні пояси. Проте зараз він не має ні того, ні іншого<ref>[https://mgs-mager.gsfc.nasa.gov Mars Global Surveyor]{{ref-en}}</ref>.

Меркурій має магнітне поле, проте, схоже, що воно занадто слабке, щоб сформувати радіаційні пояси навколо нього<ref>[http://science.sciencemag.org/content/333/6051/1865.full?rss=1 MESSENGER Observations of Transient Bursts of Energetic Electrons in Mercury's Magnetosphere]{{ref-en}}</ref>.

Венера не має магнітного поля (згідно з деякими теоріями, це пов'язано з тим, що вона не зазнала [[Модель ударного формування Місяця|гігантського зіткнення]], якого зазнала Земля<ref>[https://phys.org/news/2017-12-doesnt-venus-magnetosphere.html Why doesn't Venus have a magnetosphere?]{{ref-en}}</ref>), тому не має і радіаційних поясів.

== Історія досліджень ==
У 1896 році [[Крістіан Біркелан]] показав, що полярне сяйво, ймовірно, викликане потоками електронів, що входять в атмосферу. Того ж року [[Анрі Пуанкаре|Пуанкаре]] створив теорію руху зарядженої частинки в магнітному полі, створеному одним полюсом магніту. Проте рівняння руху в магнітному полі [[Диполь|диполя]] були значно складнішими. Усю першу половину XX століття [[Карл Стермер]] працював над цією проблемою, опублікувавши велику кількість робіт, що описують різні можливі траєкторії, а в книзі «Полярне сяйво», яка буда видана 1955 року, підбив підсумок своїх досліджень<ref>[http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/Biographies/Stormer.html Fredrik Carl Mulertz Størmer]{{ref-en}}</ref>. З його робіт випливало, що при деяких конфігураціях поля, існує замкнена область стабільних орбіт, відокремлена від зовнішнього космосу, де такі частинки можуть накопичуватися<ref>[http://nuclphys.sinp.msu.ru/crm/crm02.htm Теория Штермера]{{ref-ru}}</ref>.

З іншого боку, 1912 року було відкрито [[космічні промені]], і стало зрозуміло, що Земля справді постійно бомбардується потоками частинок високої енергії.

1950 року Альвен використав методи [[теорія збурень|теорії збурень]] для опису траєкторії низькоенергетичних частинок у магнітному полі Землі, і показав, що в ньому можуть утворюватись магнітні пастки для таких частинок<ref>[https://ufn.ru/ufn65/ufn65_4/Russian/r654c.pdf Основные гипотезы о происхождении радиационных поясов Земли]{{ref-ru}}</ref>.

[[Файл:Van Allen Explorer 1.jpg|міні|праворуч|Супутник «Експлорер-1» і його творці. Джеймс ван Ален стоїть у центрі. 1958 рік]]

Експериментально радіаційні пояси відкрив Джеймс Ван Ален 1958 року, після аналізу даних з [[Лічильник Гейгера|лічильників Гейгера&nbsp;— Мюллера]], які було встановлено на супутнику «<nowiki/>[[Експлорер-1]]<nowiki/>». Детектори частинок невдовзі після запуску перестали працювати, що спочатку списали на звичайний збій апаратури. Проте Ван Ален припустив, що причиною відмови апаратури став надзвичайно високий рівень радіації у цих областях. Для перевірки цієї гіпотези на наступному апараті, «<nowiki/>[[Експлорер-3]]<nowiki/>», датчик додатково екранували металевим листом, щоб захистити його від сильних потоків частинок<ref name="habr">[https://habr.com/post/372923/ К истории открытия радиационных поясов Земли]</ref>. Аналіз даних другого експерименту підтвердив надзвичайно високі рівні радіації, а також показав, що є дві зони, де сконцентровані частинки високих енергій. Після польоту супутника «<nowiki/>[[Експлорер-12]]<nowiki/>» стало зрозуміло, що ближча до Землі зона наповнена протонами з енергіями >20&nbsp;МеВ, а віддаленіша&nbsp;— електронами з енергіями >1,6&nbsp;МеВ. Пізніше, коли було виміряно концентрації частинок із нижчими енергіями, стало зрозуміло, що поділ на зони не є характерним для таких частинок і саме вони є найбільшою фракцією радіаційних поясів, втім назви «внутрішній пояс» та «зовнішній пояс», закріпилися<ref name="ufn"/>.

Цікаво, що, попри згадані вище теоретичні роботи, які вказували на можливість існування зон із великою концентрацією заряджених частинок у навколоземному просторі, експериментальні результати виявилися неочікуваними. Так, датчики радіоактивності з радянського апарата «[[Супутник-2]]», який було запущено за кілька тижнів до Експлорера, так само вказували на сильний, незалежний від напрямку радіоактивний фон, проте радянські дослідники інтерпретували ці дані неправильно<ref name="habr"/>.

[[Файл:Solar panels for RBSP A and RBSP B.jpg|міні|ліворуч|Сонячні панелі для супутника Radiation Belt Storm Probes, 2012 рік]]

1959 року було відкрито радіаційний пояс Юпітера за допомогою спостережень радіовипромінювання у діапазоні хвиль 3—68&nbsp;см. Воно виявилося поляризованим і нетепловим, з чого було зроблено висновок про його [[Синхротронне випромінювання|синхротронну природу]].

У 1980-х роках за допомогою даних з супутника «<nowiki/>[[Салют-6]]<nowiki/>» було відкрито зону високоенергетичних (>20&nbsp;МеВ) електронів на відстані кількох тисяч кілометрів від Землі<ref>[https://inis.iaea.org/search/searchsinglerecord.aspx?recordsFor=SingleRecord&RN=16057586 High-energy electrons in the Earth radiation belt]{{ref-en}}</ref>.

22 березня 1991 року, після [[Сонячний спалах|спалаху на Сонці]] на кілька років виник новий радіаційний пояс, що було зафіксовано спочатку супутником [[CRESS]], а потім&nbsp;— й іншими<ref name="Гальпер"/>.

У серпні 2012 року [[НАСА|NASA]] запустило два супутники «{{нп|Van Allen Probes}}», які призначені для вивчення радіаційних поясів. Дані з них дали змогу уточнити структуру та динаміку радіаційних зон<ref>[https://www.nasa.gov/mission_pages/rbsp/mission/index.html Van Allen Probes Mission Overview] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20200102212655/https://www.nasa.gov/mission_pages/rbsp/mission/index.html |date=2020-01-02 }}{{ref-en}}</ref>.
{{clear}}

Більш того, відкриття вченими Університету Аляски в [[Фербанкс]]і (США) нового типу електромагнітних хвиль, а саме дзеркально-відбитих свистячих атмосфериків, які змінили уявлення про механізми передачі енергії у магнітосферу Землі та їхній вплив на радіаційні пояси, стало можливим саме завдяки аналізу даних, зібраних супутниками «Van Allen Probes» в рамках програми Living With a Star (LWS) у період з 2012 по 2019 роки<ref>[https://phys.org/news/2024-08-scientists-phenomenon-impacting-earth-belts.html Scientists discover phenomenon impacting Earth's radiation belts. // by Rod Boyce, University of Alaska Fairbanks. AUGUST 17, 2024]</ref><ref>[https://cikavosti.com/vidkryto-fenomen-shho-vplyvaye-na-radiaczijni-poyasy-zemli/ Відкрито феномен, що впливає на радіаційні пояси Землі. // Автор: Анатолій Шевченко. 25.08.2024]</ref>.

У 2024 році були зафіксовано появу тимчасових радіаційних поясів у просторі між двома основними, що виникли після [[Геомагнітна буря 2024 року|потужної магнітної бурі на Сонці]]<ref>[https://news.telegraf.com.ua/ukr/ukraina/2025-02-08/5897209-tainstvennye-radiatsionnye-koltsa-zametili-vokrug-zemli-posle-moshchnoy-magnitnoy-buri?traffic_source=ukr.net Таємничі радіаційні кільця помітили навколо Землі після потужної магнітної бурі. // Автор: Тетяна Крутякова. 08.02.2025, 00:38]</ref>.

== Посилання ==
* [https://www.swpc.noaa.gov/products/van-allen-probes-radiation-belt-plots Van Allen Probes Radiation Belt Plots]&nbsp;— актуальний стан радіаційних поясів
* [https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/v-w-x-y-z/van-allen-probes Van Allen Probes / former RBSP Mission]&nbsp;— описання та результати місії Van Allen Probes

== Джерела ==
* {{А-Е-С|стаття=Радіаційні пояси|сторінка=390|літера=r}}
* {{Cite web
 |url         = http://www.astronet.ru/db/msg/1171214
 |title       = Радиационный пояс Земли
 |accessdate  = 2010-07-01
 |author      = А.М. Гальпер (Московский инженерно-физический институт)
 |work        = [http://www.astronet.ru/ Российская Астрономическая сеть]
 |language    = російською
 |archiveurl  = https://www.webcitation.org/6Hv0D05Is?url=http://www.astronet.ru/db/msg/1171214
 |archivedate = 2013-07-06
 |deadurl     = no
}}

== Див. також ==
* [[Інтербол (космічний проєкт)]]&nbsp;— міжнародний науковий проєкт вивчення взаємодії магнітосфери Землі з сонячним вітром.
* [[Радіаційна стійкість]]

== Примітки ==
{{reflist}}

[[Категорія:Астрофізика]]
[[Категорія:Планетологія]]
[[Категорія:Космічні плазми]]
[[Категорія:Радіоактивність]]