Радиация внутри магнитосферы

Итак, магнитное поле Земли, т. е. магнитосфера, не защищает ее от солнечной корпускулярной радиации. Часть плазмы солнечного ветра проникает внутрь магнитосферы с дневной стороны вдоль нейтральных линий в районе дневных полярных каспов. На ночной стороне, в хвосте магнитосферы, магнитная оболочка нашей планеты также уязвима. Сюда проникают заряженные частицы солнечной плазмы.

Нас интересует проблема влияния солнечных и магнитных бурь на здоровье человека и живые организмы. Множеством фактов доказано, что на животный организм влияют магнитные поля, электрические токи и различные колебательные процессы типа короткопериодических колебаний геомагнитного поля с различными периодами. Все эти явления возникают потому, что околоземное космическое пространство внутри магнитосферы заполнено плазмой. Эта плазма создает электрические токи и является причиной геомагнитных бурь. В ней происходят различные волновые процессы, которые также влияют на здоровье человека.

Плазма внутри магнитосферы распределена в пространстве не равномерно, частицы плазмы имеют в разных областях магнитосферы различные скорости. Температура и давление плазмы в разных местах также различны. Сюда надо добавить, что помещена эта плазма в магнитное поле, которое неоднородно в пространстве и под действием солнечных бурь изменяется во времени. Кроме того, на эту неоднородную плазму, помещенную в изменчивое и неоднородное магнитное поле, действует еще и крупномасштабное электрическое поле. Получается очень сложная картина, тем более что на частицы плазмы действуют и другие силы, а именно, сила земного притяжения, сила, создаваемая градиентами магнитного поля и плазменного давления, волновые процессы в приземной плазме и другое.

Чтобы понять сложную картину поведения корпускулярной радиации в околоземном пространстве под действием магнитного, электрического и других силовых полей, надо вначале рассмотреть поведение отдельной электрически заряженной частицы в этих условиях.

Что такое плазма?

Часто говорят, что плазма является четвертым состоянием вещества. Если взять, скажем, воду в твердом состоянии (т. е. лед) и повышать её температуру, она перейдет из твердого состояния в жидкое. Дальнейшее повышение температуры превратит воду из жидкого состояния в третье состояние — газообразное. Но если и дальше повышать температуру, то отдельные молекулы водяного пара при столкновениях друг с другом будут терять свои внешние электроны и, тем самым, будут превращаться в ионы, а молекулы будут распадаться на отдельные атомы. Это состояние будет называться уже не газообразным, а плазменным. Если все атомы газа ионизованы, то такую плазму называют полностью ионизованной плазмой. Если только часть атомов ионизована, а остальные остаются электрически нейтральными, то такая плазма называется частично ионизованной плазмой.

Большая часть вещества во Вселенной состоит из плазмы. Так, Солнце, масса которого в 330 тыс. раз больше массы Земли, полностью состоит из плазмы. В верхней атмосфере Земли, на высотах от 30 до 1000 км, имеется частично ионизованная плазма (ионосфера — сфера ионов и электронов). Эта ионосферная плазма образуется из нейтральной атмосферы Земли, когда та облучается электромагнитным излучением Солнца, т. е. светом с различными длинами волн. Это излучение отрывает от атомов и молекул внешние электроны, превращая их в ионы. Так образуется ионосфера.

Чем отличается в своем поведении ионизованный газ от нейтрального газа, т. е. чем отличается плазма от нейтрального газа?

Можно ответить, что это отличие не очень большое, если на плазму не действует ни магнитное, ни электрическое поле. Но этот случай нас интересует мало, поскольку околоземная плазма находится в магнитном поле. В магнитном поле поведение плазмы принципиально отличается от поведения нейтрального газа.

Рассмотрим вначале поведение отдельной электрически заряженной частицы в магнитном поле. На частицу с электрическим зарядом, которая движется в магнитном поле, действует сила, которая направлена перпендикулярно как к направлению магнитного поля, так и к направлению скорости движения частицы. Эта сила будет закручивать траекторию заряженной частицы вокруг силовой линии магнитного поля. Она определяется величиной заряда и магнитного поля. Зависимость частоты вращения от массы обратно пропорциональная, т. е. тяжелые частицы вращаются медленнее. Поскольку протон в 1840 раз тяжелее электрона, то и его круговая скорость вращения вокруг магнитного поля в столько же раз меньше скорости вращения электрона. Ядра ионов состоят из протонов и нейтронов, поэтому они еще тяжелее электрона, нежели протон, скорость вращения еще меньше. Все без исключения частицы, имеющие электрический заряд, т. е. частицы околоземной плазмы, вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. Причем направление вращения определяется знаком электрического заряда частицы. Электроны и протоны (или другие положительно заряженные частицы) вращаются в противоположных направлениях с разной круговой частотой. Интересно заметить, что с какой бы скоростью данная частица (имеющая определенную массу и электрический заряд) ни влетела в магнитное поле, она всегда будет вращаться с одной и той же круговой частотой, скажем, 5 оборотов в секунду. Но траектории одной и той же частицы при различных ее скоростях будут различными. Чем больше скорость частицы, тем больше радиус окружности, по которой она вращается. Если впрыснуть в магнитное поле одновременно целую группу однотипных частиц (скажем, электронов), то все они начнут вращаться вокруг силовой линии магнитного поля в одном и том же направлении, но на разном удалении от центра вращения. По мере увеличения скорости частицы будут располагаться дальше от этого центра.

Во всех приведенных выше рассуждениях скорость частиц была перпендикулярной направлению магнитного поля. Если эта скорость не перпендикулярна магнитному полю, ее всегда можно разложить на две скорости — поперек (перпендикулярно) магнитного поля и вдоль него. Когда заряженная частица движется вдоль магнитного поля, то сила, которая заставляет частицу вращаться, не возникает. Частица движется так же свободно, как и в отсутствие магнитного поля.

Радиус вращения нетрудно определить, если известна скорость частицы.

Чем больше величина магнитного поля, тем меньше радиус, т. е. если частица вращается в поле, которое по мере продвижения частицы становится все сильнее, то радиус ее вращения постепенно уменьшается. Выше мы видели, что частота вращения постепенно увеличивается. Кроме того, чем больше масса частицы, тем радиус окружности, по которой она вращается, будет больше. Так, при одинаковой скорости радиус вращения иона в тысячи раз больше, чем электрона. Т. е. более тяжелые частицы вращаются медленнее и по окружности большего радиуса. Основными частицами, из которых состоит плазма в околоземном пространстве, являются электроны и протоны. Из всего уже сказанного ясно, что все они движутся по спиралям (винтовым линиям) вокруг магнитных силовых линий. Электроны имеют большую частоту вращения и малый радиус. Ионы же (или протоны) имеют в тысячи раз меньшую круговую частоту и в столько же раз больший радиус окружности вращения.

Мы уже знаем, что собой представляет магнитное поле Земли, в которое помещена интересующая нас плазма. Это в первом приближении (ближе к Земле) — поле магнитного диполя. Такое магнитное поле неоднородно. Оно уменьшается по мере удаления от поверхности Земли. Кроме того, оно изменяется по мере движения вдоль определенной магнитной силовой линии в направлении от экватора к высоким широтам. Если мы вместе с заряженной частицей будем совершать такое винтообразное движение, то постепенно будем перемещаться в область с большим магнитным полем. Мы уже говорили, что с увеличением магнитного поля круговая частота частицы будет увеличиваться, а радиус вращения — уменьшаться. Скорость движения частицы поперек магнитного поля (или “поперечная” кинетическая энергия частицы) по законам физики увеличивается с увеличением магнитного поля. Общая энергия частицы должна оставаться прежней. Значит, увеличение поперечной скорости (энергии) может произойти только за счет уменьшения продольной. Такое уменьшение будет происходить до тех пор, пока продольная скорость частицы не станет равной нулю. Частица перестанет передвигаться вдоль силовой линии в область более сильного магнитного поля и будет вращаться по окружности вокруг силовой линии. Говорят, что частица наткнулась на магнитную пробку. Легко сообразить, что для того, чтобы частица смогла продвинуться глубже в увеличивающееся магнитное поле, надо увеличить её продольную скорость (энергию). Если не менять общую энергию частицы, то этого можно достичь, если уменьшить угол между скоростью частицы и магнитным полем. Такой угол называется питч-углом. Если этот угол уменьшить до нуля, т. е. заставить заряженную частицу двигаться вдоль силовой линии магнитного поля, то она уйдет сколь угодно глубоко в магнитное поле любой величины. Она просто его не почувствует.

Значит, движение заряженной частицы в магнитном поле зависит от: 1) величины и степени неоднородности магнитного поля, 2) скорости частицы и 3) направления движения частицы относительно магнитного поля, т. е. питч-угла.

Вернемся к движению отдельной частицы. Если мы знаем в какой-либо точке пространства, скажем, в экваториальной плоскости магнитосферы, величину магнитного поля Н₀, скорость частицы и ее питч-угол α₀, то легко сможем рассчитать скорость частицы и питч-угол α в любой точке ее траектории. В частности, сможем рассчитать, в какой точке питч-угол частицы станет равным 90°, т. е. частица перестанет продвигаться по полю, встретив магнитную пробку, где магнитное поле равно Н.

Можно рассчитать, при каком магнитном поле Н частица отразится от магнитного зеркала, если в поле Н₀ ее питч-угол был равен α₀. Для жизни плазмы в околоземном пространстве вопрос отражения ее частиц от магнитных зеркал (или пробок) — это вопрос номер один. Если заряженная частица попала в магнитное поле Земли, она начнет двигаться по спирали вдоль силовой линии магнитного поля. Магнитное поле вдоль силовой линии неоднородно. Чем ближе к Земле спускается силовая линия, тем магнитное поле более сильное. Продвигаясь в более сильное поле, частица при определенном значении этого поля остановится, отразится и будет двигаться в направлении уменьшения магнитного поля (вдоль той же силовой линии). Но когда она минует экватор и перейдет в другое полушарие, то магнитное поле вновь начнет увеличиваться и частица снова будет вынуждена отразиться и вернуться через экватор в прежнее полушарие. Если магнитное поле по каким-либо причинам не изменится или если другие частицы не собьют эту частицу с ее пути и не изменят ее питч-угол, такое движение между зеркальными точками могло бы продолжаться бесконечно.

Мы сказали, что так будет, если частица не будет сталкиваться с другими частицами. Это очень важно потому, что, спускаясь вместе с силовой линией все ближе к Земле, частица рискует попасть в атмосферу Земли, где ей не миновать такого столкновения. И не одного. Такая частица для плазмы, удерживаемой магнитным полем, будет безвозвратно потеряна. Это произойдет, если питч-угол частицы такой, что она попадает в конус потерь. Частицы с большим питч-углом отразятся. Для нас этот вопрос принципиален вот почему. Пока заряженные частицы плазмы двигаются вдоль магнитных силовых линий на удалении нескольких радиусов Земли, они для земных обитателей менее заметны и опасны. Когда же они при своем движении не сумеют отразиться от магнитного зеркала и попадают в земную атмосферу, то они вызывают в атмосфере свечение — полярные сияния, а также электрические токи. Наличие электрических токов (изменяющихся во времени) приведет к изменению магнитного поля на Земле. А это, в свою очередь, скажется на здоровье человека.

То, что в магнитосфере Земли имеется достаточно интенсивная радиация, было предсказано теоретически на основании анализа того, как изменяется магнитное поле на Земле. Затем спутниками были обнаружены радиационные пояса вокруг Земли. Но прежде чем дать их описание, мы продолжим рассмотрение движения заряженной частицы в магнитном поле Земли. Дело в том, что, кроме своего движения по винтовым линиям из полушария в полушарие, заряженная частица совершает и другие движения. Ведь на нее действуют и другие силы, кроме рассмотренной выше.

Напомним еще раз, что в магнитном поле заряженная частица движется не в том направлении, в каком на нее действует сила, а перпендикулярно к магнитному полю и одновременно действующей силе. За счет того, что силовые линии не прямые, а закруглены (они выходят из Южного полушария и входят в Северное, удаляясь от Земли на самое большое расстояние у экватора), частицы испытывают на себе действие центробежной силы. Той силы, которая сбрасывает любое тело с вращающегося диска. Эта сила направлена от Земли. Под ее действием частицы будут двигаться перпендикулярно этой силе и силовой линии магнитного поля, т. е. они будут двигаться по окружности вокруг Земли в направлении восток - запад. В результате заряженные частицы будут двигаться так, как это показано схематически на рисунке 10. Электроны будут двигаться на восток, а протоны (или другие положительно заряженные частицы) — на запад. Электроны и протоны, захваченные в магнитное поле Земли, образуют радиационные пояса Земли.

Движение электрических зарядов — это не что иное, как электрический ток. Обратим внимание на интересное свойство плазмы, находящейся в магнитном поле. Электрическое поле, которое в обычных условиях вызывает электрический ток, движет плазму так, что не возникает электрического тока. И наоборот, неэлектрические силы (вроде приведенной выше центробежной силы) вызывают электрический ток. Все это из-за наличия магнитного поля. Величина электрического тока определяется количеством зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени, т. е. величина кольцевого тока вокруг Земли будет зависеть от количества заряженных частиц (электронов и протонов), а также от их скорости.

Скажем заранее, что когда происходит солнечная буря и солнечная плазма, достигая орбиты Земли, попадает внутрь магнитосферы, величина этого кольцевого тока увеличивается. Этот ток, как и вообще любой электрический ток, создает вокруг себя магнитное поле. Магнитометры на Земле, измеряющие магнитное поле, будут регистрировать магнитное поле Земли (направленное с юга на север) и одновременно это поле кольцевого тока, которое на поверхности Земли направлено с севера на юг, т. е. суммарное магнитное поле будет меньше магнитного поля Земли (произойдет их вычитание из-за того, что они направлены противоположно). На магнитограммах будет регистрироваться понижение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Это главная фаза геомагнитной бури.

Геомагнитные бури мы рассмотрим позднее, а сейчас вернемся к движению заряженных частиц в магнитосфере. Имеется еще одна сила, обусловленная неоднородностью магнитного поля. По мере удаления от Земли магнитное поле ослабляется. Говорят, что оно имеет в этом направлении градиент. Такое магнитное поле стремится вытолкнуть заряженную частицу в более слабое поле, т. е. по направлению от Земли. Как видим, эта сила направлена так же, как и рассмотренная выше, центробежная. Значит, она вызовет такое же движение электронов и протонов, которое усилит кольцевой ток. Можно также рассмотреть, к чему приведет действие силы земного притяжения. Она направлена противоположно указанным выше силам, т. е. к центру Земли. Она вызовет противоположные движения электронов и протонов. Электроны будут дрейфовать на запад, а протоны на восток.

Для нас особенно важно рассмотреть еще действие на заряженные частицы в магнитном поле электрического поля. Дело в том, что в хвосте магнитосферы имеется крупномасштабное электрическое поле, направленное поперек хвоста — от утренней стороны к вечерней. Магнитное поле в хвосте направлено с юга на север. Значит, движение частиц будет направлено к Земле. Это поле во время солнечных бурь усиливается, что приводит к движению плазмы в направлении к Земле. Затем эта плазма, двигаясь по спиралям вдоль силовых линий, попадает в атмосферу высоких широт Южного и Северного полушарий и вызывает там полярные сияния, электрические токи и магнитные возмущения.

Подведем итоги вышеизложенному. Магнитосфера Земли имеет две области с дневной стороны (дневные полярные каспы, или мешки) в высоких широтах обоих полушарий, через которые солнечная радиация может проникать непосредственно в верхнюю атмосферу высоких широт. Эти воронки приходятся на дневную часть овала полярных сияний, о котором уже говорилось и более подробно будет сказано ниже. Кроме того, солнечная радиация проникает в хвост земной магнитосферы. В результате околоземное пространство оказывается заполненным плазмой, которая удерживается магнитным полем Земли на определенных магнитных оболочках. Во время солнечных бурь часть этой плазмы сбрасывается в атмосферу Земли в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Здесь она вызывает полярные сияния, ионосферные токи и магнитные возмущения. Затем опустошенная магнитосфера снова постепенно наполняется за счет поступления солнечной корпускулярной радиации.