Астрофизик из США Джеймс Альфред Ван Аллен (английский вариант – Van Allen) предположил, что отсутствие показаний связано с повышенным уровнем излучения. Дальнейшие исследования американских и русских ученых подтвердили высказанную гипотезу. Выяснилось, что планету окружают радиоактивные пояса, в которых концентрируются и удерживаются электроны и протоны солнечного ветра, заряженные энергией до 3 МэВ.
Открытие имело большое значение для дальнейшего освоения космоса. Области магнитосферы, удерживающие элементарные частицы, получили название «радиационных поясов Ван Аллена». Открытое явление характерно не только для Земли, но и для других планет, обладающих мощным магнитным полем (Юпитер, Нептун и др.).
Строение радиационного пояса
Область магнитной сферы, удерживающая заряженные элементарные частицы, по форме похожа на тор. Выделяют внутренний (высота до 4 тыс. км) и внешний (высота до 17 тыс. км) радиоактивный пояс. Первая область состоит в основном из положительно заряженных элементарных частиц, обладающих энергией в десятки МэВ. Второй пояс содержит малоэнергетичные электроны. Между внутренней и внешней зоной магнитосферы есть «щель», которая находится в промежутке от двух до трех радиусов планеты (так называемая «безопасная область»).
Высота нижней части внутреннего радиационного пояса Земли изменяется по долготе на одной и той же широте. Разность расстояний обусловлена наклоном магнитосферы относительно оси вращения планеты. Изменение высоты радиационного пояса Ван Аллена по долготе на разных широтах связано с различными размерами силовых контуров магнитного поля Земли. Внутренняя область магнитосферы отличается стабильностью, а внешняя подвергается сильным колебаниям.
Ученые продолжают исследовать радиоактивные поля Земли. Физики и астрономы проводят эксперименты, в ходе которых исследуется поведение элементарных частиц в электрических и магнитных полях, плазме и межпланетной среде. Полученные данные позволяют прогнозировать космическую погоду и определять минимальные широты, до которых приближаются к планете различные плазменные структуры, расположенные в магнитосфере.
Влияние радиационных полей на летательные аппараты и здоровье космонавтов
Космические корабли и спутники, двигающиеся на высоте более 2000 км, неизбежно попадают под влияние поясов Ван Аллена. Интенсивная радиация повреждает солнечные батареи, электронные компоненты и измерительные приборы. Для ракет и спутников разрабатывают специальные микросхемы, которые производятся по технологии «кремний на изоляторе».Указанные электронные компоненты обладают устойчивостью к ионизирующему излучению, присутствующему в поясе радиации вокруг Земли. Для защиты корпусов космических аппаратов от ионизирующего облучения применяются специальные покрытия, сделанные из сплавов железа, алюминия и бериллия. Также используются материалы с высоким содержанием водорода (например, полиэтилен).
Ионизирующее излучение оказывает вредное влияние на космонавтов. Радиация в поясе Ван Аллена разрушает ткани, нарушает метаболизм, снижает иммунитет и повышает риск развития злокачественных новообразований. Траектории управляемых космических аппаратов выстраиваются таким образом, чтобы минимизировать нахождение астронавтов в радиационных поясах. Такой подход использовался американскими учеными при планировании полета на Луну. Участники программы «Апполон», побывавшие в заряженной магнитосфере, получили годовую поглощенную дозу 2-11,4 мЗв (безопасный уровень радиации составляет 50 мЗв).
Пояса Ван Аллена и антиматерия: мифы и реальность
В 2011 году в научном журнале Astrophysical Journal Letters появилась статья о результатах международного эксперимента PAMELA. С помощью мощного спектрографа ученым удалось обнаружить слой антиматерии между внутренним и внешним радиационным поясом Земли. Высокая концентрация антипротонов была зафиксирована приборами в области Южно-Атлантической магнитной аномалии.Масса антипротонов удерживается магнитосферой нашей планеты на расстоянии нескольких сотен километров от поверхности земли. На малых высотах происходит нейтрализация антиэлементов, которые взаимодействуют с обычными частицами. Пояса Ван Аллена являются мощным источником антиматерии, которая считается одной из главных загадок Вселенной. Эксперты Института NASA считают, что в будущем антипротоны станут новым видом топлива для космических кораблей.