Космические лучи в магнитосфере и атмосфере Земли - Галактические космические лучи
КЛ, прежде чем достигнуть поверхности Земли, должны пройти земное магнитное поле (магнитосферу) и земную атмосферу. Магнитное поле Земли имеет сложную структуру. Внутренняя область магнитосферы с размерами в несколько радиусов Земли ( R?=6378 км) имеет дипольную структуру. На стороне Земли, обращенной к Солнцу, на расстоянии ~10R? солнечный ветер и земное магнитное поле в результате взаимодействия образуют стоячую ударную волну. На этом расстоянии солнечный ветер обтекает магнитное поле, размыкая часть силовых линий на передней (освещенной) границе магнитного поля Земли, и переносит их на ночную сторону Земли, образуя хвост магнитосферы. Хвост магнитосферы, состоящий из разомкнутых силовых линий, простирается на расстояние в несколько сотен радиусов Земли. На рис. 5 схематически изображена земная магнитосфера. КЛ, попадая в геомагнитосферу, движутся в ней сложным образом, так как на любую заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, равная
F=(q/c)[V?B],
Где q - заряд частицы, c - скорость света в вакууме, V - скорость частицы, а B - индукция магнитного поля. Зная F, можно определить траекторию частицы из уравнения
M(Dv/dt)=(q/c)[V?B],
Где m - масса частицы. Так как B сложным образом зависит от координат точки наблюдения, то вычисление траектории движения частицы в магнитном поле Земли немыслимо без использования мощных вычислительных машин и соответствующего программного обеспечения и стало возможным только в наше время.
Рис. 5. Структура магнитосферы Земли. Области захвата частиц (радиационные пояса) заштрихованы
В начале нашего века движение заряженных частиц в поле магнитного диполя было рассмотрено шведским ученым С. Штермером. В магнитном поле движение частицы определяется ее магнитной жесткостью R=pc/q, где p - импульс частицы. Частицы, обладающие одинаковой жесткостью R, будут двигаться в одном и том же поле одинаково. Расчеты показали, что частица попадет в данную точку магнитосферы, если ее магнитная жесткость будет превосходить некоторую минимальную величину, называемую жесткостью геомагнитного обрезания RMin. Частицы, имеющие R<RMin, попасть в данную точку магнитосферы под данным углом не могут. Обычно величина R выражается в мега - или в гигавольтах: МВ или ГВ. В полярные районы геомагнитосферы, в районы магнитных полюсов проникают частицы с очень малыми значениями R. Однако по мере продвижения к геомагнитному экватору величина RMin существенно увеличивается и достигает значений ~15 ГВ. Таким образом, если измерять поток КЛ, двигаясь от полюса к экватору, то его величина будет постепенно уменьшаться, так как магнитное поле Земли будет препятствовать их проникновению. Это явление получило название широтного хода КЛ. Обнаружение широтного хода КЛ послужило доказательством того, что КЛ являются заряженными частицами.
Свойство геомагнитосферы пропускать в данную точку КЛ с жесткостью лишь выше RMin используется для наблюдений КЛ в различных диапазонах энергий. Для этих целей стандартными приборами (нейтронными мониторами, кубическими телескопами, радиозондами и пр.) измеряют КЛ в районах полярных, средних и экваториальных широт, имеющих различные значения RMin.
Вскоре после запусков первых искусственных спутников Земли в 1958 году американцем Дж. Ван Алленом и советскими учеными С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым были открыты внутренний и внешний радиационные пояса Земли. Радиационные пояса являются магнитными ловушками для заряженных частиц. Если частица попадает внутрь такой ловушки, то она захватывается и живет в ней довольно долго. Поэтому в радиационных поясах потоки захваченных частиц огромны по сравнению с потоками вне поясов. Схематически радиационные пояса показаны на рис. 5. Внутренний пояс состоит в основном из протонов и находится на расстоянии в несколько тысяч километров от поверхности Земли, если расстояние отсчитывать в экваториальной плоскости. Основным механизмом, который поставляет протоны во внутренний радиационный пояс, является механизм распада медленных нейтронов. Нейтроны образуются при взаимодействии КЛ с ядрами элементов воздуха. Это нестабильные частицы со временем жизни ~10 минут. Часть нейтронов имеет достаточную скорость, чтобы уйти за пределы атмосферы (граница атмосферы расположена на высоте ~30-35 км), попасть в область геомагнитной ловушки и там распасться: n>p+e-+н. Измерения и расчеты потоков нейтронов, идущих вверх из атмосферы Земли, показали, что этот источник является основным поставщиком протонов во внутренний радиационный пояс. Максимум потока захваченных протонов внутреннего радиационного пояса (протоны с E>35 МэВ) зафиксирован на расстоянии примерно в 1,5R?.
Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов с энергией от нескольких сотен килоэлектронвольт до ~10 МэВ. Поток электронов во внешнем радиационном поясе Земли сильно меняется во время геомагнитных возмущений. Внешний радиационный пояс образуется из частиц ионизованной оболочки, располагающейся вокруг Земли, и электронов солнечного ветра. Во время геомагнитных возмущений малоэнергичные электроны ускоряются магнитогидродинамическими волнами (МГД-волнами), распространяющимися от границы магнитосферы к поверхности Земли (подробнее о природе МГД-волн см. статью М. И. Пудовкина "Солнечный ветер" в этом томе).
На рис. 5 заштрихованные области представляют собой области захвата частиц - радиационные пояса Земли. Магнитосфера Земли не симметрична на дневной и ночной сторонах, поэтому области захвата частиц также различны. Это различие вызвано воздействием солнечного ветра на геомагнитосферу и особенно сказывается на ее внешних областях. Поэтому сильная асимметрия в расположении области захвата наблюдается для частиц внешнего радиационного пояса и в значительно меньшей степени для частиц внутреннего пояса.
В последнее время все большее внимание привлекает роль КЛ в атмосферных процессах. Хотя плотность энергии КЛ мала по сравнению с соответствующими величинами различных атмосферных процессов, в некоторых из них КЛ играют решающую роль. В земной атмосфере на высотах менее 30 км КЛ являются главным источником образования ионов. От плотности ионов во многом зависят процессы конденсации и образования водяных капель. Так, во время форбуш-понижений уменьшается облачность и уровень выпадения осадков. После вспышек на Солнце и прихода СКЛ на Землю величина облачности и уровень осадков увеличиваются. Эти изменения как в первом, так и во втором случаях составляют значительную величину - не менее 10 %. После вторжения в полярные области Земли больших потоков малоэнергичных частиц от солнечных вспышек наблюдается изменение температуры в верхних слоях атмосферы. КЛ активно участвуют в образовании грозового электричества. В настоящее время активно изучается влияние КЛ на концентрацию озона и на другие процессы в атмосфере.
Похожие статьи
-
Космические характеристики, Магнитосфера - Планета Сатурн
Сатурн гексагон планета кольцо При пролете около Сатурна АМС "Вояджер-1" обнаружила явления, которые, по-видимому, представляют собой интенсивные...
-
Модуляционные эффекты в космических лучах - Галактические космические лучи
Интерес к исследованию КЛ с энергиями E<1012 эВ связан с изменением потоков частиц во времени и пространстве и их зависимостью от уровня солнечной...
-
Солнечные космические лучи - Галактические космические лучи
Солнце само также является источником солнечных космических лучей (СКЛ). СКЛ - это заряженные частицы, ускоренные во вспышечных процессах на Солнце до...
-
Введение - Галактические космические лучи
Конец XIX - начало XX века ознаменовались новыми открытиями в области микромира. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности были обнаружены...
-
Спутниковые методы исследования атмосферы - Космические средства дистанционного зондирования Земли
Искусственные спутники Земли позволяют не только наблюдать из космоса поверхность суши, водоемов и облаков, но и определять средами оптической...
-
Галактические космические лучи
Космические лучи, которые постоянно регистрируются на Земле, поступают из источников в нашей Галактике, пока энергии ниже 1015-1018 эВ. Это вытекает из...
-
Земля: атмосфера и гидросфера - Возникновение Солнечной системы
После своего возникновения приблизительно 4600 млн. лет тому назад наша Земля, по всей вероятности, уже не меняла своей формы. Ее химический состав также...
-
Магнитное поле и магнитосфера - Юпитер среди планет Солнечной системы
Схема магнитного поля Юпитера Первый признак любого магнитного поля -- радиоизлучение, а также рентген. Строя модели происходящих процессов, можно судить...
-
КАК СОЛНЦЕ ВЛИЯЕТ НА ЗЕМЛЮ - Солнце, его строение и особенности
Солнце освещает и согревает нашу планету, без этого была бы возможна жизнь на ней не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце - главный (хотя и...
-
Магнитное поле Земли - Магнитное поле Земли
Механизм возникновения, предложения по его экспериментальной проверке и использованию. Существует ряд гипотез, объясняющих возникновение магнитного поля...
-
Ядро Земли, Гидросфера, Атмосфера - История, строение и народонаселение планеты Земля
Рис. 4. Карта Ядро состоит из железоникелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Тектонические платформы Карта, иллюстрирующая...
-
Магнитное поле и магнитосфера - Планеты Солнечной системы: Юпитер
Первый признак любого магнитного поля - радиоизлучение, а также рентген. Строя модели происходящих процессов, можно судить о строении магнитного поля....
-
Это как правило, большие каменные глыбы, которые приходят из пояса астероидов, расположенного между орбитами Марса и Юпитера. Иногда их орбиты изменяются...
-
Гамма-астрономия высоких и сверхвысоких энергий - Галактические космические лучи
КЛ образуются не только при взрывах сверхновых звезд. Источниками КЛ могут быть и другие космические объекты (пульсары, квазары и пр.). Можно с большой...
-
Теперь, на основе развиваемой концепции, результатов исследований последствий падения на Землю космических тел, проведенных Вычислительным Центром (ВЦ)...
-
Солнечно-земные связи - Солнце и его влияние на Землю
Изучение истории Земли показывает, что наша планета в течение миллиардов лет получала от Солнца столько же тепла и света, сколько получает и теперь. Это...
-
Солнечный Ветер и Магнитное Поле Земли, Магнитные Аномалии - Магнитное поле Земли
Магнитный поле земля солнечный Солнечный ветер -- поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со...
-
Орбиты спутников Траектория движения искусственного спутника Земли называется его орбитой. При выключенных маршевых реактивных двигателях свободное...
-
Галактические космические лучи - Галактические космические лучи
КЛ используются для изучения ядерных взаимодействий частиц. В области высоких энергий, которые пока недостижимы на современных ускорителях, космические...
-
Атмосферные явления и феномены, Движение атмосферы - Юпитер среди планет Солнечной системы
Движение атмосферы Анимация вращения Юпитера, созданная по фотографиям с "Вояджера-1", 1979 г. Скорость ветров на Юпитере может превышать 600 км/ч. В...
-
Космический мусор - это все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые уже неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить...
-
Влияние ракет на озоновый слой - Влияние пусков ракет космического назначения на экологию Земли
Озон разрушается под воздействием водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания ракетных топлив, и вследствие других процессов, происходящих под...
-
Магнитосфера Юпитера - Планета Юпитер: основные характеристики
Магитосфера: Магнитное поле Юпитера огромно, даже в пропорции с величиной самой планеты - оно простирается на 650 миллионое километров (за орбиту...
-
Метод дистанционного зондирования Земли: характеристики и достоинства Существует несколько видов съемки, использующих специфические свойства излучений с...
-
Введение - Влияние пусков ракет космического назначения на экологию Земли
Целью данной работы является ознакомление влияния пусков ракет космического назначения на экологию Земли. Обсуждая перспективы развития космонавтики, в...
-
Заключение, Список литературы - Космические средства дистанционного зондирования Земли
Космические средства дистанционного зондирования Земли в настоящее время получили широчайшее применение во всем мире, выросло разнообразие создаваемых...
-
Плотность атмосферы - Движение искусственного спутника Земли в нецентральном поле тяготения
Плотность воздуха верхней атмосферы определяется как непосредственно, при помощи аппаратуры, установленной на спутниках и ракетах, так и косвенным путем,...
-
Орбита - Земле: космос готов послужить брендингу - А жив ли космический тюбик?
На сегодняшний день официальное меню российских космонавтов насчитывает 250 наименований. В этот список входят все блюда, чей состав и упаковка одобрены...
-
Характеристика Солнца, Солнечная атмосфера - Зависимость биологической жизни на Земле от Солнца
Солнечная атмосфера Солнечная атмосфера (впрочем, как и атмосферы других космических объектов) неоднородна и состоит из нескольких слоев. Самым глубоким...
-
Вспышки на Солнце и их воздействие на Землю - Физика солнечных явлений
В процессе развития активной области иногда возникают ситуации, при которых возможна быстрая перестройка ("перезамыкание") магнитных полей. Эта...
-
Магнитосфера, Кольцевая система Сатурна - Планета Сатурн
Поскольку Сатурн весьма сходен с Юпитером по своим физическим свойствам, астрономы предположили, что достаточно заметное магнитное поле есть и у него....
-
Астроклимат, это совокупность атмосферных условий, влияющих на качество астрономических наблюдений. Важнейшие из них - прозрачность воздуха, степень его...
-
Орбита - Земле: что упаковал космос для тебя? - А жив ли космический тюбик?
В то время, как современные космонавты все чаще используют тубы не для еды, а в качестве шприцев для инъекций, мы, покупая в аптеках таблетки и...
-
Заключение, Литература - Галактические космические лучи
КЛ представляют собой интереснейшее явление природы, и, как все в природе, оно тесно связано с другими процессами в звездных объектах, в нашей Галактике,...
-
Как Солнце влияет на Землю - Солнце
Солнце освещает и согревает нашу планету, без этого была бы невозможна жизнь на ней не только человека, но даже микроорганизмов. Солнце - главный (хотя и...
-
Атмосфера Марса - Планета Марс
В прошлом огромную роль в формировании марсианского рельефа играла проточная вода. На первых этапах исследования Марс представлялся астрономам пустынной...
-
В рамках европейско-российской программы "Аврора" по исследованию Солнечной системы ведется поиск возможных направления международного сотрудничества в...
-
Основными участниками борьбы за рынок космических транспортных услуг в настоящее время являются США и объединение западноевропейских стран. Быстрый...
-
В настоящем курсовом проекте представлена концепция развития средств выведения проведен анализ рынков отечественных и зарубежных ракет носителей,...
-
Межслоевые процессы, Движение атмосферы - Планеты Солнечной системы: Юпитер
Локализовать все процессы внутри независимых слоев невозможно: необходимо объяснять недостаток химических элементов в атмосфере, избыточное излучение и...
Космические лучи в магнитосфере и атмосфере Земли - Галактические космические лучи