Магнитосфера и радиационные пояса Земли

Земля является большим естественным магнитом и, как и всякий магнит, окружена областью, занятой ее магнитным полем - магнитосферой. Магнитосфера является самой внешней и самой протяженной оболочкой Земли. По данным спутниковых измерений, истинный вид силовых линий магнитного поля отличается от приведенного на рис.3.1.

Наблюдениями в космосе установлено, что межпланетное пространство заполнено непрерывным, интенсивным корпускулярным излучением Солнца - солнечным ветром. Корпускулами называют заряженные частицы вещества - протоны, электроны, α-частицы, ионы гелия и других элементов. Корпускулы обладают очень высокой энергией и движутся от Солнца с огромной скоростью, имеющей у орбиты Земли величину до 300-800 км/с.

Характеристика геомагнитного поля во многом определяется его взаимодействием с солнечным ветром.

Земное магнитное поле представляет собой препятствие для солнечного ветра, и основная масса корпускул должна обтекать это препятствие. В результате магнитосфера занимает своеобразную полость в межпланетной среде, сильно вытянутую в направлении от Солнца. В качестве внешней границы магнитосферы принимают поверхность, динамическое давление солнечного ветра около которой уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Эту границу называют магнитопаузой (рис. 3..3). Ближайшая точка магнитопаузы располагается на линии Земля-Солнце и удалена от центра Земли на расстояние порядка 60000 км, т.е. приблизительно на десять радиусов Земли (10R). Магнитопауза имеет форму, близкую к полусфере с солнечной стороны и близкую к цилиндрической или сигарообразной в противоположном направлении.

В прилегающей к Земле области, а именно в объеме шара с радиусом около ЗR, геомагнитное поле подобно полю однородно намагниченного шара или полю эквивалентного ему источника -магнитного диполя. В более далекой области фактическое поле затухает медленнее, чем поле диполя. Силовые линии геомагнитного поля с солнечной стороны несколько прижаты к Земле. На ночной стороне силовые линии, выходящие из полярных областей Земли, сносятся солнечным ветром и образуют магнитный хвост, или шлейф магнитосферы, протяженностью 5 млн км. В северной половине шлейфа силовые линии направлены к Земле, в южной - от Земли.

Между этими встречными потоками располагается нейтральный слой с очень слабым магнитным полем. Относительно слабым является магнитное поле и на участках магнитопаузы, где сходятся силовые линии солнечной и антисолнечной областей магнитосферы. На рис.3.3 эти участки отмечены жирными стрелками.

Рис. 3.3. Характеристика магнитосферы: 1 - направление солнечного ветра; 2 -силовые линии геомагнитного поля; 3 - магнитопауза; 4 - фронт ударной волны; 5 - зона радиационного захвата (радиационные пояса); 6 - плоскость экватора; 7 - пути перемещения заряженных частиц, обтекающих магнитосферу; 8 - места проникновения заряженных частиц в зону захвата

Для магниторазведки наибольший интерес представляет характеристика геомагнитного поля в области, непосредственно прилегающей к поверхности Земли.

Наблюдениями, выполненными с первых искусственных спутников Земли, была выявлена область захваченной радиации Земли (рис. 3.4). Эта область в первом приближении имеет форму тороида, ось которого располагается в плоскости геомагнитного экватора и находится во внутренней области магнитосферы.

Изнутри тороид ограничен ионосферой, снаружи - силовыми линиями геомагнитного поля, пересекающими поверхность Земли на широтах 50-60°. Внутри этой области силовые линии являются замкнутыми и образуют для заряженных частиц магнитную ловушку. Частицы высоких энергий, попав в эту область, совершают очень сложные и быстрые движения. Они перемещаются вдоль силовых линий, быстро вращаясь вокруг них, и участвуют в дрейфе по долготе. Перемещение их вдоль линий происходит до зеркальной точки - точки, где частица изменяет направление движения на 180°, т.е. отражается.

Эти точки расположены на силовых линиях в области их встреч с ионосферой. Расстояние между северной и южной зеркальными точками частица может пройти за доли секунды. Дрейф вокруг Земли совершается за время, изменяющееся от нескольких минут до суток. Частицы с положительным зарядом дрейфуют к западу, с отрицательным - к востоку. Время жизни частицы в магнитной ловушке может достигать сотен лет.

Радиационные пояса: 1 - внутренний, 2 - средний, 3 - внешний.

Рис. 3.4. Радиационные пояса Земли.

Область захваченной радиации неоднородна. Ее условно разделяют на внутренний, средний и внешний радиационные пояса. Внутренний пояс расположен в экваториальных широтах. В плоскости экватора внешняя поверхность этого пояса удалена от центра Земли на расстояние L, примерно равное 2R (R - радиус Земли). Во внутреннем поясе преобладают протоны высоких энергий. Внешний пояс охватывает область с L=3R-6R. Здесь преобладают электроны высоких энергий. Внешний пояс окружен поясом протонов малых скоростей. Количество заряженных частиц в радиационных поясах может восполняться различными способами. Сюда могут проникать, в частности, частицы солнечного ветра. На рис.3.3 зоны проникновения показаны стрелками.

Радиационные пояса опасны при длительных полетах в околоземном пространстве. Длительное пребывание во внутреннем поясе может привести к лучевому поражению живого организма.