15. Радиоактивный космос

    Космические лучи – галактические и солнечные – создают радиационную среду в космосе. Её параметры, как мы видели, зависят не только от расстояния до Земли, от местоположения космического аппарата, но и от солнечной активности. Изменения радиационной обстановки, связанные с космическими лучами, нельзя не учитывать при конструировании спутников межпланетных аппаратов и орбитальных станций. Однако присутствием только космических лучей не исчерпываются все параметры радиационной космической среды.
    Открытие, сделанное в начале космических исследований советскими и американскими учёными, осуществлявших эксперименты на первых искусственных спутниках Земли, существенно изменило наши представления о космическом пространстве.

15.1. Космический “ТОКАМАК”.

    На 1-м советском искусственном спутнике Земли не было никакой научной аппаратуры, за исключением, пожалуй, самого радиопередатчика, посылавшего первые рукотворные сигналы с орбиты. Радиоволны передатчика “просвечивали” ионосферу Земли, предоставляя учёным сведения о распределении плотности ионизированной оболочки Земли.
    Но уже на 2-м советском спутнике стояла специальная аппаратуры (это были простые газоразрядные счётчики) для изучения космических лучей. Эти приборы создал Сергей Вернов с сотрудниками из Московского университета. По сути, эта была первая в мире научная аппаратуры, запущенная человеком в космическое пространство. Какие задачи выполняла эта аппаратура?
    Будучи “космиком”, С. Вернов, естественно, поставил задачу исследования космических лучей за пределами атмосферы. Что можно было ожидать из этих измерений?
    Поток космических лучей должен возрастать по мере удаления от Земли из-за существования магнитного поля. Помимо этого, должна наблюдаться широтная зависимость потока: вблизи полюсов его величина должна быть больше, чем в районе экватора. Должен меняться и состав космических лучей, т.к. измерения проводятся вне атмосферы, где нет вторичных частиц. Пожалуй, всё…
    Спутник был запущен в канун праздника, дня Революции. И уже на первых витках он зарегистрировал нечто необычное – поток частиц не следовал широтной зависимости, испытывая сильные флуктуации. Что бы это могло быть? “Взглянув” на Солнце, учёные обнаружили проявление солнечной активности – как раз в это время наблюдалась вспышка. Естественно было предположить вторжение солнечных частиц в окрестности Земли (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Скорость счёта газоразрядного детектора, установленного на 2-м советском спутнике (справа вверху). Всплески потоков радиации, превышающие ожидаемую широтную зависимость космических лучей, были приняты за солнечные частицы, пришедшие от вспышки. На самом деле, это были высыпающиеся из радиационных поясов Земли частицы

    Вслед за С. Верновым, американский учёный Дж. Ван-Аллен для изучения космических лучей установил на первом американском искусственном спутнике Земли “Эксплорер-1” такой же газоразрядный детектор, как и на 2-м советском спутнике.

Рис. 15.2. Сотрудники Дж. Ван Аллена, увидевшие первые данные прибора, установленного на спутнике “Эксплорер-1” и “захлёбывавшегося” от огромных потоков радиации.. Последовавшая за этим интерпретация явления – наблюдение низкоэнергичных частиц, вызывающих полярные сияния, - оказалась неверной. Это были энергичные частицы, захваченные магнитным полем – радиационные пояса

    Каково же было удивление американских учёных, которые, взглянув на первую полученную информацию, обнаружили, что их счётчик “захлёбывался” от большого потока частиц. Один из сотрудников Дж. Ван-Аллена, Э. Рэй даже воскликнул: “Боже мой, ведь космос радиоактивен!” (рис. 15.2).
    Американские специалисты поняли, что они обнаружили что-то необычное. Интерпретация последовала довольно быстро: это авроральные частицы, которые приходят от Солнца и внедряются в высокоширотные области, вызывая полярные сияния.
    Это была настоящая драма первооткрывателей космоса. И С. Вернов и Дж. Ван-Аллен столкнулись, на самом деле, с совершенно новым природным явлением – захваченными в магнитное поле Земли потоками заряженными частицами с большими энергиями. Позднее это явление было названо радиационными поясами. Однако в первых экспериментах они этого не осознали.
    Понимание нового явления пришло немного позднее, спустя несколько месяцев, когда был запущен 3-ий советский спутник с обширным набором экспериментальной аппаратуры, позволивший детально исследовать пространственные распределения частиц на больших высотах; когда Ф. Зингер (учёный не из группы Дж. Ван-Аллена) опубликовал статью, правильно интерпретировавший американские результаты и когда появился первый механизм для объяснения существования гигантской ловушки для заряжённых частиц.
    Так часто бывает в науке, когда изначальная цепь эксперимента приводит совершенно к другим результатам. А интерпретация полученных результатов порой находится под прессом существующих представлений.
    Подробное рассмотрение радиационных поясов выходит за рамки данной книги. Здесь мы ограничимся лишь общими сведениями о них, необходимых для нашего дальнейшего изложения.

Рис. 15.3. Структура внутреннего и внешнего электронного радиационного пояса Земли. Также показано расположение пояса, состоящего из аномальных космических лучей. Пространственная протяженность радиационных поясов в плоскости экватора от ~ 1RЗ до ~7 RЗ. На врезке показаны дрейфовые траектории протонов и электронов, захваченных в магнитное поле Земли. Множество таких частиц и образуют, собственно, радиационные пояса

    Итак, что же такое радиационные пояса Земли? Взгляните на рис. 15.3. Гигантский тор заряженных частиц с энергиями от самых малых – “плазменных” - в десятки-сотни кэВ, до энергий в ГэВ’ы, т.е. сопоставимых с энергиями космических лучей. Частицы радиационных поясов, захваченные в магнитной ловушке, совершают 3 характерных вида движений, в результате которых (см. рис. 15.4) собственно и “рождаются” их долгоживущие потоки. Это вращательное движение частиц вокруг магнитной силовой линии (ларморовское движение с радиусом, определяемым жёсткостью частиц), колебания вдоль магнитной силовой линии и азимутальный дрейф вокруг Земли. Времена этих видов движения сильно отличаются: от долей секунды для ларморовского движения и доходит до часа для азимутального дрейфа.

Рис. 15.4. Основные виды движений заряжённых частиц радиационных поясов: ларморовское (вращательное), вокруг магнитной силовой линии; колебательное вдоль поля с отражением на малых высотах и азимутальный дрейф частиц вокруг Земли (протоны и электроны дрейфуют в противоположные стороны)

    Что напоминает эта картина?
    …Вскоре после успешной реализации атомного проекта и у нас в СССР и в США учёные приступили к решению проблемы создания термоядерного реактора. Для этого надо было создать условия для устойчивого удержания плазмы. Это можно сделать с помощью магнитного поля. Было предложено много различных видов магнитных ловушек, среди них – “ТОКАМАК”. До сих пор термоядерный реактор не реализован. Проблема удержания плазмы оказалась более сложной, чем это представлялось в начале исследований… Природа создала то, что не удалось пока сделать человеку. Внутри магнитного поля Земли реализуются условия для устойчивого захвата заряженных частиц.

15.2. Родители пленников магнитной ловушки

    Откуда же появились частицы радиационных поясов?
    Безусловно, космические лучи ответственны за появление частиц радиационных поясов, но сами они не могут быть захваченными, - по крайней мере, в течение длительного времени. Здесь уместно отметить, что “время жизни” – протонов с энергиями в сотни МэВ и более в самой ближней к Земле области поясов достигает сотен лет!
    Оказывается космические лучи (протоны), достигая атмосферы и взаимодействуя с ней, образуют вторичные частицы – продукты ядерных реакций. Среди них есть нейтроны, часть которых летит в космическое пространство. Нейтроны – нестабильные частицы. Их время жизни ~15 мин. Они распадаются по уже известной читателю схеме их распада:

n p + e^- + _e.

Рис. 15.5 Механизмы образования протонами ГКЛ электронов с энергиями до сотен кэВ и протонов в сотни МэВ в радиационных поясах (1) и высокоэнергичных электронов в сотни МэВ под радиационными поясами (2). В обоих случаях частицы создаются в результате ядерных реакций космических лучей с атмосферой. Новые частицы радиационных поясов являются продуктом распада нейтронов, а электроны под поясами образуются в результате распада пи- мезонов

    Как мы видим, продукт распада – заряженные частицы – протоны и электроны. Они и являются частицами, пополняющими радиационный пояс.
    Этот был первый механизм образования поясов, предложили С. Вернов и А. Лебединский сразу после их открытия в 1958 г. (см. рис. 15.5).

Однако, оказалось, что этот механизм, связанный с генерацией нейтронов (нейтронов альбедо) космическими лучами, не может обеспечить заполнения частицами всех радиационных поясов.

Необходимо было найти другие. Конечно, взоры исследователей обратились к солнечному ветру – постоянному потоку плазмы в межпланетной среде. Но… эти частицы, во-первых, каким-то образом должны проникнуть внутрь магнитосферы, а во-вторых –,значительно увеличить свою энергию. Ведь энергия частиц солнечной плазмы (~1 кэВ) значительно меньше энергии частиц радиационных поясов. Вкратце, картина заполнения магнитосферы частицами солнечного ветра и их ускорения выглядит следующим образом.
    Та доля частиц солнечного ветра, которая “сумела просочиться” внутрь магнитного поля, заполняет внешние области: между ударной волной и границей магнитосферы, хвост магнитосферы, полярные области… (см. рис. 13.6).
    Особенно активную роль в пополнении частицами радиационных поясов выполняет хвост магнитосферы. Во время магнитных бурь именно здесь происходят мощные деформации магнитного поля, приводящие к генерации индукционных электрических полей, которые и ускоряют частицы солнечной плазмы. Часть этих частиц, уже ускоренных в хвосте, достигает внешних границ радиационного пояса и здесь начинается другой процесс, процесс их переноса внутрь, в направлении Земли. “Движущей силой” этого процесса также является солнечный ветер, вернее, его флуктуации: как крупномасштабные (типа СМЕ), так и более слабые, практически постоянно существующие в межпланетной среде. Флуктуации солнечного ветра создают колебания магнитного поля Земли, которые, собственно, и “загоняют” частицы внутрь магнитной ловушки. В процессе их переноса к Земле, они ещё больше увеличивают свою энергию.
    Итак, уже два источника – космические лучи высокой энергии и солнечная плазма могут пополнять радиационные пояса.
    Но это ещё не все источники.

Рис. 15.6. Ионосферная плазма – источник радиационных поясов. Однократно заряжённые ионы инжектируются и ускоряются по время магнитных бурь из ионосферы, распространяясь вдоль магнитных силовых линий пополняя, тем самым, кольцевой ток

    Велико было удивление учёных в начале 70-х годов, когда среди частиц во внутренней магнитосфере они увидели частицы земного происхождения – ионосферные! Как отличили эти частицы от солнечных? С помощью приборов, которые разделяют частицы по их энергиям, массе и заряду. В ходе экспериментов на спутниках было обнаружено, что ионосфера “фонтанирует” в окружающее пространство кислород (рис. 15.6). Причём этот кислород имеет заряд 1+ - он слабоионизирован, в отличие от солнечного, который полностью, как говорят, “ободран” – у него отсутствуют электронные оболочки. Солнечный кислород (по существу, - это голые ядра) имеет заряд 8+. Так отличили солнечное вещество от земного. Таким образом, был обнаружен ещё один источник частиц радиационных поясов – ионосферный.
    А в начале 90-х годов нашли ещё один – межзвёздное вещество. Уже упоминалось об аномальной компоненте космических лучей. Эти частицы (кислород, гелий, неон и др.) с энергией ~10-20 МэВ/нукл имеют заряд, близкий к 1+ и, следовательно, большую жёсткость. Такие частицы не могут захватываться магнитной ловушкой: слишком велик у них радиус кривизны их траекторий в магнитном поле. Однако был предложен механизм, который получил экспериментальные подтверждения, обеспечивающий заполнение радиационного пояса частицами межзвёздного вещества.

Рис. 15.7. Механизм формирования захваченных частиц аномальных космических лучей представляет собой проникновения однократно заряжённых ионов АКЛ внутрь магнитного поля, их перезарядку – обдирку до “голых ядер” на малых высотах на атомах атмосферы – и последующий захват высокоионизированного кислорода (и других ионов) в магнитное поле

    Этот механизм состоит в следующем (рис. 15.7). АКЛ проникают в глубь магнитосферы и в верхних слоях атмосферы происходит их перезарядка на нейтральных атомах атмосферы. В результате их заряд увеличивается, радиус кривизны траектории резко уменьшается и, тем самым, обеспечиваются условия для устойчивого захвата. Такой пояс действительно был обнаружен в ходе отечественных экспериментах на спутниках серии “Космос”. Оказалось, что он располагается на расстояниях, немного превышающих 2 радиуса Земли (R_З) от её поверхности (в плоскости экватора).

Однако этим механизмом не ограничивается роль галактических космических лучей в формировании радиационного окружения Земли. Дело в том, что первичная компонента ГКЛ, взаимодействуя с атмосферой, генерирует поток вторичных мезонов (нейтральных пи-мезонов (⁰)). Эти частицы –короткоживущие и распадаются на мю-мезоны () и электроны. Некоторая часть этих электронов может выходить вверх, в открытый космос, создавая альбедный поток (см. рис. 15.5). Расчёты показывают, что энергия этих электронов достигает сотен МэВ, и они создают на малых высотах своеобразный ореол альбедных частиц вокруг Земли, внося дополнительный вклад в радиационное окружение Земли.
    В целом, радиационные пояса заполняют довольно обширную область вокруг Земли – их внешняя граница расположена на расстоянии до ~7R_З (рис. 15.3). Эта зона поясов заполнена менее энергичными частицами по сравнению с внутренней. Именно во внутренней зоне, на расстоянии менее 2.5R_З обнаружены протоны с энергиями до 1 ГэВ. Во внешней зоне энергии протонов не превышают МэВ’ов. Магнитная ловушка, помимо протонов, заполнена многими другими ядрами, а также электронами. Энергия электронов в поясах достигает релятивистских энергий – несколько МэВ.
   Мы познакомились с радиационными поясами Земли. История их открытия и последующие исследования – яркий пример успешного решения научной проблемы, во многом базирующейся на физике плазмы. Этому значительно способствовали интеллектуальный потенциал учёных, полученный в ходе реализации атомного проекта и начального периода термоядерных исследований, а также космические исследования, которые были особенно интенсивными в начальном периоде космической эры.

15.3. Нейтронный ореол Земли

    Несмотря на свою короткую жизнь, нейтроны, безусловно, присутствуют в межзвёздной среде, Галактике и в Солнечной системе. Но зарегистрировать мы можем лишь те, которые рождаются близко от нас. Где?
    Солнце – мощный источник многих элементарных частиц ядер и, конечно, нейтронов. Последние образуются в результате ядерных реакций СКЛ с веществом солнечной короны. Однако наблюдать нейтроны от Солнца достаточно трудно. В первую очередь, дело в том, что из-за короткого времени жизни лишь небольшая часть их достигает Земли. А те, которые всё же попадают в атмосферу, начинают взаимодействовать с ядрами воздуха, превращаясь вновь в другие частицы. И всё же шансы их зарегистрировать специальными детекторами есть.
    Во время мощных солнечных событий самые энергичные электроны могут достичь окрестности Земли, и приборы на спутниках могут их зарегистрировать. Но приборы должны быть очень чувствительны к нейтронам приходящим именно от Солнца. А этому мешает сам спутник, точнее те конструкционные материалы, из которого он построен. Оказывается, чем тяжелее (массивнее) спутник, тем больше образуется нейтронов местного, локального происхождения как результат взаимодействия заряжённых космических частиц с материалом, из которого сделан аппарат. Поэтому нейтронный детектор будет “захлёбываться” от избытка лишних, локальных нейтронов, рождённых самим спутником. Однако, если поток солнечных нейтронов достаточно мощный и эксперимент проводится на достаточно лёгком спутнике, шанс зарегистрировать солнечные частицы есть. И это было сделано уже много раз.

Рис.15.8. Нейтронные потоки в ближнем космосе состоят из трёх компонент: нейтронов от солнечных вспышек, а также локальных и альбедных нейтронов, рождающихся в результате взаимодействий ГКЛ соответственно с материалом обшивки космического корабля и атомами азота и кислорода атмосферы

    Солнечные нейтроны несут важную информацию о генерации частиц на Солнце. Ведь они, будучи нейтральными, не следуют вдоль спиралей Архимеда межпланетного магнитного поля как заряженные частицы, а летят по прямым траекториям. Этот путь требует меньшего времени и может дать информацию учёным о начале и месте инжекции частиц на Солнце, а заодно и сведения о параметрах вещества солнечной короны, где они сами и рождаются.
    А есть ли шансы зарегистрировать учёным солнечные нейтроны на Земле? Шансов ещё меньше, чем в космосе. Этому мешает атмосфера, в толще которой должны погибнуть эти частицы. Однако во время очень мощных извержений (так, например, было в конце октября 2003 г.) на наземной станции, обращённой к Солнцу, в районе полудня был зарегистрирован сигнал о приходе солнечных нейтронов с очень высокой (~100 МэВ) энергией. В этом был элемент везения: если бы извержение произошло раньше или позже, солнечным нейтронам пришлось бы преодолевать значительно большую толщу атмосферы, и они вряд ли достигли бы поверхности Земли. Именно поэтому события, связанные с приходом солнечных нейтронов, чрезвычайно трудно экспериментально исследовать.
    Уже рассказывалось об альбедных нейтронах в окружающей космической среде. Это те частицы, которые являются продуктами ядерных реакций космических лучей с атмосферой. Они вылетают из атмосферы и создают дополнительный радиационный “фон” в ближнем космосе.
    Поэтому космический аппарат, запущенный в ближний космос, испытывает тройную радиационную нагрузку от нейтронов. Среди них локальные, альбедные, а иногда, и солнечные (рис.15.8)