19237

РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ

Лекция

Физика

Радиационные пояса Земли При запуске первых спутников был установлен факт существования радиационных поясов состоящих из заряженных частиц высоких энергий. Данные пояса можно объяснить исходя из представлений о структуре магнитного поля Земли и движении заря

Русский

2013-07-11

93.5 KB

4 чел.

Радиационные пояса Земли

При запуске первых спутников был установлен факт существования радиационных поясов, состоящих из заряженных частиц высоких энергий. Данные пояса можно объяснить исходя из представлений о структуре магнитного поля Земли и движении заряженных частиц в плазменных установках, например, в магнитных ловушках. Источником заряженных частиц, формирующих магнитные пояса, является солнечный ветер, приходящий от Солнца. Во всем мире ведется постоянное наблюдение за состоянием солнечной активности и магнитосферы Земли, как, например, в институте земного магнетизма ИЗМИРАН (Москва). Информация о состоянии радиационных поясов является чрезвычайно важной при запуске космических кораблей и спутников.            

Известным фактом является потеря Солнцем значительной, по земным критериям, массы в виде солнечного ветра - потока высокоэнергетичных (100 кэВ-50 МэВ) заряженных частиц: протонов и электронов. Приведем значение скорости уменьшения массы Солнца, а также массы Солнца и Земли:

                

                   ,    

Ввиду вращения Солнца (период Т=25,4 сут) структура магнитного межпланетного поля Солнца и потоки солнечного ветра закручиваются в спираль Архимеда. Скорость истечения плазмы с поверхности  Солнца достигает порядка 100 км/c, а скорость ударных волн при вспышках на Солнце может достигать значения 1000 км/c.

Магнитное поле Земли имеет сложную структуру, содержащую как постоянную (В0,5 Гс у поверхности), так и переменную составляющую. Наклон магнитной оси к оси вращения Земли составляет . Самой простейшей моделью постоянного поля Земли, не учитывающей более тонких эффектов, является поле магнитного диполя. Причем ось магнитного диполя и ось вращения Земли оказываются смещенными друг относительно друга на длину около 400 км. Для объяснения генерации магнитного поля Земли были выдвинуты различные теории, получившие общее название теорий динамо-эффекта. Одной из первых в 40х годах прошлого века была предложена теория Я.Б.Френкеля, учитывающая вихревое движение металлических масс в магнитном поле. Представим схематичное изображение возникновения магнитного поля, которое предложил несколько позднее в своей теории Э.Буллард (рис.1). Предполагалось, что твердое металлическое ядро Земли имеет жидкую проводящую оболочку, граничащую с мантией. Буллард предположил, что твердое ядро вращается с несколько меньшей скоростью, чем проводящая жидкая оболочка. При этом генерируются вихревые кольцевые токи и располагаются в меридиональных плоскостях. Данная теория позволила объяснить дипольную составляющую магнитного поля и выдвинуть гипотезы относительно недипольных составляющих поля.

                                                       Рис.1

       Для изучения возможности формирования радиационных поясов Земли приближение магнитного диполя оказывается достаточным. Приведем выражение для напряженности магнитного поля диполя (рис.2):       

                        

Где   - магнитный момент,   

                                                                        Рис.2

В теории плазмы из лагранжиана частицы в электромагнитном поле выводится уравнение ее движения и траектория. Запишем исходное выражение и наиболее важный результат. Удобными для рассмотрения движения заряженных частиц оказываются цилиндрические координаты (r, , z). Лагранжиан заряженной частицы представляется в виде:

                  

                        

Выражение, описывающее траекторию заряженной частицы, имеет форму:                        

                 

                               ,   ,  ,  ,   ,

                               M – момент количества движения частицы. 

Для наиболее важного случая при >2 области движения частиц представлены на рис.3. на этом рисунке области, недоступные для движения частиц имеют штриховку. Частицы, попавшие во внутреннюю серповидную область, оказываются запертыми в магнитной ловушке, созданной этим полем.

                                                                          

                                                                 Рис.3

                                                                                                                              

Более детальный анализ дипольного магнитного поля, проведенный К.Штермером, дает для разрешенных областей движения различные серповидные области, изображенные на рис.4, расположенные на различных расстояниях от диполя (показано только три). Для каждой области такой области определяющим фактором является значение . В силу более сложной структуры магнитного поля Земли по сравнению с полем диполя в реальном случае заряженные частицы заполняют лишь часть областей, предсказанных теорией.

                                                                            Рис.4

 Рассмотрим общую структуру магнитосферы Земли (рис.5). Солнечный ветер сжимает магнитосферу, образуя на расстоянии  R~ 15RЗ  ударную волну. С другой стороны линии поля являются вытянутыми, образуя шлейф. Типичные параметры в солнечном ветре составляют: концентрация частиц  n=5-20 см-3, скорость потока  v=350-1000 км/c. Межпланетное магнитное поле (В~10-4 Гс) перезамыкается с полем Земли, которое в магнитосфере составляет  В~10-1-10-4 Гс.         

    

                                                                                                       

                                           Рис.5           

Счетчики заряженных частиц, установленные на первых российских и американских спутниках (1958 г.) показали наличие высокоэнергетичных заряженных частиц. При более детальном изучении данных областей были обнаружены два радиационных пояса (рис.6). Внутренний радиационный пояс (1) расположен на расстоянии около R ~1,5RЗ и занимает пространство L=1000-45000 км от поверхности Земли. В нем присутствуют наиболее высокоэнергетичные частицы с энергиями Е=10-40 МэВ. Его заполнение происходит за счет частиц солнечного ветра и при распадах нейтронов, возникающих в верхних слоях атмосферы.

                                                      Рис.6

       Внешний радиационный пояс (2) расположен на расстоянии R=(3-5)RЗ и содержит заряженные частицы в диапазоне энергий  Е=(0,1-0,5) МэВ. Заполнение данного пояса происходит после периодов сильных солнечных бурь. Это подтверждается с помощью регистрации интенсивности радиации на спутниках, проходящих через данный пояс, спустя 1-2 суток после вспышки на Солнце. Эксперимент по искусственному заполнению радиационных поясов был предпринят в 1958 г. при ядерном взрыве малой мощности на высоте около 480 км над поверхностью Земли в районе южной части Атлантического океана. Основным продуктами, заполняющими природную магнитную ловушку являлись -активные ядра. Искусственный радиационный пояс был сформирован между первым и вторым радиационными поясами на расстоянии около R~2RЗ и существовал на протяжении нескольких месяцев.

       Магнитные поля с интенсивностью, в некоторых случаях превышающих поле Земли, были обнаружены у планет-гигантов: Юпитера, Урана и т.д. при исследовании с помощью космических зондов по программе “Вояджер”. В случае Юпитера были зарегистрированы радиационные пояса, состоящие из протонов и электронов с энергиями порядка мегаэлектронвольт.


мантия

ядро

токи

мантия

ядро

токи

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

z

EMBED Equation.3  

солнечный

ветер

межпланетное магнитное поле

ударная волна

магнитное поле Земли

Земля

5

4

3

2

1

R/RЗ

0

Земля

1

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36929. Моделі оптимального використання взаємозамінних ресурсів 41 KB
  2 як зміниться план якщо норми затрат часу роботи обладнання А на одиницю продукції 1 збільшаться до 3 а обладнання В на одиницю продукції 2 зменшаться до 3. 4 Як зміниться розвязок задачі якщо прибуток від продажу продукції зросте на 10 де k порядковий номер у списку студентів групи: m=10k якщо k 10 m=20k якщо k 10 Задача 2 З наступних задач студентка вибирає одну відповідно до порядкового номера у списку студентів групи. Компанія Яваін†віднедавна отримала статус ексклюзивного дистрибютора іспанської фірми із...
36930. Зовнішній вигляд сторінок. Їх оформлення. Форматування тексту 75 KB
  Форматування тексту. Навчитись змінювати параметри форматування абзаців: вирівнювання інтервал розміщення на сторінці табуляція обрамлення та заповнення список нумерація заголовків. Засвоїти поняття: автозбереження; резервні копії документів; режими відображення документів; пошук текстових документів за різними критеріями; захист документа; основні елементи документа; опції редагування; параметри форматування символів; параметри форматування абзацу; вирівнювання; відступ інтервал розміщення на сторінці табуляція ...
36931. Дослідження нормального розподілу 16.96 KB
  Створюємо таблицю зі стовпчиками задача а задача б задача в та рядками вага пакунку та ймовірність. Задача а Задача б Задача в Вага пакунку Менше 48 Більше 51 У межах від 48 до 51 кг. Ймовірність Задача а Для підрахунку ймовірності РХ 48 події що навмання взятий пакет важить менше 48 кг. Задача б Для підрахуваня ймовірності РХ 51 події що навмання взятий пакет важить більше 51 кг використаємо співвідношення РХ 51=1РХ 51.
36932. Амплітудний модулятор 211.5 KB
  Мета: Дослідження методики настроювання амплітудного модулятора Дослідження модуляційної характеристики амплітудного модулятора Дослідження режимів роботи амплітудного модулятора 1. Методика настроювання амплітудного модулятора на біполярному транзисторі: Для цього складемо схему: Після чого настроїмо резонансний контур на частоту несучого коливання. Закріпимо здобуті навички і налагодимо амплітудний модулятор на частоту модулю чого коливання 150кГц розрахуємо необхідні дані: Статична модуляційна характеристика: E Uвих 02...
36933. Неповністю визначені функції 424.25 KB
  Зберіть схему підключіть входи DCB до джерела логічних сигналів а вихід до логічного пробника. Намалюйте часові діаграми сигналів на виходах всіх логічних елементів схеми для всіх можливих комбінацій вхідних сигналів. Розробіть схему що формує на виході сигнал F із вхідних сигналів А В С як показано на рисунку. При перевірці її роботи для формування вхідних сигналів використайте: а джерела логічних сигналів; б генератор слів.
36934. Розробка засобів програмованого (тестового) контролю навчальних досягнень учнів з трудового навчання 29.76 KB
  Мета роботи: Вивчення дидактичних основ вибору питань для тестової перевірки навчальних досягнень учнів з трудового навчання. Оволодіти методикою проведення тестової перевірка знань умінь та навичок учнів за допомогою нових інформаційних технологій. Система тестування як форма контролю та оцінювання навчальних досягнень учнів з трудового навчання.
36935. ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ В ЗАКОНІ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА 127 KB
  Основні теоретичні відомості Якщо на тіло падає потік світла то частина цього потоку буде відбиватися від його поверхні а друга частина потоку що проникає в тіло буде поглинатися частинками тіла і перетворюватися в інші форми енергії в кінцевому рахунку в теплоту. Відношення відбитого потоку Фвідб до падаючого потоку Ф називається коефіцієнтом відбивання або поглинаючою здатністю тіла тобто а = Фвід6 Ф а відношення потоку що поглинається тілом до падаючого потоку називається коефіцієнтом поглинання або поглинаючою здатністю...
36936. Удаленная работа з FTP-сервером 225 KB
  FTPсервер представляет из себя своеобразную библиотеку файлов. Для перекачки файлов между FTPсерверами и компьютером пользователя используется протокол FTP File Trnsfer Protocol протокол передачи файлов. С помощью FTPсервера можно выкачивать на свой компьютер файлы выложенные на многочисленных FTPсерверах.
36937. ПОВІРКА МОСТА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ МО-62 ТА ПРЯМЕ ВИМІРЮВАННЯ ОПОРУ РЕЗИСТОРА 259.5 KB
  Крім того міст дозволяє: а визначити характер і місце ушкодження повітряних ліній або кабелю; б повіряти вимірювальні прилади й пристрої до термометрів опору за винятком деяких меж виміру; в підганяти опір сполучних ліній приладів що працюють із термометрами опору по 2 і 3провідній схемі включення; г вимірювати опори ізоляції в межах від 1 до 100 Мом; д використовувати плече зрівняння моста в якості магазину опорів; е використовувати внутрішній гальванометр у зовнішніх електричних ланцюгах. Резистори намотані бифилярно...