Космос пояс ван аллена

Пояса Ван-Аллена

В магнитосфере Земли располагаются два радиационных пояса, которые содержат заряженные частицы солнечного ветра, захваченные магнитным полем Земли.

Вперые, существование радиационного пояса обнаружил американский учёный Джеймс Ван Аллен в феврале 1958 года. Анализируя данные счётчика Гейгера и датчика метеорных частиц, установленных на спутнике «Эксплорер-1», ученый заметил, что в перигее (наименее удалённая от Земли точка околоземной орбиты спутника), счётчик Гейгера демонстрировал космическое излучение. Это не было новостью, излучение было уже известно по запускам высотных ракет. Но в апогее (наиболее удалённая от Земли точка орбиты спутника) счетчик Гейгера вообще не давал сигнала! Джеймс Ван Аллен предположил, что когда спутник находится в апогее, счётчик «зашкаливает» — из-за высокого уровня облучения. Следовательно, в этом месте могут находиться протоны солнечного ветра с энергиями 1—3 МэВ, захваченные магнитным полем Земли в своеобразную ловушку. Позднейшие данные подтвердили эту гипотезу.

Радиационные пояса Ван Аллена или просто Радиационные пояса — это тороидальные области магнитосферы Земли, в которых накапливаются и удерживаются, проникшие в магнитосферу, высокоэнергичные заряженные частицы галактических и солнечных космических лучей. Радиационные пояса расположены на высотах (расстояние от поверхности Земли) приблизительно 4000 км — внутренний пояс и 17000 км— внешний пояс. Внешний пояс заполняется в основном электронами кэВ-ых кинетических энергии, тогда как внутренней пояс заполнен протонами со средними кинетическими энергиями около 10 МэВ.

Ван-Аллен открыл только внутренний радиационный пояс, который находится на высоте от 3 до 12 тыс.км над поверхностью Земли. Вскоре, советские ученые Вернов и Чудаков открыли внешний радиационный пояс — на высоте от 18 до 57 тысяч км. Тем не менее, радиационные пояса вокруг Земли называют поясами Ван Аллена (Van Allen Belt).

Наличие радиационных поясов и их характеристики учитываются при проектировании спутников, поскольку длительное пребывание электронной техники в таких условиях чревато поломками. Опасны радиационные пояса и для экипажей космических кораблей.
Способа защитить космонавтов от смертельного воздействия космической радиации пока нет. Даже толстостенные металлические оболочки космических аппаратов не могут защитить экипажи от долговременного воздействия радиации.

В 1966 году, советский космонавт Леонов вышел в открытый космос в сверхтяжелом свинцовом костюме. Но спустя всего лишь три года, американские астронавты прыгали на поверхности Луны в легких скафандрах, выглядевших так, словно они были сделаны из тонкого алюминия. И толщина стен лунных посадочных капсул составляла всего несколько сантиметров. Информации о том, что в НАСА создали для скафандров какой-то сверхлегкий материал, надежно защищающий от радиации, не было. Поэтому, вид лунных скафандров вызвал у специалистов недоумение и даже недоверие. Это дало основания сторонникам «теории заговора» утверждать, что высадка американцев на Луне была голливудской постановкой.

Полет человека по маршруту Земля—Луна—Марс уже перспектива ближайшего пятилетия. С созданием ракеты и посадочного модуля серьезных технических проблем нет. Но остается одно из главных препятствий для человека в дальних полетах — опаснейшее радиационное облучение!

На Земле нас защищает магнитное поле нашей планеты. Защита простирается в околоземное пространство, оберегая экипаж Международной Космической Станции (МКС). На МКС каждый астронавт получает в сутки дозу радиации около 0,6 миллизивертов (мЗв). Это вдвое больше облучения пациента в поликлинике при рентгене грудной клетки. Но когда корабль отправится к Луне, придется в течение нескольких часов пересекать внешние радиационные пояса Ван-Аллена, где имеются зоны повышенного излучения. А дальше, за пределами земной магнитосферы, уровень радиации возрастет за счет галактического космического излучения.
В открытом космосе излучение смертельно!

Даже полет пилотируемого аппарата к Луне и высадка на нее экипажа приведет к тому, что космонавты получат большую дозу облучения. А полет к Марсу – совершенно безумная затея!
Во время перелета Земля — Марс, мозги путешественников будут подвергаться интенсивной бомбардировке потоками высокоэнергетических заряженных частиц. Это может лишить членов экипажа разума!
В радиационной лаборатории НАСА (Nasa Space Radiation Laboratory), смоделировали воздействие радиации на крыс, и установили, что высокоэнергетические заряженные частицы поражают нервные клетки. Это вызывает слабоумие и потерю памяти.
На пути к Марсу, астронавты будут находится в открытом космосе около года. Из-за повышенной радиации, к тому времени, как участники полета доберутся до Красной Планеты, они могут забыть, кто они такие, откуда и зачем прилетели.

Серьезным препятствием в освоении Марса может стать почти полное отсутствие магнитного поля. Без него, колонистам грозят психические расстройства.
Еще в 2008 году, специалисты НИИ биологии и биофизики Томского госуниверситета и Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП), смоделировали марсианские условия в специальной установке, изолировали ее от магнитного поля Земли и поместили туда крыс. «На Марсе», зверьки находились всего 11 дней. За это время, крысы поглупели, утратили навыки социального поведения, постоянно дрались, теряли память.
Схожие работы японских ученых показали, что без магнитного поля у тритонов рождаются уроды, вплоть до существ с двумя головами.

Группа учёных и медиков исследовала медицинские показания 11 астронавтов, длительное время находившихся на орбите. Температура тела у них поднималась на один градус по Цельсию.
На Земле, увеличение температуры тела не всегда значит что-то плохое. Таким образом организм человека борется с болезнью, инфекцией. Но при этом организм старается контролировать температуру тела в пределах 37 градусов. В космосе же «подогретое» тело ни с чем не борется, что может стать причиной проблем.
В условиях нулевой гравитации организм будет бороться с болезнями не так, как привык делать это на Земле.
Терморегуляция организма в невесомости также работает иначе. Пот станет большой проблемой для космонавтов, особенно во время занятий спортом для тренировк атрофирующихся мышц. Упражнения в космосе приводят к быстрому росту температуры тела, которое охлаждается после физических нагрузок гораздо медленнее.

«Оne way road» — путь в одну сторону.

1. Экспедиция на Марс будет путешествием в одну сторону. При современном уровне ракетостроения, космический аппарат сможет доставить компонавтов на Марс, но вернуться они не смогут.
2. Полет на Марс займет минимум 210 дней, в зависимости от взаимного расположения Земли и Марса. Все это время, космонавты будут находиться в тесном пространстве (около 20 кв. метров на каждого), лишенные многих удобств. Они не смогут мыться, будут питаться консервами, слышать постоянный шум от вентиляторов, компьютеров и систем поддержания жизни. В случае неожиданной солнечной бури им придется укрыться в еще более узком пространстве для защиты.
3. Сейчас, космонавты проводят на Международной космической станции не больше полугода. Это связано с тем, что микрогравитация влияет на организм человека, организм космонавтов теряет костную и мышечную ткань. Гравитация на Марсе составляет одну треть от земной. Если человек на Земле весил 90 кг, то на Марсе его вес будет всего 30 кг. Кости и мышцы колонистов будут постепенно атрофироватся.
4. Колонисты на Марсе не смогут иметь детей. Практически ничего неизвестно о способности людей к зачатию в условиях сниженной гравитации и о том, сможет ли плод нормально развиваться в таких условиях. Многие ученые считают, что в таких условиях вероятно появление мутантов и уродцев.
5. У космонавтов будут некоторые необходимые средства для оказания помощи при распространённых травмах и болезнях. Тем не менее, определённые заболевания будет достаточно трудно или практически невозможно лечить.
6. Ученые тщательно дезинфицируют марсоходы, чтобы бактерии с Земли не попали на Марс. Что касается пилотируемого корабля и марсианских колонистов, то провести их полную дезинфекцию не получится.
7. Количество еды, привезенной с Земли, будет ограничено, поэтому, колонизаторам придется стать вегетарианцами — они будут выращивать на Марсе овощи, например, шпинат, салат латук и соевые бобы.
8. На Марсе бывают мощные песчаные бури, которые могут накрывать планету на несколько дней. Этот песок может быть токсичным для людей.
9. Информация, отправленная с Марса, будет идти с задержкой от 3 до 22 минут, а текстовые сообщения — с задержкой в 6 минут, так что телефонная связь будет не очень практичной. И космонавты не смогут пользоваться Интернетом.

На Марс полетят добровольцы-смертники. Впрочем, таковых на земле всегда хватало.

Источник

Что такое пояс Ван Аллена?

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

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

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

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.

Источник

Пояс Ван Аллена: что это такое, где он находится? Характеристики феномена, можно ли его преодолеть?

Весь XX век человечество грезило мечтами о покорении Вселенной. Лучшие писатели всего мира сочиняли книги на эту тему. Но колонизация космоса все откладывается. Возможно, одна из причин лежит в феномене под названием пояс Ван Аллена. Что это, можно понять и без широких познаний в астрофизике.

Радиационный пояс Ван Аллена: правда и заблуждения

Так называют зону насыщенных энергией заряженных частиц, которая находится во внутренней области земной магнитосферы. Пояс образовался в результате удержания магнитным полем Земли части солнечного ветра (последний состоит преимущественно из электронов, протонов и альфа-частиц).

Впервые идея о наличии такого пояса вокруг нашей планеты была высказана еще до начала космической эры. К таким выводам приходили такие ученые конца XIX – начала XX веков, как Кристиан Биркеланд, Карл Стёрмер и Николай Хрестофилу. Экспериментальное подтверждение их искания получили в 1958 году благодаря опытам американского исследователя Джеймса Ван Аллена.

Состав и характеристики объекта

Радиационный пояс (РП) состоит из следующих подпоясов:

Внутренний;
Внешний;
Иногда на ограниченный промежуток времени образуется и третий слой РП. Такой феномен наблюдался, в частности, в 2013 году. Он просуществовал около месяца и был уничтожен межпланетной ударной волной от Солнца.

Раскроем характеристики внутреннего радиационного пояса:

Располагается на высоте от 1 тыс. км до 24 тыс. км от поверхности планеты;
Во время высокой солнечной активности и в некоторых географических областях (например, Бразильская магнитная аномалия) нижняя граница может спуститься до 200 км от Земли;
Состоит из электронов и протонов, энергия которых превышает 100 электронвольт. Считается, что протоны здесь образуются благодаря бета-распаду из нейтронов в результате воздействия космических лучей;
Протоны более низких энергий образуются во время геомагнитных бурь.

Наглядно изображение внутреннего РП было получено в 2014 году. Рисунок напоминал «зебру» из-за эффектов, вызванных природой магнитного поля Земли.

Преодоление пояса Ван Аллена

Считается, что околоземная радиационная зона представляет собой значительное препятствие для возможных космических путешествий. И в значительной мере это правда:

Радиация может повредить солнечные батареи, интегральные схемы и датчики. Миниатюризация и оцифровка электроники сделали космические аппараты более уязвимыми для излучения, поскольку суммарный электрический заряд в этих цепях достаточно небольшой;
Чтобы избежать негативных эффектов, применяются радиационно-стойкие технологии. Например, спутники в околоземной орбите имеют защитный слой из 3 мм алюминия;
Очевидно, что прохождение через РП наносит человеческому организму определенный урон. В живых космонавтам удается оставаться лишь благодаря тому, что находятся они в этой области крайне непродолжительный период времени;
Полученная астронавтами суммарная радиация варьируется от миссии к миссии. В среднем она составляет 1,6 – 11,4 миллигрей. Это гораздо меньше тех доз, которые получают работающие на земле работники атомных электростанций;
Чтобы получить смертельную дозу, человеку необходимо «висеть» в околоземной орбите более месяца.

Для минимизации излучения от РП российский физик Валентин Данилов предложил запустить в небо спутники и растянуть между ними тросы длиной по 100 км. Идея оказалась достаточно привлекательной и получила дальнейшее теоретическое развитие в США под названием HiVOLT.

Свойства внешней радиационной оболочки

С физической точки зрения внешний пояс гораздо более интересен своего внутреннего собрата, поскольку в большей степени подвергается влиянию солнечной активности:

Располагается на высоте от 13 000 до 60 000 километров и обладает почти тороидальной формой (другими словами, в виде бублика);
Состоит преимущественно из электронов, значение энергий которых колеблется в пределах от 0,1 до 10 мегаэлектронвольт;
В 2014 году было обнаружено, что внутренняя граница внешнего РП является достаточно резкой. Ниже ее электроны проникнуть не могут. В чем причина образования такого щита, до конца не понятно;
По размеру он гораздо больше, чем внутренний РП. Количество частиц в нем колеблется в зависимости от геомагнитных бурь и плазменных возмущений, производимых Солнцем;

Пояс Ван Аллена и полет на Луну

Выше мы уже рассматривали все риски, которые сопровождают космонавта при прохождении через внутреннюю часть магнитосферы. Известны они не только из теоретических выкладок.

Полет американцев на Луну стал первым экспериментом, который проверил на прочность человеческий организм в космических условиях:

Известно, что магнитные бури значительно увеличивают активность протонов высоких энергий. Такие аномалии предваряли многие лунные миссии, в частности, «Аполлон-8» и «Аполлон-17»;
Если бы полеты походили без защиты (как самих летательных устройств, так и скафандров), все закончилось бы плачевно. Так, после магнитного шторма, прошедшего на 31 октября 1968 года, доза излучения увеличилась в несколько раз;
Однако полеты не только не заканчивались летальным исходом, но и привели к весьма интересным результатам. Вес астронавта Шепарда (из «Аполлон-14») увеличился, участники миссии не принимали никаких медикаментов, последствий для организма ни одного из них не было;
Такой эффект был достигнут благодаря высококачественной защите и кратковременному пребыванию в РП. Хотя многие скептики полагают, что отсутствие вреда для здоровья говорит об отсутствии факта полета на Луну.

Планета Земля окружена плотным слоем электронов и протонов, которые попадают в область магнитного поля преимущественно от Солнца. Этот слой известен под названием пояс Ван Аллена. Что это такое, было известно еще в начале XX века. Но на доказательство его существования ушло немало десятков лет.

Видео о радиационном поясе Земли

В данном ролике академик, астрофизик Борис Боярышников расскажет несколько необычных фактов про радиационный пояс Земли Ван Алена:

Источник