Магнитное поле Земли - щит от ГКЛ и СКЛ

На вопрос: является ли магнитное поле Земли щитом от космической радиации? – специалисты и эксперты из ФИАН (физический институт им. Лебедева РАН), из ИКИ (институт космических исследований), полярного геофизического ин-та (г. Апатиты), из ИЯИ (институт ядерных исследований) и других НИИ отвечают многократным «Да». Пояснения и детали приводятся ниже.

Изучением солнечно-земных связей сегодня занимается область физики – физика Солнца. Специалисты этого направления изучают СА (Солнечную Активность), магнитные поля Солнца и Земли, ММП (Межпланетное Магнитное Поле), ГКЛ (Галактические Космические Лучи) и СКЛ (Солнечные Космические Лучи). Каким образом это происходит? Подручными средствами уже достаточно давно (с прошлого века) стали как наземные установки, так и орбитальные телескопы и станции.

Наземные установки или, в общем понимании, детекторы бывают одиночными, то есть самостоятельно выполняющими задачи исследования ГКЛ и СКЛ, а также объединенными в единую мировую сеть на планете. Первые из них – это, например, установка «Андырчи», типа ШАЛ (Широкие Атмосферные Ливни), БНМ (Баксанский Нейтронный Монитор) и др. Второй тип – это сеть нейтронных мониторов, разбросанная по Земле повсюду: с севера на юг и с запада на восток. Ее можно назвать магнитным спектрометром Земли.

Орбитальные телескопы и станции в дежурном режиме постоянно мониторируют Солнце, СА, состояние магнитного поля Земли и их параметры: скорость Солнечного Ветра, электронную и протонную компоненты СВ, индекс КП (усреднённый по планете индекс возмущения магнитного поля Земли), количество активных пятен на Солнце, которые могут дать СВ (Солнечную Вспышку), корональные выбросы и др. 

Я думаю, что любознательный читатель захочет узнать автоматических орбитальных помощников землян. Это отечественные орбитальные аппараты – ТЕСИС, КОРОНАС-ФОТОН и др., а также зарубежные GALEX, FUSE, Хаббл, Кеплер, Сюньтянь, группа спутников двойного назначения GOES и др. Они изучают ультрафиолетовый, рентгеновский и оптический диапазоны спектра Солнца.

Данные наземных и орбитальных детекторов и телескопов вкупе помогают исследователям многое понять в жизненном цикле Солнца и его влиянии на биосферу Земли. Изучение циклов СА (основные - 11 и 22 года, и большой 90-летний) связаны с состоянием магнитного поля Солнца, его так называемой переполюсовки, то есть инверсии магнитных полюсов Солнца. Что это такое? Это когда Северный магнитный полюс Солнца становится на место Южного, а Южный – на место Северного. Переполюсовка происходит с нашей звездой каждые 11 лет. Свое место полюса вновь обретают через 22 года.

Многие наслышаны о магнитных бурях и суббурях. Когда они бывают? Конечно же не каждая солнечная вспышка может вызвать магнитную бурю в геомагнитном поле, а лишь та, которая находится в области Солнца, где линии ММП (а они не прямые, а кривые и даже сильно закрученные) соединяются с направлением на Землю. Форма закрученности линий ММП похожа на юбочку балерины, поэтому в обиходе «солнечники» ее так и называют «юбочка балерины». Форма ММП не остается постоянной, а время от времени меняется, на что влияют процессы на Солнце. Напрямую от Солнца и Солнечных вспышек к Земле устремляются все незаряженные частицы – нейтроны, фотоны оптического, рентгеновского и радио диапазонов. 

На пути заряженных частиц встает надежным щитом магнитосфера Земли. Каждый день на магнитосферу Земли обрушиваются потоки космических лучей обоих типов - ГКЛ и СКЛ. (Я намеренно не буду вдаваться в подробности и говорить о радиационных поясах Ван Аллена, играющих заметную роль в функции защиты от космической радиации.)

Итак, реальное магнитное поле Земли в первом приближении можно рассматривать как дипольное, искаженное давлением солнечного ветра и магнитным полем электрических токов, создаваемых движением заряженных частиц внутри магнитосферы.

Геомагнитное поле отклоняет заряженные частицы и не позволяет частицам с энергией меньше некоторой, так называемой, пороговой достигать атмосферы. Значение этой пороговой энергии зависит от заряда и массы частицы, угла её входа в атмосферу и широты местности. Наибольшее значение такой магнитной «отсечки» находится на экваторе, а наименьшее - на геомагнитных полюсах. Поэтому именно в крайних северных и южных широтах мы наблюдаем полярные сияния.

Атмосфера Земли играет в нашей защите на последнюю роль тоже. Таким образом, магнитное поле Земли и атмосфера являются естественной защитой от ГКЛ и СКЛ. Облучение же жителей Земли происходит за счет вторичного космического излучения, рождающегося при взаимодействии первичного излучения с земной атмосферой. Главным виновником радиационного фона, или естественной радиации вблизи земли, являются частицы мюоны. Интенсивность и эффективная эквивалентная доза от вторичного космического излучения зависит от СА, географической широты и высоты над уровнем моря. Подчеркиваю, – высоты, что особенно важно знать любителям длительных перелетов.

Интенсивность космической радиации такова, что если бы не родная магнитосфера, то на «голой» планете не зародилась бы биосфера вместе с человеком. Планета была бы стерильной. По измерениям высотных зондов на высоте более 24 тысяч км над Землей радиация убивает все живое. Космические обезьяны погибли примерно через 10 дней после возвращения. Так сотрудник НАСА, физик Билл Модлин в работе «Перспективы межзвездных путешествий» писал:

«Солнечные вспышки могут выбрасывать ГэВ [ГигаЭлектроВольт] протоны в том же энергетическом диапазоне, что и большинство космических частиц, но гораздо более интенсивные. Увеличение их энергии при усиленной радиации представляет особую опасность, поскольку ГэВ протоны проникают сквозь несколько метров материала… Солнечные (или звездные) вспышки с выбросом протонов – это периодически возникающая очень серьезная опасность в межпланетном пространстве, которая обеспечивает дозу радиации в сотни тысяч рентген за несколько часов на расстоянии от Солнца до Земли. Такая доза является смертельной и в миллионы раз превышает допустимую. Смерть может наступить уже после 500 рентген за короткий промежуток времени».

Комментарий. Посмею здесь заметить, что этим строкам более 50 лет, и сегодня вопрос о защите экипажей МКС развивается как с точки зрения механической (метаматериалы), так и с точки зрения фармацевтической и медицинской (адаптеры, противорадиационные вакцины (представьте себе?! – для меня это тоже было открытием), а также с использованием постоблучения лазером определенной длины волны). Ну и о магнитом поле сегодня в космической отрасли не забывают: конструкторы уже озадачены. Ну это я отвлеклась от темы. Вернёмся к нашим баранам, космическому излучению.

А как обстоит дело с незаряженными нейтронами и фотонами? Неужели они проникают до уровня земли? К счастью, нейтронов в СКЛ на орбите Земли практически нет, потому что они успевают распасться за время полета от Солнца до Земли. Реально, земную орбиту могут достигнуть только нейтроны с энергией более 150 МэВ (МегаЭлектронВольт) за счет релятивистского замедления времени. 

А как же ГКЛ? Энергия ГКЛ простирается до десятков ТэВ/нуклон. (ТэВ - ТераЭректронВольт). Вследствие распада нейтронная компонента в составе ГКЛ также практически отсутствует за пределами земной атмосферы. Нота бене! – И на этот раз землянам повезло! В химическом составе ГКЛ содержатся электроны (1 %), протоны (70 %), легкие и тяжелые ядра различных элементов.

После «разбора полетов» для частиц ГКЛ и СКЛ, делаем вывод: Магнитное поле Земли – надежный щит не только от ГКЛ и СКЛ, но и от солнечных вспышек. Так что, дорогие фантасты смело пользуйтесь магнитным щитом. Главное рассчитать правильную напряженность вашего магнитного поля на космическом корабле!