Пояс ван аллена что это такое
Пояса Ван-Аллена
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 добавило «масла в огонь» «теории заговора», 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!
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.
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.
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!
Полет пилотируемого аппарата к Луне и высадка на нее экипажа приведет к тому, что космонавты получат большую дозу облучения. Сейчас активно обсуждается тема полета к Марсу. Это совершенно безумная затея!
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. При этом, мозги путешественников будут подвергаться интенсивной бомбардировке потоками высокоэнергетических заряженных частиц. Это может лишить членов экипажа разума!
Из-за воздействия повышенной радиации, к тому времени, как участники полета доберутся до Красной Планеты, они могут забыть, кто они такие, откуда и зачем прилетели.
У Марса почти полное отсутствие магнитного поля. Это может стать серьезным препятствием в освоении Марса. Без защиты магнитного поля, которое отклоняет солнечный ветер, 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 провели японские ученые с тритонами. Оназалось, 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.
На Марс полетят добровольцы-смертники. Впрочем, таковых на земле всегда хватало.
50 лет назад один человек совершил маленький шажок, который оказался большим шагом для всего человечества. Мы говорим, как вы поняли, о знаменитой высадке американских астронавтов на Луну. И в последнее время споры вокруг той миссии (как и самой программы «Аполлон») разгорелись с новой силой. Причем речь идет не о том, что «высадки не было и все было снято в павильоне». Новые аргументы говорят нам, что во время миссии на Луну астронавты должны были получить огромную дозу космической радиации, которую невозможно пережить. Но так ли это?
Что такое космическая радиация
Никто не собирается оспаривать факт того, что космическая радиация действительно существует и то, что воздействие ее на живые организмы очень сложно назвать положительным. Сам термин «космическая радиация» довольно обширен и используется для описания энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн и/или других частиц, испускаемых небесными телами. При этом не все они являются опасными для человека. Например, люди могут воспринимать некоторые формы электромагнитного излучения: видимый свет можно (простите за тавтологию) увидеть, а инфракрасное излучение (тепло) можно почувствовать.
Между тем, другие разновидности излучения, такие как радиоволны, рентгеновские и гамма-лучи требуют специального оборудования для наблюдения. Самым опасным является ионизирующее излучение и именно его воздействие в большинстве случаев и называют той самой космической радиацией.
Откуда берется космическая радиация
В космосе существует несколько источников ионизирующего излучения. Солнце непрерывно испускает электромагнитное излучение на всех длинах волн. Иногда огромные взрывы на солнечной поверхности, известные как вспышки на Солнце, высвобождают в космос огромное количество рентгеновских и гамма-лучей. Эти явления как раз и могут представлять опасность для астронавтов и оборудования космических аппаратов. Также опасная радиация может исходить из-за пределов нашей Солнечной системы, но на Земле мы защищены от большей части этого ионизирующего излучения. Сильное магнитное поле Земли формирует магнитосферу (грубо говоря, защитный пузырь), который действует как своего рода «щит», блокирующий большую часть опасного излучения.
При этом космическая радиация «не улетает» обратно в космос. Она накапливается вокруг нашей планеты, формируя, так называемые, Пояса Ван Аллена (или радиационные пояса).
Как NASA решило проблему организации полета на Луну
Короткий ответ — никак. Дело в том, что для того, чтобы добраться до Луны, космический аппарат должен двигаться максимально быстро и по кратчайшему расстоянию. Для «облета и маневрирования» не хватило бы ни времени, ни запаса горючего. Таким образом, участники программы должны были пересечь как внешний, так и внутренний радиационный пояса.
NASA знало о проблеме и поэтому им нужно было что-то делать с обшивкой корабля для астронавтов. Обшивка должна была быть тонкой и легкой для обеспечения защиты. Нельзя было слишком «утяжелять» ее. Поэтому минимальная защита от облучения при помощи металлических пластин была добавлена в конструкцию. Более того, теоретические модели радиационных поясов, разработанные в преддверии полетов «Аполлона», показали, что прохождение через них не будет представлять существенной угрозы для здоровья космонавтов.
Но это еще не все. Чтобы добраться до Луны и благополучно вернуться домой, астронавты «Аполлона» должны были не только пересечь пояса Ван Аллена, но и огромное расстояние между Землей и Луной. По времени полет занимал около трех дней в каждую сторону. Участники миссии также должны были безопасно работать на орбите вокруг Луны и на лунной поверхности. Во время миссий «Аполлон» космический аппарат большую часть времени находился за пределами защитной магнитосферы Земли. Таким образом, экипажи «Аполлонов» были уязвимы для солнечных вспышек и для потока радиационных лучей из-за пределов нашей Солнечной системы.
Почему астронавты остались живы?
Можно сказать, что NASA повезло, ведь время миссии совпало с, так называемым, «солнечным циклом». Это период роста и спада активности, который происходит примерно каждые 11 лет. На момент запуска аппаратов как раз пришелся период спада. Однако если бы космическое агентство затянуло программу, то все могло бы закончится иначе. Например, в августе 1972 года, между возвращением на Землю «Аполлона-16» и запуском «Аполлона-17» начался период роста солнечной активности. И если бы в это время астронавты находились бы на пути к Луне, они получили бы огромную дозу космического излучения. Но этого, к счастью, не произошло.
Обсудить эту и другие новости вы можете в нашем чате в Телеграм.
Американцы никогда не летали на Луну
Как уже говорилось, едва американцы начали свою космическую программу, их ученый Джеймс Ван Аллен совершил достаточно важное открытие. Первый американский искусственный спутник, запущенный ими на орбиту, был куда меньше советского, но Ван Аллен додумался прикрепить к нему счетчик Гейгера. Таким образом, была официально подтверждена высказанная еще в конце ХIХ в. выдающимся ученым Николой Теслой гипотеза о том, что Землю окружает пояс интенсивной радиации.
Тесла, однако, считался большим чудаком, а академической наукой – даже сумасшедшим, поэтому его гипотезы о генерируемом Солнцем гигантском электрическом заряде давно лежали под сукном, а термин «солнечный ветер» не вызывал ничего, кроме улыбок. Но благодаря Ван Аллену теории Теслы были реанимированы. С подачи Ван Аллена и ряда других исследователей было установлено, что радиационные пояса в космосе начинаются у отметки 800 км над поверхностью Земли и простираются до 24 000 км. Поскольку уровень радиации там более или менее постоянен, входящая радиация должна приблизительно равняться исходящей. В противном случае она либо накапливалась бы до тех пор, пока не «запекла» Землю, как в духовке, либо иссякла. По этому поводу Ван Аллен писал: «Радиационные пояса можно сравнить с протекающим сосудом, который постоянно пополняется от Солнца и протекает в атмосферу. Большая порция солнечных частиц переполняет сосуд и выплескивается, особенно в полярных зонах, приводя к полярным сияниям, магнитным бурям и прочим подобным явлениям».
Радиация поясов Ван Аллена зависит от солнечного ветра. Кроме того, они, по-видимому, фокусируют или концентрируют в себе эту радиацию. Но поскольку концентрировать в себе они могут только то, что пришло напрямую от Солнца, то открытым остается еще один вопрос: сколько радиации в остальной части космоса?
Орбиты атмосферных частиц в экзосфере (dic.academic.ru)
У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна – она смертельна!
В 1963 году советские ученые заявили известному британскому астроному Бернарду Ловеллу, что они не знают способа защитить космонавтов от смертельного воздействия космической радиации. Это означало, что даже намного более толстостенные металлические оболочки российских аппаратов не могли справиться с радиацией. Каким же образом тончайший (почти как фольга) металл, используемый в американских капсулах, мог защитить астронавтов? НАСА знало, что это невозможно. Космические обезьяны погибли менее чем через 10 дней после возвращения, но НАСА так и не сообщило нам об истинной причине их гибели.
Обезьяна-астронавт (архив РГАНТ)
Большинство людей, даже сведущих в космосе, и не подозревают о существовании пронизывающей его просторы смертельной радиации. Как ни странно (а может быть, как раз по причинам, о которых можно догадаться), в американской «Иллюстрированной энциклопедии космической технологии» словосочетание «космическая радиация» не встречается ни разу. Да и вообще эту тему американские исследователи (особенно связанные с НАСА) обходят за версту.
Между тем Ловелл после беседы с русскими коллегами, которые отлично знали о космической радиации, отправил имевшуюся у него информацию администратору НАСА Хью Драйдену, но тот проигнорировал ее.
Один из якобы посетивших Луну астронавтов Коллинз в своей книге упоминал о космической радиации только дважды:
«По крайней мере, Луна была далеко за пределами земных поясов Ван Аллена, что предвещало хорошую дозу радиации для тех, кто побывал там, и смертельную – для тех, кто задержался».
«Таким образом, радиационные пояса Ван Аллена, окружающие Землю, и возможность солнечных вспышек требуют понимания и подготовки, чтобы не подвергать экипаж повышенным дозам радиации».
Так что же означает «понимание и подготовка»? Означает ли это, что за пределами поясов Ван Аллена остальной космос свободен от радиации? Или у НАСА была секретная стратегия укрытия от солнечных вспышек после принятия окончательного решения об экспедиции?
НАСА утверждало, что просто может предсказывать солнечные вспышки, и поэтому отправляло на Луну астронавтов тогда, когда вспышек не ожидалось, и радиационная опасность для них была минимальна.
Впрочем, другие специалисты утверждают: «Возможно предсказать только приблизительную дату будущих максимальных излучений и их плотность».
Советский космонавт Леонов все же вышел в 1966 году в открытый космос – правда, в сверхтяжелом свинцовом костюме. Но спустя всего лишь три года американские астронавты прыгали на поверхности Луны, причем отнюдь не в сверхтяжелых скафандрах, а скорее совсем наоборот! Может, за эти годы специалисты из НАСА сумели найти какой-то сверхлегкий материал, надежно защищающий от радиации?
Однако исследователи вдруг выясняют, что по крайней мере «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» отправились в путь именно в те периоды, когда количество солнечных пятен и соответствующая солнечная активность приближались к максимуму. Общепринятый теоретический максимум 20-го солнечного цикла длился с декабря 1968 по декабрь 1969 гг. В этот период миссии «Аполлон-8», «Аполлон-9», «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» предположительно вышли за пределы зоны защиты поясов Ван Аллена и вошли в окололунное пространство.
Дальнейшее изучение ежемесячных графиков показало, что единичные солнечные вспышки – явление случайное, происходящее спонтанно на протяжении 11-летнего цикла. Бывает и так, что в «низкий» период цикла случается большое количество вспышек за короткий промежуток времени, а во время «высокого» периода – совсем незначительное количество. Но важно именно то, что очень сильные вспышки могут иметь место в любое время цикла.
В эпоху «Аполлонов» американские астронавты провели в космосе в общей сложности почти 90 дней. Поскольку радиация от непредсказуемых солнечных вспышек долетает до Земли или Луны менее чем за 15 минут, защититься от нее можно было бы только с помощью свинцовых контейнеров. Но если мощности ракеты хватило, чтобы поднять такой лишний вес, то почему надо было выходить в космос в тонюсеньких капсулах (буквально в 0,1 мм алюминия) при давлении в 0,34 атмосфер?
Это притом, что даже тонкий слой защитного покрытия, именуемого «майларом», по утверждениям экипажа «Аполлон-11», оказался столь тяжек, что его пришлось срочно стирать с лунного модуля!
Похоже, в лунные экспедиции НАСА отбирало особенных парней, правда, с поправкой на обстоятельства, отлитых не из стали, а из свинца. Американский исследователь проблемы Ральф Рене не поленился рассчитать, как часто каждая из якобы состоявшихся лунных экспедиций должна была попасть под солнечную активность.
Да, бравые американские парни потом должны были сиять похлеще четвертого чернобыльского энергоблока. «Космические частицы опасны, они исходят со всех сторон и требуют как минимум двух метров плотного экрана вокруг любых живых организмов». А ведь космические капсулы, которые по сей день демонстрирует НАСА, имели чуть более 4 м в диаметре. При толщине стен, рекомендуемой Модлиным, астронавты, даже без всякого оборудования, в них бы не влезли, уж не говоря о том, что и не хватило бы топлива для того, чтобы такие капсулы поднять. Но, очевидно, ни руководство НАСА, ни посланные им на Луну астронавты книжек своего коллеги не читали и, находясь в блаженном неведении, преодолели все тернии по дороге к звездам.
Майл Айленд АЭС 28 марта 1979 года (AFP/Getty Images)
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:
Раскроем характеристики внутреннего радиационного пояса:
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:
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:
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:
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:
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.