Магнитное зеркало — 5/4. Троянский конь и птичий хор над Землёй

Мы уже выяснили, как магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы. Они отражаются от областей сильного поля и остаются между двумя магнитными зеркалами.

Но что наполняет эту ловушку? И что ускоряет в ней заряженные частицы?

Троянский конь

Троянского коня природа изобрела задолго до древних греков. С его помощью внутренний радиационный пояс пополняется высокоэнергичными протонами. Вот как это происходит.

Космический луч сталкивается с атомным ядром в атмосфере и рождает вторичные частицы — в том числе нейтроны. Часть нейтронов летит из атмосферы вверх.

Нейтрон электрически нейтрален. Магнитное поле его не отклоняет, поэтому он может свободно проникнуть в область магнитной ловушки.

А затем нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино.

На месте нейтральной частицы появляется заряженный протон. Если его направление и энергия подходят, магнитное поле Земли захватывает его в свою ловушку.

Троянский конь прошёл сквозь ворота — и только внутри из него появился тот, кто хотел проникнуть внутрь.

Этот механизм называется CRAND — Cosmic Ray Albedo Neutron Decay: распад альбедных нейтронов, рождённых космическими лучами. Расчёты и наблюдения показывают, что CRAND служит главным источником высокоэнергичных протонов внутреннего радиационного пояса.

Успевает ли нейтрон добраться до ловушки?

Среднее время жизни свободного нейтрона — около 878 секунд, почти 15 минут. Возьмём нейтрон с кинетической энергией всего 1 МэВ. Он движется со скоростью около 0,046 скорости света и пролетает 1000 километров примерно за 0,07 секунды.

Так что долететь до высот внутреннего пояса он успевает практически наверняка.

Но теперь поставим обратный вопрос: успеет ли он распасться внутри? На пути длиной 6000 километров распадётся лишь примерно один такой нейтрон из двух тысяч. CRAND — редкий, но непрерывный процесс.

А внешний пояс наполнен главным образом электронами. И у них совсем другая история.

Во внешнем радиационном поясе встречаются электроны с энергиями в миллионы электронвольт. Для электрона это уже релятивистская энергия: при кинетической энергии 1 МэВ он движется со скоростью около 0,94 скорости света.

Но электроны, поступающие из внешних областей магнитосферы и переносящиеся ближе к Земле, первоначально могут иметь гораздо меньшие энергии. Что же превращает их в частицы, летящие почти со скоростью света?

Магнитное поле? Но оно не совершает работы!

Настоящая магнитосфера не стационарна. Солнечный ветер деформирует её, электрические и магнитные поля меняются, а в плазме распространяются электромагнитные волны.

Некоторые из них называют хоровыми волнами — chorus waves. Приборы записывают колебания электрического и магнитного полей, а затем сигнал переводят в слышимый диапазон. И получается звук, похожий на птичий хор.

Но этот хор не только поёт.

При резонансном взаимодействии волны передают энергию электронам и могут за несколько часов разогнать их до миллионов электронвольт.

Получается, внутри внешнего радиационного пояса работает естественный ускоритель частиц.

Магнитное зеркало удерживает частицы. Но внутренний пояс наполняют прежде всего протоны, рождённые благодаря распаду нейтронов, а внешний — электроны, которые переносятся и ускоряются в меняющейся магнитосфере.

Радиационные пояса — не просто облака частиц, застрявших в магнитном зеркале. Там кипит активная жизнь: одни частицы в неё входят, другие рождаются внутри, третьи ускоряются, а четвёртые выпадают в атмосферу.

1 • 2 • 3 • 4