НАША ІСТОРІЯ
IV. Інваріантної СИСТЕМА КООРДИНАТ ДЛЯ ОПИСУ захоплені магнітним ПОЛЕМ радіації (L, B - КООРДИНАТИ)
Уже перші дослідження радіаційних поясів Землі на штучних супутниках і місячних апаратах показали складність структури захоплених магнітним полем потоків частинок, опис яких вимагало використання трьох координат: широти, довготи і висоти над поверхнею Землі. Так як рух заряджених частинок управляється магнітним полем, було природно звернутися до геомагнітних координат, які в найпростіших випадках, наприклад, в поле ідеального диполя, повинні мати осьову симетрію, так що від довготи точки спостереження потоки часток не повинні залежати. Ці міркування привели до створення для реального магнітного поля Землі систему інваріантних координат, в якій для більшої частини простору довгота дійсно може не прийматися до уваги, так само як і знак (+ або -) широти. Це стало можливим при обліку загальних законів руху заряджених частинок в магнітному полі. Заряджені частинки в магнітному полі під дією сили Лоренца обертаються навколо деякого центру (ларморовской рух) в площині, перпендикулярній магнітному полю з одночасним переміщенням миттєвого центру ларморовской окружності (званого провідним центром) уздовж силової лінії магнітного поля. Якщо магнітне поле неоднорідне (існує градієнт поля або кривизна силових ліній), то спостерігається ще третій рух - дрейф провідного центру з однієї силової лінії на сусідню.
Магнітне поле Землі в першому наближенні є полем диполя і захоплені в ньому частки беруть участь у всіх трьох перерахованих рухах, причому рух ведучого центру уздовж силових ліній, через дипольний геомагнітного поля є коливальний рух з північної півкулі в південну і назад з одночасним, більш повільним, довготних переміщенням (дрейфом) навколо Землі (рис. 4.1 і 4.2).
Мал. 4.1 Рух заряджених частинок, захоплених в геомагнітну ловущку (а), Траєкторія руху частинки по спіралі вздовж силової лінії магнітного поля (б).
Коливальний рух частинок з однієї півкулі в іншу відбувається тому, що при русі частинок в область сильнішого поля сила Лоренца зменшує подовжню складову швидкості.
Причиною цього є невелика перпендикулярна швидкості частки компонента магнітного поля, яка в кінцевому рахунку змушує частку повернути в напрямку більш слабкого поля. В поле диполя, як і в геомагнитном поле напруженість на високих широтах більше, ніж на екваторі, і частка доходить до деякої широти в кожній півкулі і відбивається назад. Це відображення за законами руху часток відбувається при однаковій напруженості магнітного поля В, тому в реальному геомагнитном поле, де існують області з ослабленим магнітним полем, щоб відбитися частка повинна опуститися до потрібного значення В на менші висоти, тобто в реальному геомагнитном поле при дрейфі навколо Землі частки відображаються на різних висотах, хоча і однакових значеннях В.
У реальному геомагнитном поле лінія рівного У проходить на різних висотах над поверхнею Землі. Мінімальна висота, якої досягає лінія з даними В в будь-якому з півкуль є тією мінімальною висотою, на яку опускається частка при дрейфі навколо Землі. Якщо ця мінімальна висота знаходиться не дуже високо, наприклад, на 100 км від поверхні Землі, то тут щільність атмосфери вже достатня, щоб дещо загальмувати частку, особливо не дуже високою енергії. Втрати енергії частинок в кінці кінців приведуть до її повної зупинки і виході зі стану захопленої, тобто вона перестане існувати як частка радіаційних поясів Землі.
Іноді, для деяких траєкторій руху частинок, лінії з даними значенням В на всіх довготах в одній півкулі лежать досить високо, в той час як в іншому "пірнають" на малі висоти, як, наприклад, в областях негативних магнітних аномалій в Південній Атлантиці. Саме тут, як було описано в попередньому розділі, відбувається постійний стік частинок з радіаційних поясів.
Мал. 4.2 Поверхня, що описується часткою (електроном) радіаційних поясів Землі. Основною характеристикою цієї поверхні є параметр L. N і S - магнітні полюси Землі.
Розглянутий хаpактеp руху частинок, захоплених геомагнітних полем, дозволяє ввести деяку природну систему координат, сильно спрощує опис захопленої радіації. Повний опис захопленої радіації полягає у визначенні потоку частинок різного виду в довільній точці простору, тобто знаходження деякої функції від координат R, # 955 ;, # 966 ;, де R - відстань від центру Землі; # 955; - широта; # 966; - довгота місця спостереження. Закони руху заряджених частинок в магнітному полі призводять до існування трьох інваріантів руху частинок, які дозволяють характеризувати потоки захоплених частинок тільки двома параметрами: номером магнітної оболонки (L), що проходить через дану точку, по якій рухається провідний центр захопленої частки, і напруженістю магнітного поля ( в) в даній точці простору. Ці координати отримали назву координат МакІлвайна, першим запропонував їх використання / 9 /, L-B координат або інваріантних координат, тому що вони засновані на инвариантах руху частинок в магнітному полі. За параметр магнітної оболонки зазвичай приймається величина L, що дорівнює відношенню середнього видалення реальної магнітної оболонки від центру Землі в площині геомагнітного екватора, до радіусу Землі. В роботі / 9 / дані методи визначення параметра магнітної оболонки для довільної точки простору.
Ці методи вимагають тривалих розрахунків та на початку використання L, B - координат були складені докладні карти, за якими для довільної точки простору можна визначити L і В. На малюнках 4.3 приведені для пpимеpов лінії одно L і В над усією повехності земного шаpа для висоти 1000 км. В даний час L, B - координати для кожного експерименту розраховуються при формуванні інформаційного кадру і результати вимірювань автоматично представляються в цих координатах.
Мал. 4.3 Лінії рівних L і B над поверхнею земної кулі на висоті 1000 км.
На великих відстанях структура геомагнітного поля різко відрізняється від поля диполя через вплив на нього потоків сонячного вітру (див. Рис 4.4), проте використання інваріантних геомагнітнихкоординат допустимо і на периферії поясів, не виходячи за межі замкнутих силових ліній магнітного поля.
Мал. 4.4 Структура магнітосфери Землі, обтічної сонячним вітром
Представлена в цих природних (інваріантних) координатах форма Землі стає неправильною, зате магнітне поле наближається до поля диполя, потоки частинок набувають високу ступінь симетрії, так що довгота і знак широти можуть ігноруватися. При цьому дані, отримані в будь-якій точці простору, можуть бути доречними до деякої обраної меридианальной площині. Після побудови карт інтенсивності в цій обраної меридианальной площині можна визначити інтенсивність в довільній точці простору, хоча реально в даній точці ніяких вимірів не проводилося.
Введення геомагнітнихкоординат для опису захопленої радіації настільки звичайно, що їх поява була позитивно сприйнята, науковим співтовариством, хоча складності їх обчислення і традиційне тривимірне мислення утрудняли їх швидке сприйняття. Як вже говорилося, ці координати ввів МакІлвайн / 9 /, вони стали широко використовуватися при дослідженнях радіаційних поясів Землі. Потрібно однак мати на увазі, що для обчислення цих координат необхідне знання вектора напруженості магнітного поля в кожній точці, середнє стаціонарне значення якого відомо досить добре, але варіації якого іноді дуже сильно спотворюють реальну картину L-B координат. Для великих відстаней від Землі обчислення L-B координат також важко через погане знання структури реального геомагнітного поля, спотвореного впливом сонячного вітру.
Усвідомлення всіх цих аспектів сталося не відразу, в НИИЯФ цієї проблеми було присвячено кілька семінарів, заслуховувалися доповіді про мінінімальних висотах руху частинок, про їх часу життя через іонізаційних втрат, про зв'язок критичних імпульсів галактичних частинок з параметрами магнітних оболонок і ряді інших явищ. Починаючи з польоту супутника Землі "Космос-17" (1963 г.) все результати дослідження радіаційних поясів представлялися вже в L-B координатах.