Экология в системе естественных наук и ее структура

рис. 8a 

Радиационные  пояса Земли были открыты в 1958: внутренний пояс - группой американских учёных под руководством Дж. Ван  Аллена, внешний пояс - советскими учёными  во главе с С. Н. Верновым и. А.Е. Чудаковым. Потоки частиц радиационных поясов были зарегистрированы счётчиками Гейгера, установленными на ИСЗ.  

Принципиальная  возможность существования магнитной  ловушки в магнитном поле Земли  была показана расчётами норвежского  геофизика К. Стёрмера (1913) и шведского Физика Х. Альфвена (1950), но лишь эксперименты на спутниках показали, что ловушка реально существует и заполнена частицами высоких энергий. Захваченные в магнитную ловушку Земли частицы под действием силы Лоренца совершают сложное движение, которое можно представить как колебательное движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля из Северного полушария в Южное и обратно с одновременным более медленным перемещением (долготным дрейфом) вокруг Земли. Когда частица движется по спирали в сторону увеличения магнитного поля (приближаясь к Земле), радиус спирали и её шаг уменьшаются. Вектор скорости частицы, оставаясь неизменным по величине, приближается к плоскости, перпендикулярной направлению поля. Наконец, в некоторой точке (наз. зеркальной) происходит «отражение» частицы. Она начинает двигаться в обратном направлении — к сопряжённой зеркальной точке в др. полушарии. Одно колебание вдоль силовой линии из Северного полушария в Южное протон с энергией 100 МэВ совершает за время 0,3 с. Время нахождения («жизни») такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет ( 3. 109 с), за это время он может совершить до 10 10 колебаний. Долготный дрейф происходит со значительно меньшей скоростью. В зависимости от энергии частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток. Положительные ионы дрейфуют в западном направлении, электроны — в восточном. Движение частицы по спирали вокруг силовой линии магнитного поля можно представить как состоящее из вращения около, так называемого, мгновенного центра вращения и поступательного перемещения этого центра вдоль силовой линии. При движении заряженной частицы в магнитном поле Земли её мгновенный центр вращения находится на одной и той же поверхности, получившей название магнитной оболочки. Магнитную оболочку характеризуют параметром L, его численное значение в случае дипольного поля равно расстоянию, выраженному в радиусах Земли, на которое отходит магнитная оболочка в экваториальной плоскости диполя от центра диполя. Для реального магнитного поля Земли параметр L приближённо сохраняет такой же простой смысл. Энергия частиц связана со значением параметра L; на оболочках с меньшими значениями L н аходятся частицы, обладающие большими энергиями. Это объясняется тем, что частицы высоких энергий могут быть удержаны лишь сильным магнитным полем, т. е. во внутренних областях магнитосферы.  

Обычно выделяют внутренний и внешний радиационный пояс протонов малых энергий (пояс кольцевого тока) и зону квазизахвата частиц (рис. 9а) или авроральной радиации (по латинскому названию полярных сияний).  
 
 

рис. 9a  

Внутренний радиационный пояс характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 МэВ) с  максимумом плотности потока протонов с энергией p>20 МэВ до 10 4 протон/ (см. 2 .с. ср) на расстоянии L ~ 1,5. Во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20 - 40 КэВ до 1 МэВ; плотность потока электронов с p40 КэВ составляет в максимуме ~ 10 6 -107 электрон/(см 2. .с.ср). С внешней стороны этот пояс ограничен магнитной оболочкой с L=2, которая пересекается с поверхностью Земли на геомагнитных широтах ~ 450. На нижней границе внутреннего пояса (на высотах 200-300 км) частицы, испытывая частые столкновения с атомами и, молекулами атмосферных газов, теряют свою энергию, рассеиваются и «поглощаются» атмосферой.  

Нижняя граница  внутреннего пояса в зависимости  от географической широты расположена  на расстоянии от 600 до 1500км от поверхности  Земли. Верхняя граница пояса  простирается до высоты 10 тысяч км.  

Внешний радиационный пояс заключён между магнитными. оболочками с L=3 и L=6 с максимальной плотностью потока частиц на L ~ 4 - 4,5. Для внешнего пояса характерны электроны с  энергиями 40 - 100 кэВ, поток которых  в максимуме достигает 106 - 107 электрон/(см 2 .с.ср). Среднее время «жизни» частиц внешнего радиационного пояса составляет 105 - 107 с. В периоды повышенной солнечной активности во внешнем поясе присутствуют также электроны больших энергий (до 1 МэВ и выше). Внешний радиационный пояс Земли начинается на высотах около 10 тыс.км ( вблизи геомагнитного экватора ) и простирается в зависимости от солнечной активности до высот 60-85 тыс.км.  

Пояс протонов малых энергий (~0,03 - 10 МэВ) простирается от L ~ 1,5 до ~ L 7 - 8. Зона квазизахвата, или авроральной радиации, расположена за внешним поясом, она имеет сложную пространственную структуру, обусловленную деформацией магнитосферы солнечным ветром (потоком заряженных частиц от Солнца). Основными частицами в зоне квазизахвата являются электроны и протоны с энергиями ? < 100 кэВ. Внешний пояс и пояс протонов малых энергий ближе всего (до высоты 200 - 300 км) подходит к Земле на широтах 50 - 600. На широты выше 600 проецируется зона квазизахвата, совпадающая с областью максимальной частоты появления полярных сияний.  

Происхождение захваченных частиц с энергией, значительно  превышающей среднюю энергию  теплового движения атомов и молекул  атмосферы, связывают с действием  нескольких физических механизмов: распадом нейтронов, созданных космическими лучами в атмосфере Земли (образующиеся при этом протоны пополняют внутренние радиационные пояса); «накачкой» частиц в пояса во время геомагнитных. возмущений (магнитных. бурь), которая в первую очередь обусловливает существование электронов внутреннего пояса; ускорением и медленным переносом частиц солнечного происхождения из внешней во внутреннюю области магнитосферы (так пополняются электроны внешнего пояса и пояс протонов малых энергий). Проникновение частиц солнечного ветра в радиационные пояса возможно через особые точки магнитосферы, так называемые дневные полярные каспы (рис. 9а), а также через т. н. нейтральный слой в хвосте магнитосферы (с её ночной стороны). В области дневных каспов и в нейтральном слое хвоста геомагнитном поле резко ослаблено и не является существенным препятствием для заряженных частиц межпланетной плазмы.  

Частично радиационные пояса появляются также за счёт захвата  протонов и электронов солнечных  космических лучей, проникающих  во внутренние области магнитосферы. Перечисленных источников частиц, по-видимому, достаточно для создания радиационных поясов с характерным распределением потоков частиц.  

В радиационных поясах существует динамическое равновесие между процессами пополнения поясов и процессами потерь частиц. В основном частицы покидают. радиационные пояса из-за потери своей энергии на ионизацию (эта причина ограничивает пребывание протонов внутреннего пояса в магнитной ловушке временем ~ 109 с), из-за рассеяния частиц при столкновениях с частицами окружающей холодной плазмы и рассеяния на магнитных. неоднородностях и плазменных волнах различного происхождения . Рассеяние может сократить время «жизни» электронов внешнего пояса до 104 - 105 с. Эти эффекты приводят к нарушению условий стационарного движения частиц в геомагнитном поле (т. н. адиабатических инвариантов) и к «высыпанию» частиц из радиационных поясов в атмосферу вдоль силовых линий магнитного поля. Высыпание частиц из магнитной ловушки, в особенности из зоны квазизахвата (авреральной радиации), приводит к усилению ионизации ионосферы, а интенсивное высыпание — к полярным сияниям.  

Состав, плотности  потоков и энергетические спектры  частиц в естественных радиационных поясах Земли зависят от времени  вариаций, связанных в основном с  протеканием на Солнце процессами. При этом внутренний ЕПРЗ практически не подвержен временным вариациям, а внешний ЕПРЗ меняется во времени существенно.  

Поэтому, радиационные пояса представляют собой серьёзную  опасность при длительных полётах  в околоземном пространстве. Потоки протонов малых энергий могут вывести из строя солнечные батареи и вызвать помутнение тонких оптических покрытий. Длительное пребывание во внутреннем поясе может привести к лучевому поражению живых организмов внутри космического корабля под воздействием протонов высоких энергий.  

Кроме Земли, радиационные пояса существуют у Меркурия, Юпитера  и Сатурна. Радиационные пояса Юпитера  и Сатурна имеют большую протяжённость  и большие энергии частиц и  плотности потоков частиц, чем  радиационные пояса Земли.  

Магнитное поле Юпитера в 5x104 раз превышает магнитное поле Земли, а магнитосфера простирается на 100 юпитерианских радиусов. Потоки заряженных частиц в юпитерианских радиационных поясах имеют очень высокую плотность и это необходимо учитывать при проектировании космических кораблей, направляемых к Юпитеру. Планета Меркурий также обладает собственным магнитным полем, которое значительно меньше, чем у Земли, в связи с чем стабильного захвата частиц магнитосферой Меркурия не происходит, тем не менее, при полетах КА наблюдались достаточно высокие плотности потоков электронов и протонов, примерно в 104 раз превышающими фоновый уровень в космическом пространстве.  

Искусственные радиационные пояса Земли образуются в результате высотных ядерных и  термоядерных взрывов. Объем и координаты ИРПЗ зависят от места взрыва в пространстве и определяются мощностью боеприпасов. Осколки деления являются источником электронов со спектром до 10 МэВ. Плотность потоков электронов в ИРПЗ может достигать 1019 электрон.см-2 .с-1 и выше. Однако она сравнительно быстро спадает во времени (за два месяца плотность снижается примерно на 50%). Ориентировочные оценки поглощенной за год дозы от ИРПЗ показывают, что она может достигать 106 - 107 Дж.кг-1 (108 – 109 рад). Подробно о ядерных взрывах смотри в разделе 8.2.1.

8.1.3. Земная радиация  

Основные радиоактивные  изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, – это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных  семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 – долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения.  

Разумеется, уровни земной радиации неодинаковы для  разных мест земного шара и зависят  от концентрации радионуклидов в  том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы  населения они примерно одного порядка.  

По подсчетам  НКДАР ООН средняя эффективная  эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год  от земных источников естественной радиации, составляет примерно 350 микрозивертов, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы облучения из-за радиационного фона, создаваемого космическими лучами на уровне моря.  

В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом.  

Совсем небольшая  часть этой дозы приходится на радиоактивные  изотопы типа углерода- 14 и трития, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное  поступает от источников земного  происхождения. В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда тория-232.  

Некоторые из них, например нуклиды свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и  моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения.  

Десятки тысяч  людей на Крайнем Севере питаются в основном мясом северного оленя (карибу), в котором оба упомянутых выше радиоактивных изотопа присутствуют в довольно высокой концентрации. Особенно велико содержание полония-210. Эти изотопы попадают в организм оленей зимой, когда они питаются лишайниками, в которых накапливаются оба изотопа. Дозы внутреннего облучения человека от полония-210 в этих случаях могут в 35 раз превышать средний уровень. А в другом полушарии люди, живущие в Западной Австралии в местах с повышенной концентрацией урана, получают дозы облучения, в 75 раз превосходящие средний уровень, поскольку едят мясо и требуху овец и кенгуру.  

Прежде чем  попасть в организм человека, радиоактивные  вещества, как и в рассмотренных  выше случаях, проходят по сложным маршрутам  в окружающей среде, и это приходится учитывать при оценке доз облучения, полученных от какого-либо источника. В качестве примера на рис.10 представлена одна из схем распространения радиоактивных веществ в окружающей среде.  
 
 

рис. 10

8.1.4. Радиоактивный  газ Радон  

Лишь недавно  ученые поняли, что наиболее весомым  из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) радон. Согласно текущей оценке НКДАР ООН, радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех естественных источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает от радионуклидов, попадающих в его организм вместе с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых помещениях.  

В природе радон  встречается в двух основных формах: в виде радона-222, члена радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада  урана-238, и в виде радона-220, члена  радиоактивного ряда тория-232. По-видимому, радон-222 примерно в 20 раз важнее, чем радон-220 (имеется в виду вклад в суммарную дозу облучения), однако для удобства оба изотопа в дальнейшем будут рассматриваться вместе и называться просто радоном. Вообще говоря, большая часть облучения исходит от дочерних продуктов распада радона, а не от самого радона.  

Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его  концентрация в наружном воздухе  существенно различается для  разных точек земного шара . Как  ни парадоксально это может показаться на первый взгляд, но основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Для тропических стран подобные измерения не проводились; можно, однако, предположить, что, поскольку климат там гораздо теплее и жилые помещения намного более открытые, концентрация радона внутри их ненамного отличается от его концентрации в наружном воздухе.