Номер 5, страница 62 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 18. Пространственные траектории заряженных частиц в магнитном поле. Глава 2. Магнитное поле - номер 5, страница 62.

5. Что такое радиационные пояса Земли? Почему электронный пояс Земли является внешним, а протонный — внутренним?

Что такое радиационные пояса Земли?

Радиационные пояса Земли, также известные как пояса Ван Аллена, представляют собой области (торы) вокруг планеты, в которых её магнитное поле захватывает и удерживает заряженные частицы высокой энергии (электроны и протоны), образуя своего рода "магнитную ловушку". Эти частицы происходят в основном из двух источников: солнечного ветра (поток заряженных частиц от Солнца) и космических лучей (высокоэнергетические частицы из дальнего космоса).

Пояса имеют сложную структуру и обычно делятся на два основных: внутренний и внешний. Внутренний пояс более стабилен, в то время как внешний сильно зависит от солнечной активности и может значительно изменять свою форму и интенсивность. Радиационные пояса представляют серьезную опасность для космонавтов и электронного оборудования космических аппаратов из-за высокого уровня проникающей радиации.

Ответ: Радиационные пояса Земли — это области в магнитосфере Земли, в которых накапливаются и удерживаются потоки высокоэнергичных заряженных частиц (в основном протонов и электронов), захваченных магнитным полем планеты.

Почему электронный пояс Земли является внешним, а протонный — внутренним?

Разделение радиационных поясов на внутренний (преимущественно протонный) и внешний (преимущественно электронный) объясняется разницей в происхождении частиц и их физическими свойствами (массой и энергией), которые определяют их взаимодействие с неоднородным магнитным полем Земли.

1. Происхождение частиц:

• Внутренний (протонный) пояс: Основным источником высокоэнергетических протонов (энергии от 10 до сотен МэВ) для этого пояса является так называемый механизм CRAND (Cosmic Ray Albedo Neutron Decay — распад альбедных нейтронов космических лучей). Космические лучи, вторгаясь в верхние слои атмосферы Земли, взаимодействуют с ядрами атомов воздуха и выбивают из них нейтроны. Часть этих нейтронов летит вверх (это и есть альбедные нейтроны). Поскольку нейтроны не имеют заряда, они свободно пересекают силовые линии магнитного поля. Однако нейтрон — частица нестабильная и со временем распадается на протон, электрон и антинейтрино. Если этот распад происходит внутри магнитосферы, то рожденный протон оказывается захваченным магнитным полем. Этот процесс наиболее эффективен на высотах от сотен до нескольких тысяч километров, что и формирует внутренний пояс.

• Внешний (электронный) пояс: Частицы для этого пояса, в основном электроны с энергиями до нескольких МэВ, поставляются солнечным ветром. Во время геомагнитных бурь и суббурь частицы из хвоста магнитосферы инжектируются в её внутренние области и ускоряются. Этот процесс происходит на больших расстояниях от Земли, формируя внешний пояс.

2. Взаимодействие с магнитным полем:

Магнитное поле Земли действует как "магнитное зеркало", удерживая частицы. Способность поля удержать частицу зависит от её энергии и массы. Протоны значительно массивнее электронов ($m_p \approx 1836 \cdot m_e$). Для удержания более тяжелых и высокоэнергетических протонов требуется более сильное магнитное поле. Магнитное поле Земли ослабевает с расстоянием, поэтому сильное поле вблизи Земли эффективно удерживает протоны, формируя внутренний пояс. Более легкие электроны могут быть удержаны и более слабым полем на больших высотах, что и приводит к формированию внешнего электронного пояса. Кроме того, внешний пояс очень динамичен: его размеры, плотность частиц и их энергия сильно меняются в зависимости от активности Солнца, что также связано с его источником — солнечным ветром.

Ответ: Разделение поясов на протонный (внутренний) и электронный (внешний) обусловлено различными источниками происхождения частиц и их взаимодействием с магнитным полем Земли. Внутренний пояс состоит из протонов, рождающихся в результате распада нейтронов, которые, в свою очередь, образуются при столкновении космических лучей с атмосферой Земли. Этот процесс происходит ближе к Земле, и сильное магнитное поле в этой области способно удержать тяжелые протоны. Внешний пояс состоит в основном из электронов, захваченных из солнечного ветра. Будучи значительно легче протонов, они удерживаются более слабым магнитным полем на больших расстояниях от планеты.