Вилен Барабой - Ядерные излучения и жизнь

Появление пятен на Солнце подчиняется строгой закономерности. Периоды максимума пятен повторяются каждые 11 лет. В эти периоды наблюдаются и особенно крупные пятна - до 100-230 тыс. км в поперечнике. Пятна диаметром более 40 тыс. км уже видны невооруженным глазом. Между максимумами солнечной активности пятен мало или нет совсем. Максимумы характеризуются не только большим количеством особенно крупных пятен; время от времени в тех местах солнечной поверхности, где конфигурация пятен особенно причудлива, а перепады магнитных полей особенно велики, происходят вспышки. Это - гигантские взрывы, продолжающиеся 15-30 секунд или несколько более. Яркость вспышки в максимуме может превышать яркость фотосферы в несколько раз; солнечный диск на ее фоне кажется темным. Температура солнечной материи в месте вспышки достигает 10 - 15 тыс. градусов и излучает она в несколько раз больше световой энергии, чем равный по площади участок фотосферы. Наиболее коротковолновое гамма-, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение возрастает особенно сильно.

Наиболее серьезный результат солнечной, или хромосферной, вспышки - выброс в мировое пространство со скоростью 1 - 4 и более тыс. км в сек. масс солнечного вещества, быстро летящих частиц, главным образом протонов с энергией 100 млн. электрон-вольт и более, до 10 млрд. эв, а также электронов.

Рис. 21. Динамика солнечной активности (сплошная линия) и кривая заболеваемости дифтерией (штриховая линия). Вертикальная линия - момент начала профилактических прививок против дифтерии

Магнитные возмущения и бури, яркие полярные сияния, нарушения радиосвязи, радиошумы и помехи - вот наиболее частые спутники хромосферных протонных ливней, достигающих атмосферы Земли. Отличие этих потоков от обычного солнечного ветра не только количественное: протоны солнечных вспышек несут несравненно большую энергию, обладают большей проникающей способностью и вызывают при взаимодействии с веществом более значительные разрушения. Наиболее мощные и высокоэнергичные хромосферные потоки способны вызвать в атмосфере серьезные, хотя и непродолжительные, сдвиги, отражающиеся и на земной поверхности, и на биосфере (рис. 21).

Если хромосферные вспышки как-то связаны с изменениями, аномалиями солнечных магнитных полей, то магнитное поле Земли - виновник возникновения и существования околоземных радиационных поясов. Протоны и электроны солнечного ветра и хромосферных вспышек, движущиеся сквозь земную орбиту прочь за пределы Солнечной системы, частично захватываются магнитным полем Земли и начинают двигаться внутри "ловушки", вдоль магнитных силовых линий по винтовой, спиральной траектории. Другим источником заряженных частиц являются нейтроны (довольно быстро распадающиеся на протон и электрон), выбитые из атомов воздуха космическим излучением.

Двигаясь вдоль силовых линий земного магнитного поля и попадая в приполюсных районах в области с повышенным магнитным полем - так называемые "магнитные зеркала", - заряженные частицы отражаются от них и начинают двигаться в обратную сторону. Земля, таким образом, представляет собой гигантскую "магнитную ловушку", способную накапливать заряженные частицы.

Рис. 22. Схема радиационных поясов Земли. а - внутренний пояс, б, в - внешние пояса

Существование радиационных поясов Земли стало известно лишь после полетов советских и американских искусственных спутников Земли со специальной аппаратурой. Так называемый внутренний радиационный пояс расположен на высотах от 400 до 7 - 10 тыс. м над земной поверхностью (над областью магнитного экватора). По направлению к полюсам толщина внутреннего пояса и его высота над земной поверхностью постепенно уменьшаются. Над районами с повышенным магнетизмом, так называемыми магнитными аномалиями, пояс опускается ниже, до высот 320 - 350 км. Максимальная интенсивность радиации наблюдается на высотах 3,4 - 3,5 тыс. км. Основную массу частиц внутреннего радиационного пояса составляют протоны с энергиями главным образом 10 - 100 Мэв - миллионов электрон-вольт; максимум - 600 Мэв. Частицы с большей энергией земным магнитным полем не захватываются и не удерживаются. Средняя концентрация протонов во внутреннем радиационном поясе (на высоте 3,5 тыс. км) равна примерно 20 тыс. протонов, проходящих через 1 см 2в 1 сек. Кроме протонов, в состав внутреннего пояса входят электроны с энергиями 20 - 100 тыс. эв. (кэв) и в количестве примерно 10 млн. в 1 сек. (через 1 см 2).

На более значительных расстояниях от земной поверхности (12 - 50 тыс. км) расположен еще один, внешний радиационный пояс, называемый еще электронным, поскольку содержит он преимущественно эти частицы с энергией 400 - 500 кэв (рис. 22). По направлению к полюсам высота этого пояса уменьшается особенно резко; кроме того, границы пояса подвижны и зависят от солнечных и иных магнитных возмущений.

Наконец, еще дальше от поверхности Земли, на высотах 50 - 75 тыс. км существует третий - самый внешний радиационный пояс, также состоящий из электронов, однако энергия их еще ниже и составляет в среднем всего 200 эв.

Незримый многослойный покров радиационных поясов в высоких широтах, прилегающих к магнитным полюсам, образует отверстия - это области входа и выхода магнитных силовых линий Земли. При выборе трасс будущих космических полетов ученые вынуждены учитывать существование радиационных поясов Земли и их толщину.

Космические лучи, в том числе и корпускулярные потоки солнечных вспышек, даже не достигая непосредственно земной поверхности, вызывают косвенно, за счет появления ливней вторичных частиц, увеличение числа ионизаций в приземном слое, в том числе и в биосфере. Поэтому мы можем утверждать, что излучения из космоса - составная часть естественного радиоактивного фона Земли, в условиях которого возникла и сформировалась земная жизнь, что космические лучи, как и другие компоненты радиоактивного фона, были и являются поныне мутагенными факторами, одной из причин изменчивости органических форм и в конечном счете - двигателями эволюции живого на Земле.

Если в среднем для Земли радиоактивность воздуха в приземном слое составляет 0,1 - 0,12 р в год, то на долю космических лучей из этого количества приходится около 0,03 - 0,04 р в год. Существенных колебаний интенсивности этого излучения за исторически сравнительно короткие промежутки времени не происходит. Лишь хромосферные вспышки на Солнце вносят небольшие вариации в величину потока космических лучей, достигающего Земли.