Магнитное поле Земли: как оно защищает нас от космического излучения
Если бы космонавты обладали сверхзрением, то, выйдя в открытый космос, сумели бы увидеть слабое свечение вокруг нашей планеты — это магнитное поле, или магнитосфера. Она, как бы громко это ни было сказано, защищает жизнь на нашей Земле, влияет на происходящие на ней важные геофизические и биофизические процессы.
Что такое магнитное поле Земли или геомагнитное поле
Космическая среда далеко не безопасна для своих «обитателей». Многочисленным планетам Солнечной и других звездных систем приходится защищаться от жесткого космического излучения, солнечной радиации, потока метеоритов и астероидов. Некоторым планетам, в том числе и нашей, в этом помогает магнитное поле. Оно невидимыми, но мощными силовыми линиями опоясывает Землю, создавая прочный барьер, препятствующий проникновению вредоносных частиц из космоса.
Приставка «гео» говорит о том, что источник этой внешней защиты кроется в Земле, в ее недрах. Как известно, ядро нашей планеты состоит преимущественно из железа и делится на две части — внешнюю и внутреннюю. Конвекционные потоки расплавленного железа во внешнем ядре интенсивно движутся вокруг плотной сердцевины, создавая вихревые токи — так возникает мощное магнитное поле. А вращение Земли позволяет все время поддерживать его в «рабочем состоянии».
Как появилось магнитное поле
Все описанные процессы были запущены не сразу. Если Земля существует около 4,5 миллиарда лет, то геомагнитное поле вокруг нее сформировалось примерно через миллиард лет, положив начало биогенезу, так считают ученые. Также принято полагать, что магнитосфера молодой планеты на первых этапах эволюции была довольно слабой, поскольку генерировалась только нижним слоем земной мантии, который еще оставался жидким.
И только около 1,3-1,5 миллиарда лет назад в недрах Земли произошла конденсация твердого ядра, а вслед за этим началось формирование сильного геомагнитного поля, своеобразного щита планеты от космической радиации. Тогда же на земном шаре появились первые сложные формы жизни.
Впрочем, точка в вопросе о происхождении земной магнитосферы еще не поставлена. Исследования на эту тему не прекращаются. В начале XX века даже оформилось новое научное направление — палеомагнитология. Перед ее представителями стоит сложная задача — реконструкция основных характеристик магнитного поля Земли в прошлом.
В рамках этой работы ведутся исследования горных пород на предмет поиска железных частиц, которые могут «хранить» информацию о своем происхождении. Также ученые изучают реакцию многих живых организмов на геомагнитную активность — полученные результаты подтверждают теорию о том, что магнитное поле было неотъемлемой частью их среды обитания.
Что такое космическое излучение
Космос вовсе не холодный вакуум: звезды, планеты и их спутники вращаются в газопылевом пространстве, наполненном частицами высокой энергии: протонами, электронами и нейтронами. Они не статичны и способны разгонятся до скоростей, близких к скорости света. Поскольку высокоэнергетические частицы несут свою порцию электромагнитного излучения, создаваемые ими радиационные потоки и называют космическими лучами.
Происхождение их до конца не изучено. На данный момент ученые выделяют два источника космических излучений — солнечное и галактическое. Превалирующее количество заряженных частиц в космическом пространстве — это ядра водорода и гелия, которые регулярно «поставляет» во Вселенную наше светило. А именно внешняя его часть, так называемая солнечная корона. Она периодически испускает поток ионизированных частиц в межзвездное пространство — его еще именуют солнечным ветром. Он способен вызывать геомагнитные возмущения Земли и становится причиной магнитных бурь.
Остаток — не более двух процентов — составляют молекулы тяжелых веществ, которые рождаются за пределами Солнечной системы, как правило, этому способствуют вспышки сверхновой. Более того, данное явление сообщает частицам такую энергию, что те способны достигать даже самых далеких галактик, в том числе Млечного Пути, где обитает наша планета.
Как геомагнитное поле нас защищает
Стремительно несущиеся к Земле протоны, электроны и более тяжелые ядра несут глобальную радиационную угрозу всему живому на нашей планете. Они способны разрушать органические молекулы, провоцируют изменения в ДНК, вызывая мутации. Большая доза облучения выводит из строя технические приборы, поскольку проникает в микросхемы и изменяет электрическое состояние элементов.
Щитом на пути радиационных потоков из космоса встает магнитное поле Земли, которое простирается на расстояние около 10 земных радиусов (составляет 6371 км) в сторону Солнца и на расстояние в 1000 земных радиусов в противоположном направлении.
Магнитосфера отклоняет элементы, обладающие электрическим зарядом — протоны (альфа-излучение) и электроны (бета-излучение). Силовые линии магнитного поля «отводят» их к полюсам и удерживают, создавая так называемые радиационные пояса. Порой заряженные частицы прорываются сквозь магнитосферу, и тогда в северных широтах возникают невероятные по своей красоте полярные сияния.
А вот имеющие нулевой заряд нейтроны (гамма-излучение) способны проникать сквозь магнитосферу, однако, будучи нестабильными частицами, распадаются еще на пути к Земле, теряясь в атмосфере.
Как магнитное поле спасло Землю
Таким образом, магнитосфера и атмосфера максимально и надежно защищают Землю от космического и солнечного излучения — в свое время это и стало условием зарождения жизни на нашей планете. И судя по тому, что Земля — единственная планета Солнечной системы, на которой существует биосфера, это действительно так.
Наши ближайшие соседи, каменистые Марс и Венера, как известно, не могут похвастаться наличием даже простейших форм жизни, хоть все три планеты формировались практически в одинаковых условиях и даже имеют похожий химический состав. А все потому, что наши «собратья» по звездной системе в свое время лишились мощной защиты в виде магнитного поля.
Так, считается, что Марс потерял свое магнитное поле около 4 млрд лет назад. По одной из версий, Красная планета слишком мала (в два раза меньше Земли), поэтому ее ядро так быстро остыло. Однако не так давно эта гипотеза был отвергнута.
Сегодня в качестве рабочей принята теория о том, ядро Марса остыло из-за отсутствия тектонических плит. Монолитная кора Марса изолирует ядро и не дает ему сгенерировать магнитное поле. А без него планета оказалась беззащитна перед солнечным ветром, который буквально «сдул» марсианскую атмосферу в космическое пространство и осушил водные ресурсы.
Похожая ситуация произошла и с Венерой — ученые предполагают, что под действием ультрафиолета молекулы воды распались на атомы и были унесены солнечным ветром в межпланетное пространство.
Достают ли до нас космические лучи, когда мы летаем на самолете
Как известно, сила космического излучения зависит от высоты над уровнем моря: то есть чем выше объект над землей, тем более разреженной будет атмосфера и сильнее поток заряженных частиц. В этой связи ставшие уже привычными для нам воздушные перелеты тоже можно считать в какой-то мере опасными путешествиями. Ведь мы поднимается на высоту более 10 тысяч метров, где радиационный фон очень высок.
Корпус и обшивка самолета никак не защищают от радиации космического излучения, поэтому все находящиеся на борту получают микродозу облучения — ее объем зависит от фазы солнечной активности, высоты и широты маршрута. К примеру, полеты вблизи Южного и Северного полюсов приносят самые большие дозы радиации, тогда как средние широты считаются спокойными в радиационном плане.
Пассажиры, которые провели в полете несколько часов, как правило, не получают никакого риска для здоровья. А вот те же члены экипажей, совершающие регулярные рейсы, подвергают себя довольно серьезной опасности. В этой связи у пилотов и других членов экипаж имеется строгое ограничение — не более 90 полетов в месяц, на 20 больше, чем было в советское время.
Есть ли защита от космического излучения у космонавтов
Магнитное поле и атмосфера Земли защищают планету от 99,9% излучений из космоса. Однако для людей, находящихся вне защитного действия земной магнитосферы, космическое излучение становится серьезной опасностью. Для сравнения специалисты приводят такие значения измерений: на Земле человек получает дозу радиации объемом 0,1 миллизиверта в час. В ходе воздушного полета это значение вырастает в 30-40 раз, а на МКС — в 200 раз!
Заведующий отделом обеспечения радиационной безопасности космических полетов ИМБП РАН Вячеслав Шуршаков рассказал, как космонавты спасаются от радиации в условиях внеземного пространства. Как оказалось, на помощь снова приходит магнитосфера. Специалисты научились выстраивать маршруты пилотируемых полетов так, чтобы корабль двигался по низкой орбите под защитой магнитного поля Земли. Оно в сотни раз ослабляет эффект от вспышек на Солнце, и доза облучения повышается максимум в 10-15 раз, тогда как вне магнитосферы или вблизи географических полюсов она возрастает в сотни раз.
Кроме того, для космонавтов существуют нормативы облучения: максимум, который за всю жизнь может получить российский исследователь космоса, — это 1000 миллизиверт. При этом в год им рекомендовано получать не более 200 миллизиверт. Для того чтобы следить за уровнем облучения, существуют специальные приборы — дозиметры и датчики.
«В службе радиационной безопасности пилотируемых космических полетов мы предложили защищать космонавтов, разместив на тонкую наружную стенку специальное изделие. Защитная шторка — это "матрас" с космическими салфетками — марлевой тканью, пропитанной водой и запаянной в полиэтиленовый мешок. Влажные салфетки заменяют душ космонавтам, их можно использовать в качестве дополнительного слоя воды, который защищает космонавта от радиации в отсеках. Вода и полиэтиленовые пластины задерживают вторичные частицы — нейтроны, и доза радиации поглощается эффективнее», — говорит Шуршаков.
Последствия космического излучения для здоровья человека
Высокоэнергетические частицы незаметно проникают в организм облученного радиацией человека и стремительно разрушают клетку за клеткой, разрывая все связи молекул ДНК, отнимая у них способность к регенерации.
На первых порах человек, пораженный радиацией, чувствует слабость, головокружение, тошноту, потерю аппетита, ухудшение работоспособности. Данные симптомы приводят к ряду тяжелых заболеваний. Наиболее чувствительны к проявлению радиации — кожа, хрусталик глаза, легкие, щитовидная железа, костный мозг и кишечник. Так, доза облучения в 1000 миллизиверт может привести к лучевой болезни, в 2000 миллизиверт — увеличивает риск развития онкологических заболеваний.
«Повышенная радиация увеличивает вероятность онкологических заболеваний, появления катаракты, приводит к преждевременному старению организма — в конечном итоге, сокращает продолжительность жизни», — резюмирует Вячеслав Шуршаков.
В 2025 году активность Солнца достигнет максимума, что приведет к учащению магнитных бурь. Как с течением времени меняется уровень солнечной активности, от чего он зависит и как процессы, происходящие на Солнце, влияют на Землю — читайте в статье.
Самое популярное
