~ * Και χωρίς τα φτερά δεν φοβάμαι
το γαλάζιο ζεστή αγκαλιά
στα ψηλά τα βουνά να κοιμάμαι
στο Αιγαίο να δίνω φιλιά.....
Λευτεριά στους ανέμους ζητάω
έχω πάψει να είμαι θνητός
ανεβαίνω ψηλά κι αγαπάω
δίχως σώμα χρυσός αετός.........* ~
Όσο καλά τηλεσκόπια και αν έχουμε τελευταία, δεν υπάρχει κάτι καλύτερο από το να φτάνει ένα διαστημόπλοιο σε κάποιον πλανήτη για να τον φωτογραφήσει και να τον εξετάσει.
Το 1979, το 1980 και το 1981, η ανθρωπότητα είδε για πρώτη φορά τον Κρόνο από κοντά, καθώς τα Pioneer 11, Voyager 1 και Voyager 2 πέρασαν δίπλα από τον αέριο γίγαντα με τους δακτυλίους. Στο πέρασμα του Pioneer,, ανακαλύψαμε τη μαγνητόσφαιρα του Κρόνου και είδαμε δύο νέα φεγγάρια του πλανήτη, με το ένα να συγκρούεται σχεδόν με το διαστημόπλοιο, σύμφωνα με τη NASA.
Με τις εντυπωσιακές εικόνες του Κρόνου, η NASA αποφάσισε το 1997 να πραγματοποιήσει την αποστολή Cassini-Huygens, στέλνοντας ένα ειδικό σκάφος σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο, ώστε να τον μελετήσει πιο αναλυτικά, μαζί με το σύστημα δακτυλιδιών του και τον τρομερά υψηλό αριθμό φεγγαριών του. Με την βοήθεια των βαρυτικών πεδίων της Αφροδίτης, της Γης και του Δία, το σκάφος έφτασε τελικά στον Κρόνο την 1η Ιουλίου 2004. Λόγω της διαδρομής του, το διαστημόπλοιο σχεδιάστηκε για να αντέχει τη θερμότητα περίπου 130°C μέσα στην τροχιά της Αφροδίτης, και στους -210°C γύρω από τον Κρόνο.
Η αποστολή διήρκησε 7 χρόνια και κατά τη διάρκειά της πραγματοποιήθηκαν πολλαπλές πτήσεις δίπλα από τα φεγγάρια του Κρόνου. Μας επέτρεψε να παρατηρήσουμε τις αλλαγές των εποχών σε αυτόν τον γίγαντα αερίων και στο μεγαλύτερο φεγγάρι του, τον Τιτάνα.
«Μερικά από τα πιο εκπληκτικά επιστημονικά ευρήματα προέρχονται από συναντήσεις με τα συναρπαστικά, δυναμικά φεγγάρια του Κρόνου», γράφει η NASA για την αποστολή. Η εν λόγω αποστολή περιλάμβανε την εκτόξευση περιλάμβανε, εκτός από το Cassini, και την εκτόξευση του διαστημοπλοίου Huygens της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, ώστε να περάσει μέσα από την ατμόσφαιρα του Τιτάνα το 2005.
«Οι παρατηρήσεις του Cassini στο μεγαλύτερο φεγγάρι του Κρόνου, τον Τιτάνα, έδωσαν στους επιστήμονες μια γεύση από το πώς θα μπορούσε να ήταν η Γη πριν εξελιχθεί η ζωή. Πιστεύουν τώρα ότι ο Τιτάνας έχει πολλά παράλληλα με τη Γη, όπως λίμνες, ποτάμια, κανάλια, αμμόλοφους, βροχή, σύννεφα, βουνά και πιθανώς ηφαίστεια», αναφέρει η NASA.
To 2008, το Cassini ολοκλήρωσε το χρονοδιάγραμμα της αποστολής του, όμως είχε ακόμα καύσιμα οπότε συνέχισε τις μελέτες. Συνέχισε να βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο, μελετώντας τη δομή των δακτυλίων και τα φεγγάρια του, ενώ χαρτογράφησε και την μαγνητόσφαιρα του πλανήτη. Το 2010 η αποστολή πήρε νέα παράταση, με την αποστολή Cassini Solstice να χρησιμοποιεί το σκάφος για να παρατηρήσει τις αλλαγές του πλανήτη και των φεγγαριών του, από το κλίμα και συγκεκριμένα κατά τη διάρκεια του βόρειου χειμερινού ηλιοστασίου του πλανήτη.
Αυτή ήταν η τελευταία αποστολή του Cassini, όμως οι μηχανικοί της NASA ετοίμασαν «Το Μεγάλο Φινάλε». Σε αυτή τη φάση της ζωής του Cassini, το διαστημόπλοιο πραγματοποίησε 22 καταδύσεις μεταξύ του εσώτατου δακτυλίου του Κρόνου και των κορυφών των νεφών του πλανήτη σε διάστημα πέντε μηνών, παρατηρώντας και καταγράφοντας τον πλανήτη πιο κοντά από ποτέ!
«Κατά καιρούς, το διαστημόπλοιο περνούσε από την εσωτερική άκρη των δακτυλίων. Άλλες φορές, περνούσε από τις εξωτερικές άκρες της ατμόσφαιρας», είπε η NASA . «Ενώ η ομάδα της αποστολής ήταν βέβαιη ότι οι κίνδυνοι ήταν καλά κατανοητοί, θα μπορούσαν να υπάρξουν εκπλήξεις. Ήταν το είδος της τολμηρής περιπέτειας που μπορούσε να αναληφθεί μόνο στο τέλος της αποστολής».
Μετά από αυτό, το σκάφος βούτηξε μέσα στον αέριο γίγαντα και έγινε μέρος του πλανήτη, ώστε να προστατεύσει τα φεγγάρια του από ενδεχόμενη σύγκρουση.
«Έχοντας ξοδέψει σχεδόν κάθε κομμάτι του προωθητικού πυραύλου που μετέφερε στον Κρόνο, οι χειριστές βύθισαν σκόπιμα το Cassini στον πλανήτη για να διασφαλίσουν ότι τα φεγγάρια του Κρόνου θα παραμείνουν παρθένα για μελλοντική εξερεύνηση – ιδιαίτερα, το καλυμμένο με πάγο, ωκεανό φεγγάρι Εγκέλαδος, αλλά και ο Τιτάνας, με την ενδιαφέρουσα προ-βιοτική χημεία του», πρόσθεσε η NASA. «Το σχέδιο για αυτή τη φάση της αποστολής ήταν να ξοδευτεί όλο το προωθητικό του διαστημικού σκάφους κατά την εξερεύνηση του Κρόνου, καταλήγοντας σε μια βύθιση στην ατμόσφαιρα του πλανήτη».
Το σκάφος πριν την απότομη βουτιά, μας έστειλε και τις τελευταίες φωτογραφίες του από του δακτυλίους, μαζί με μια κάπως θολή εικόνα από τον Τιτάνα και τον εγκέλαδο, να δύουν πίσω από τον Κρόνο.
Η τελευταία του λήψη ήταν το σημείο που θα έκανε και την τελική κάθοδο και έδειχνε το σημείο που θα έπεφτε στο Cassini, πριν βυθιστεί στα αέρια του πλανήτη.
«Αυτή η μονόχρωμη εικόνα είναι η τελευταία που τραβήχτηκε από τις κάμερες απεικόνισης του διαστημοπλοίου Cassini της NASA», εξηγεί η NASA για την εικόνα. «Κοιτάζει προς την νυχτερινή πλευρά του πλανήτη, η οποία φωτίζεται από το ανακλώμενο φως από τους δακτυλίους, και δείχνει την τοποθεσία στην οποία το διαστημόπλοιο θα εισέλθει στην ατμόσφαιρα του πλανήτη ώρες αργότερα».
Οι τελευταίες καταδύσεις στον Κρόνο παρείχαν στη NASA δεδομένα για τα μαγνητικά πεδία και τη βαρύτητα του Κρόνου, ενώ βελτίωσαν επίσης τις γνώσεις μας για την ποσότητα του υλικού που αποτελεί το σύστημα δακτυλίων του. Το Cassini πραγματοποίησε 293 τροχιές και στις 15 Σεπτεμβρίου 2017, έστειλε τα τελευταία του δεδομένα πίσω στη Γη. Δε θα μάθουμε ποτέ τι έγινε όταν μπήκε μέσα στον αέριο γίγαντα, όμως πιθανότατα το σκάφος διαλύθηκε περίπου ένα λεπτό μετά από αυτό, χτυπημένο από την ατμόσφαιρα του πλανήτη.
Μέλος της ομάδας του Cassini ήταν ο μεγάλος Σταμάτης Κριμιζής, που είχε αναλάβει το ΜΙΜΙ, το όργανο απεικόνισης της μαγνητόσφαιρας.
Μια άκρως σημαντική εξέλιξη η οποία θα μπορούσε να θεωρηθεί κιόλας ότι είναι βγαλμένη από ταινία επιστημονικής φαντασίας. Η NASA έκανε ένα πολύ μεγάλο βήμα όσον αφορά την επικοινωνία στο χώρο του διαστήματος, μεταφέροντας ένα μήνυμα με τη χρήση laser από το σκάφος Psyche στη Γη, σε απόσταση 16.000.000 χιλιόμετρα μακριά. Πρόκειται για έναν σταθμό στον τρόπο με τον οποίο στέλνουμε πληροφορίες στο διάστημα και αποτελεί μέρος του προγράμματος Deep Space Optical Communications Experiment (DSOC).
Έχοντας κάνει το ντεμπούτο του τον Οκτώβριο του 2023, το σκάφος Psyche βρίσκεται καθ οδόν να γνωρίσει έναν πλούσιο σε μέταλλα αστεροειδή μεταξύ Άρη και Δία. Αλλά ακόμη πριν φθάσει εκεί και γράψει τη δική του ιστορία, το σκάφος πέτυχε κάτι πολύ σημαντικό. Να στείλει δεδομένα με lasers πίσω στη Γη.
Η εν λόγω τεχνολογία επιτρέπει στη NASA να μεταφέρει δεδομένα κατά 10 – 100 φορές πιο γρήγορα σε σχέση με τα ραδιοκύματα. Με τα lasers, μπορούμε να περιμένουμε σχεδόν σε πραγματικό χρόνο μετάδοση δεδομένων ακόμη και video streaming από μακρινούς πλανήτες.
Το μήνυμα που έστειλε το Psyche με laser
Στις 14 Νοεμβρίου του 2023, το Psyche έγραψε τη δική του ιστορία πετυχαίνοντας να στείλει το σήμα πίσω στο Hale Telecope στη Καλιφόρνια. Για να κατανοήσουμε το μέγεθος του επιτεύγματος θα πρέπει να σημειώσουμε ότι απαιτείται περίπου διάστημα 50 λεπτών για να ταξιδέψει το φως. Η ευθυγράμμιση του laser με έναν στόχο που κινείται γρήγορα σε τόσο μεγάλη απόσταση έχει απίστευτες προκλήσεις. τα συστήματα της NASA και όμως το πέτυχαν παρά την κίνηση του στόχου, την περιστροφή της Γης και το κενό του διαστήματος. Και μάλιστα, η τεχνολογία αυτή όχι μόνο μεταφέρει δεδομένα, αλλά μπορεί και να συμπιέσει.
Η επιτυχία και το μέλλον
Ακριβώς αυτή η δοκιμή δεν αφορά μόνο μια αποστολή ή απλά ένα σκάφος. Βάζει τα θεμέλια για το μέλλον της διαστημικής εξερεύνησης. Σύντομα οι αστροναύτες ίσως θα μπορούν να κάνουν video κλήσεις σχεδόν σε πραγματικό χρόνο με τα κέντρα ελέγχου, ενώ και οι μη επανδρωμένες αποστολές θα έχουν στη διάθεσή τους τη δυνατότητα να εκμεταλλευθούν αυτές τις πιο γρήγορες ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, επιτρέποντας πιο γρήγορη επιστημονική ανάλυση και πιο γρήγορες λήψεις αποφάσεων.
Τίποτα όμως δεν τελειώνει εδώ. Μόλις η αποστολή φθάσει στον προορισμό της το 2028, το σκάφος θα μελετήσει έναν αστεροειδή πλούσιο σε μέταλλα δίνοντας απαντήσεις για τις πρώτες στιγμές δημιουργίας πλανητών.
Το 1977 το πιο αγαπητό διαστημόπλοιο στην ανθρωπότητας, το Voyager 1 εκτοξεύθηκε από τη Γη για να μελετήσει το ηλιακό μας σύστημα για πρώτη φορά, αλλά και πέρα από αυτό. Τώρα, το Voyager 1 έπεσε σε ένα τείχος φωτιάς, με θερμοκρασίες 30.000-50.000 βαθμών Κελσίου!
Τα σύνορα του Ηλιακού μας συστήματος μπορούν να οριστούν με διάφορους τρόπους. Κάποιος θα μπορούσε να πει πως βρίσκονται εκεί που περιφέρεται ο μακρινότερος πλανήτης ή θα μπορούσε να είναι στο Νέφος Όορτ, το όριο της βαρυτικής επιρροής του Ήλιου. Ο πιο σωστός όμως τρόπος είναι ίσως η άκρη του μαγνητικού πεδίου του Ήλιου, που κρατάει μακριά το διαστρικό μέσο.
«Το όριο μεταξύ του ηλιακού ανέμου και του διαστρικού ανέμου είναι η ηλιόπαυση, όπου η πίεση των δύο ανέμων βρίσκεται σε ισορροπία. Αυτή η ισορροπία πίεσης προκαλεί την επιστροφή του ηλιακού ανέμου και τη ροή του κατά μήκος της ουράς της ηλιόσφαιρας», εξηγεί η NASA.
«Καθώς η ηλιόσφαιρα διασχίζει τον διαστρικό χώρο, σχηματίζεται ένα τοξοειδές κύμα, παρόμοιο με αυτό που σχηματίζεται όταν ένα πλοίο διασχίζει τον ωκεανό».
Το Voyager 1 πέρασε την ηλιόσφαιρα στις 25 Αυγούστου του 2012, ενώ λίγο μετά ακολούθησε το Voyager 2, το 2018. Πριν το Voyager 1 δεν είχαμε ιδέα που βρίσκεται το όριο του ηλιακού μας συστήματος, όμως όταν το σκάφος πέρασε την ηλιόπαυση, οι αισθητήρες του σκάφους κατάλαβαν την διαφορά. Το ότι το Voyager 1 και το 2 ανίχνευσαν τα όρια του ηλιακού συστήματος σε διαφορετικές αποστάσεις από τον Ήλιο, μας επιτρέπει να προβλέψουμε με καλή ακρίβεια τα σύνορα.
«Οι επιστήμονες ανέμεναν ότι η άκρη της ηλιόσφαιρας, που ονομάζεται ηλιόπαυση, μπορεί να κινείται καθώς αλλάζει η δραστηριότητα του Ήλιου, σαν ένας πνεύμονας που διαστέλλεται και συστέλλεται με την αναπνοή», εξηγεί μια δήλωση της NASA . «Αυτό ήταν σύμφωνο με το γεγονός ότι οι δύο ανιχνευτές συνάντησαν την ηλιόπαυση σε διαφορετικές αποστάσεις από τον Ήλιο».
Αν και δεν πρόκειται για σκληρή άκρη ή «τοίχο» όπως έχει μερικές φορές ονομαστεί, και τα δύο διαστημόπλοια μέτρησαν θερμοκρασίες 30.000-50.000 βαθμών Κελσίου, γι’ αυτό και μερικές φορές αναφέρεται και ως « τοίχος φωτιάς ». Το σκάφος επέζησε του τείχος, καθώς, αν και τα σωματίδια που μέτρησαν ήταν εξαιρετικά ενεργητικά, οι πιθανότητες σύγκρουσης σε αυτήν την περιοχή του διαστήματος με τα αραιά σωματίδια είναι τόσο χαμηλές που δεν μπορούσε να μεταφερθεί αρκετή θερμότητα στα σκάφη.
Πλέον, τα δύο σκάφη στέλνουν πολύτιμα δεδομένα από τον διαστρικό χώρο, μετά το τείχος της φωτιάς, καθώς είναι τα μόνα σκάφη της ανθρωπότητας που έχουν βγει από το ηλιακό μας σύστημα μέχρι στιγμής. Βέβαια, χρειάστηκαν σχεδόν 50 χρόνια για να φτάσουν σε τόσο μεγάλες αποστάσεις και συγκεκριμένα σύντομα το Voyager 1 θα φτάσει σε απόσταση 1 ημέρας φωτός.
«Μια παρατήρηση από το όργανο μαγνητικού πεδίου του Voyager 2 επιβεβαιώνει ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα από το Voyager 1: Το μαγνητικό πεδίο στην περιοχή ακριβώς πέρα από την ηλιόπαυση είναι παράλληλο με το μαγνητικό πεδίο μέσα στην ηλιόσφαιρα», εξήγησε η NASA, λίγο μετά από μια τέτοια έκπληξη.
«Με το Voyager 1, οι επιστήμονες είχαν μόνο ένα δείγμα αυτών των μαγνητικών πεδίων και δεν μπορούσαν να πουν με βεβαιότητα αν η φαινομενική ευθυγράμμιση ήταν χαρακτηριστική ολόκληρης της εξωτερικής περιοχής ή απλώς σύμπτωση. Οι παρατηρήσεις του μαγνητόμετρου του Voyager 2 επιβεβαιώνουν το εύρημα του Voyager 1 και δείχνουν ότι τα δύο πεδία ευθυγραμμίζονται.»
Ο Kristian Olaf Bernhard Birkeland (13 Δεκεμβρίου 1867 – 15 Ιουνίου 1917) ήταν Νορβηγός επιστήμονας που αποκαλείται «ο πρώτος επιστήμονας του διαστήματος» και «ο πατέρας των πειραμάτων πλάσματος στο εργαστήριο και το διάστημα» . Είναι ίσως πιο γνωστός για την επιστημονική του εργασία σχετικά με το σέλας χρησιμοποιώντας μια τερέλα (μια μαγνητισμένη σφαίρα) και ως εφευρέτη ενός ηλεκτρομαγνητικού κανονιού και, μια μέθοδο ηλεκτρικής παραγωγής τεχνητού λιπάσματος. Έγινε επίσης τακτικός καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Όσλο σε ηλικία 31 ετών.
Η Birkeland είχε επίσης δημοσιεύσει αστροφυσική έρευνα σχετικά με τις καθοδικές ακτίνες, τα Ζωδιακά φώτα, κομήτες, τον Ήλιο και τις ηλιακές κηλίδες, την προέλευση των πλανητών και των δορυφόρων τους, τον μαγνητισμό της Γης.
Μερικές από τις άλλες συνεισφορές του Birkeland στην επιστήμη περιελάμβαναν: • Παρήγαγε τη γενική έκφραση για το διάνυσμα Poynting • Έδωσε την πρώτη γενική λύση στις εξισώσεις του Maxwell • Πρωτοπόρος στο πεδίο των δεσμών φορτισμένων σωματιδίων • Χρησιμοποίησε την έννοια της «διαμήκους μάζας • Κατασκεύασε τις πρώτες διόδους αλουμινίου • Πρωτοπόρος στον τομέα της φωτογραφίας ορατού φωτός των ηλεκτρικών εκκενώσεων • Υποστήριξε κινητήρες πρόωσης φορτισμένων σωματιδίων για διαστημικά ταξίδια • Δημιούργησε τη βιομηχανία αζωτούχων λιπασμάτων της Norsk Hydro (η μέθοδος Birkeland-Eyde για την παραγωγή νιτρικού καλίου) • Εφηύρε ένα πυροβόλο ηλεκτρομαγνητικό σιδηροδρομικό όπλο ικανό να εκτοξεύει ένα βλήμα 10 κιλών • Ίδρυσε την εταιρεία πυροβόλων όπλων της Birkeland • Αναμενόμενες κοσμικές ακτίνες (ανακαλύφθηκαν το 1911) με τους υπολογισμούς του που αφορούσαν ενέργειες πολλών δισεκατομμυρίων ηλεκτρον βολτ • Κατείχε διπλώματα ευρεσιτεχνίας για το ηλεκτρικό, blanketnon, το ηλεκτρομαγνητικό δοχείο , στερεή μαργαρίνη και ακουστικά βαρηκοΐας.
Το 1969, όταν εντοπίστηκαν ρεύματα ευθυγράμμισης πεδίου στην ατμόσφαιρα της Γης, ονομάστηκαν προς τιμήν του: ρεύματα Birkeland .
Διερεύνηση της σέλας
Μετά από ενθάρρυνση από τον καθηγητή των μαθηματικών του, ο Birkeland αγόρασε μια ράβδο μαγνητικής και διάβασε για τη μελέτη του William Gilbert (1544-1603) για τον μαγνητισμό της Γης και την τερέλα του κατασκευασμένη από φυσικά μαγνητισμένο lodestone. Ο Gilbert υπέθεσε ότι η Γη ήταν σαν ένας μαγνήτης ράβδου του οποίου ο μαγνητισμός ήταν κατά κάποιο τρόπο συνδεδεμένος με τον ηλεκτρισμό.
Οργάνωσε πολλές αποστολές σε περιοχές μεγάλου πλάτους της Νορβηγίας όπου ίδρυσε ένα δίκτυο παρατηρητηρίων κάτω από τις περιοχές του σέλας για τη συλλογή δεδομένων μαγνητικού πεδίου. Τα αποτελέσματα της Νορβηγικής πολικής αποστολής που διεξήχθη από το 1899 έως το 1900 περιείχαν τον πρώτο προσδιορισμό του παγκόσμιου μοτίβου των ηλεκτρικών ρευμάτων στην πολική περιοχή από μετρήσεις μαγνητικού πεδίου εδάφους. Η ανακάλυψη των ακτίνων Χ ενέπνευσε τον Birkeland να αναπτύξει θαλάμους κενού για να μελετήσει την επίδραση των μαγνητών στις καθοδικές ακτίνες. Ένα παράδειγμα ενός από τα πειράματά του απεικονίζεται στο αριστερό μπροστινό μέρος του τραπεζογραμματίου. Δείχνει μια μαγνητισμένη τερέλα , που προσομοιώνει τη Γη, αιωρούμενη σε ένα εκκενωμένο κουτί. Ο Birkeland παρατήρησε ότι μια δέσμη ηλεκτρονίων που κατευθύνεται προς την τερέλα οδηγήθηκε προς τους μαγνητικούς πόλους και παρήγαγε δακτυλίους φωτός γύρω από τους πόλους και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το σέλας θα μπορούσε να παραχθεί με παρόμοιο τρόπο. Ανέπτυξε μια θεωρία στην οποία ενεργητικά ηλεκτρόνια εκτοξεύονταν από ηλιακές κηλίδες στην ηλιακή επιφάνεια, κατευθύνονταν στη Γη και οδηγήθηκαν στις πολικές περιοχές της Γης από το γεωμαγνητικό πεδίο όπου παρήγαγαν το ορατό σέλας. Ο Birkeland προτάθηκε για το βραβείο Νόμπελ τουλάχιστον επτά φορές.
Κοσμικές θεωρίες
Το 1913, ο Birkeland μπορεί να ήταν ο πρώτος που προέβλεψε ότι το πλάσμα ήταν πανταχού παρόν στο διάστημα. Έγραψε: «Φαίνεται να είναι μια φυσική συνέπεια των απόψεών μας να υποθέσουμε ότι ολόκληρος ο χώρος είναι γεμάτος με ηλεκτρόνια και ιπτάμενα ηλεκτρικά ιόντα κάθε είδους. Υποθέσαμε ότι κάθε αστρικό σύστημα στις εξελίξεις εκτοξεύει ηλεκτρικά σωματίδια στο διάστημα. Δεν φαίνεται λοιπόν παράλογο να πιστεύουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος των υλικών μαζών στο σύμπαν βρίσκεται, όχι στα ηλιακά συστήματα ή στα νεφελώματα, αλλά στον «κενό» χώρο.
Το 1916, ο Birkeland ήταν πιθανώς ο πρώτος άνθρωπος που πρόβλεψε με επιτυχία ότι ο ηλιακός άνεμος συμπεριφέρεται όπως όλα τα φορτισμένα σωματίδια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, «Από φυσική άποψη είναι πολύ πιθανό ότι αυτές οι νέες ηλιακές ακτίνες δεν είναι ούτε αποκλειστικά αρνητικές ούτε θετικές , αλλά και των δύο ειδών». Με άλλα λόγια, ο Ηλιακός Άνεμος αποτελείται τόσο από αρνητικά ηλεκτρόνια όσο και από θετικά ιόντα.
Ρεύματα «Birkeland» ευθυγραμμισμένα στο πεδίο
Ο Birkeland πρότεινε ότι τα πολικά ηλεκτρικά ρεύματα - που σήμερα αναφέρονται ως ηλεκτροπίδακες σέλας - συνδέονταν με ένα σύστημα ρευμάτων που έρεαν κατά μήκος των γραμμών γεωμαγνητικού πεδίου προς και μακριά από την πολική περιοχή. Παρείχε ένα διάγραμμα ευθυγραμμισμένων ρευμάτων πεδίου στο βιβλίο του, « The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 ». Αυτό το διάγραμμα αναπαράγεται στο πίσω μέρος του τραπεζογραμματίου στην κάτω δεξιά γωνία. Αυτό το βιβλίο περιέχει κεφάλαια για τις μαγνητικές καταιγίδες στη Γη και τη σχέση τους με τον Ήλιο, την προέλευση του ίδιου του Ήλιου, τους κομήτες και τους δακτυλίους του Κρόνου. Το όραμα του Birkeland για τα ευθυγραμμισμένα ρεύματα έγινε η πηγή μιας διαμάχης που συνεχίστηκε για ένα τέταρτο του αιώνα, επειδή η ύπαρξή τους δεν μπορούσε να επιβεβαιωθεί μόνο από επίγειες μετρήσεις.
Η απόλυτη απόδειξη των ρευμάτων ευθυγράμμισης πεδίου του Birkeland θα μπορούσε να προέλθει μόνο από παρατηρήσεις που έγιναν πάνω από την ιονόσφαιρα με δορυφόρους. Ένα μαγνητόμετρο σε έναν δορυφόρο πλοήγησης του αμερικανικού ναυτικού που εκτοξεύτηκε το 1963 παρατήρησε μαγνητικές διαταραχές σχεδόν σε κάθε πέρασμα πάνω από τις περιοχές μεγάλου γεωγραφικού πλάτους της Γης.
Οι μαγνητικές διαταραχές αρχικά ερμηνεύτηκαν ως υδρομαγνητικά κύματα, αλλά σύντομα έγινε αντιληπτό ότι οφείλονταν σε ρεύματα ευθυγραμμισμένα με το πεδίο ή σε ρεύματα Birkeland. Ο πρώτος πλήρης χάρτης της στατιστικής θέσης των ρευμάτων Birkeland στην πολική περιοχή της Γης αναπτύχθηκε το 1974 από τους AJ Zmuda και JC Armstrong και βελτιώθηκε το 1976 από τους T. Iijima και TA Potemra από δορυφορικές παρατηρήσεις μαγνητικού πεδίου.
Ο δακτύλιος που περιβάλλει τον μαγνητικό πόλο που απεικονίζεται στο πίσω μέρος του χαρτονομίσματος είναι παρόμοιος με τα μοτίβα του Birkeland και το ρεύμα που προέρχεται από δορυφόρους. Το πρόσωπο του Birkeland εμφανίζεται για δεύτερη φορά σε ένα υδατογράφημα στον κενό χώρο πάνω από το σχέδιο της Terrella, και η υποτυπώδης μαγνητόσφαιρά του εμφανίζεται στο πίσω μέρος αλλά είναι ορατή μόνο κάτω από το υπεριώδες φως.
Εισαγωγικά
Φαίνεται ότι είναι φυσικό επακόλουθο των απόψεών μας να υποθέσουμε ότι ολόκληρος ο χώρος είναι γεμάτος με ηλεκτρόνια και ιπτάμενα ηλεκτρικά ιόντα κάθε είδους. — Κρίστιαν Μπίρκλαντ
Πολύ λίγοι μοναχικοί πρωτοπόροι κατευθύνονται σε ψηλά μέρη που δεν έχουν επισκεφτεί ποτέ στο παρελθόν. . . δημιουργούν τις συνθήκες διαβίωσης της ανθρωπότητας και η πλειοψηφία ζει με τη δουλειά τους. — Κρίστιαν Μπίρκλαντ
Οι ζώνες Βαν Άλεν αποτελούνται από σωματίδια με μεγάλο ηλεκτρικό φορτίο που παγιδεύτηκαν από το μαγνητικό πεδίο ενός πλανήτη. Βρίσκονται όμως πολύ υψηλότερα από την θερμόσφαιρα. Η κάθε ζώνη απ΄ αυτές έχει το σχήμα ενός πελώριου δακτυλιδιού, και που η μία βρίσκεται στο εσωτερικό της άλλης. Το δε ισχυρότερο τμήμα της εσωτερικής ζώνης βρίσκεται γύρω στα 3.200 χλμ. από την επιφάνεια. Η προέλευσή της, πιθανολογείται ότι οφείλεται στην ακτινοβολιακή ή ακτιενεργό δράση του Ήλιου, ενώ η ύπαρξη της εξωτερικής ζώνης κρίνεται πως έχει ηλιακή και κοσμική καταγωγή. Η ισχυρότερη περιοχή της δεύτερης βρίσκεται γύρω στα 16.000 χλμ. πάνω από τον Ισημερινό της Γης.
Στο ερώτημα επί της Διαστημικής πως είναι δυνατόν να γίνονται διαστημικά ταξίδια όταν αφενός στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας υπάρχουν τόσο μεγάλες θερμοκρασίες (στη θερμόσφαιρα) και από την άλλη οι καταστρεπτικές για την ζωή του ανθρώπου ζώνες Βαν Άλεν, η απάντηση είναι πως τα σωματίδια του αέρα στη θερμόσφαιρα είναι τόσο ελάχιστα σε αριθμό και μικροσκοπικά που δεν λαμβάνονται υπόψη στα επανδρωμένα ταξίδια. Οι πραγματικές δυσκολίες στη ζωή των αστροναυτών υφίστανται κατά την επιστροφή τους στις ζώνες Βαν Άλεν. Για να υπερπηδηθούν οι επικίνδυνες αυτές ζώνες λαμβάνονται διάφορα προστατευτικά μέτρα. Ήδη υπάρχει ακόμη η σκέψη όταν πυκνώσουν τα διαστημικά ταξίδια να γίνονται οι εκτοξεύσεις από τους πόλους της Γης, υπεράνω των οποίων οι ζώνες Βαν Άλεν παρουσιάζουν τις μικρότερες τιμές.
Πρώτος που μελέτησε τις ζώνες αυτές ήταν ο Τζέιμς Βαν Άλεν, εκ του οποίου και έλαβαν το όνομά τους και αποτελούν μία από τις πλέον σημαντικές πληροφορίες που μετέδωσαν οι πρώτοι τεχνητοί δορυφόροι από απόσταση πέρα και έξω από τα όρια της ατμόσφαιρας.
Ανακάλυψη
Ο Kristian Birkeland, ο Carl Størmer, ο Νικόλαος Χριστόφιλος και ο Enrico Medi είχαν ερευνήσει την πιθανότητα παγιδευμένων φορτισμένων σωματιδίων πριν από τη Διαστημική Εποχή. Ο δεύτερος σοβιετικός δορυφόρος Sputnik 2, ακολουθούμενος από τους δορυφόρους των ΗΠΑ Explorer 1 και Explorer 3, επιβεβαίωσε την ύπαρξη των ζωνών στις αρχές του 1958, που αργότερα πήραν το όνομά τους από τον James Van Allen από το Πανεπιστήμιο της Αϊόβα. Η παγιδευμένη ακτινοβολία χαρτογραφήθηκε για πρώτη φορά από τους Explorer 4, Pioneer 3 και Luna 1.
Ο όρος ζώνες Van Allen αναφέρεται συγκεκριμένα στις ζώνες ακτινοβολίας που περιβάλλουν τη Γη. Ωστόσο, παρόμοιες ζώνες ακτινοβολίας έχουν ανακαλυφθεί γύρω από άλλους πλανήτες. Ο Ήλιος δεν υποστηρίζει μακροχρόνιες ζώνες ακτινοβολίας, καθώς του λείπει ένα σταθερό, παγκόσμιο διπολικό πεδίο. Η ατμόσφαιρα της Γης περιορίζει τα σωματίδια των ζωνών σε περιοχές άνω των 200–1.000 km, (124–620 μίλια) ενώ οι ζώνες δεν εκτείνονται πέρα από τις 8 γήινες ακτίνες RE.Οι ζώνες περιορίζονται σε έναν όγκο που εκτείνεται περίπου 65° εκατέρωθεν του ουράνιου ισημερινού.
Έρευνα
Η αποστολή διερεύνησης των ζωνών Van Allen της NASA στοχεύει στην κατανόηση (στο βαθμό της προβλεψιμότητας) του πώς σχηματίζονται ή αλλάζουν πληθυσμοί σχετικιστικών ηλεκτρονίων και ιόντων στο διάστημα ως απόκριση στις αλλαγές στην ηλιακή δραστηριότητα και στον ηλιακό άνεμο. Μελέτες που χρηματοδοτούνται από το Ινστιτούτο Προηγμένων Έννοιών της NASA έχουν προτείνει μαγνητικούς συλλέκτες για τη συλλογή αντιύλης που απαντάται φυσικά στις ζώνες Van Allen της Γης, αν και υπολογίζεται ότι υπάρχουν μόνο περίπου 10 μικρογραμμάρια αντιπρωτονίων σε ολόκληρη τη ζώνη.
Η αποστολή Van Allen Probes εκτοξεύτηκε επιτυχώς στις 30 Αυγούστου 2012. Η κύρια αποστολή ήταν προγραμματισμένη να διαρκέσει δύο χρόνια με αναμενόμενη διάρκεια τα τέσσερα. Οι ανιχνευτές απενεργοποιήθηκαν το 2019 αφού τελείωσαν τα καύσιμα και αναμένεται να απομακρυνθούν από τη τροχιά κατά τη δεκαετία του 2030. Το Goddard Space Flight Center της NASA διαχειρίζεται το πρόγραμμα Living With a Star — έργο του οποίου ήταν οι ανιχνευτές Van Allen, μαζί με το Solar Dynamics Observatory (SDO). Το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής ήταν υπεύθυνο για την εγκατάσταση και τη διαχείριση μετριτικών οργάνων για τους ανιχνευτές Van Allen.
Ζώνες ακτινοβολίας υπάρχουν γύρω από άλλους πλανήτες και φεγγάρια στο ηλιακό σύστημα που έχουν μαγνητικά πεδία αρκετά ισχυρά για να τα συντηρούν. Μέχρι σήμερα, οι περισσότερες από αυτές τις ζώνες ακτινοβολίας έχουν χαρτογραφηθεί ανεπαρκώς. Το πρόγραμμα Voyager (δηλαδή το Voyager 2) επιβεβαίωσε μόνο ονομαστικά την ύπαρξη παρόμοιων ζωνών γύρω από τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα.
Οι γεωμαγνητικές καταιγίδες μπορούν να προκαλέσουν την αύξηση ή τη μείωση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων σχετικά γρήγορα (δηλαδή, περίπου μία ημέρα ή λιγότερο). Διαδικασίες μεγαλύτερης διάρκειας καθορίζουν τη συνολική διαμόρφωση των ζωνών. Αφού η έγχυση ηλεκτρονίων αυξάνει την πυκνότητα ηλεκτρονίων, η πυκνότητα ηλεκτρονίων συχνά παρατηρείται να διασπάται εκθετικά. Αυτές οι σταθερές χρόνου αποσύνθεσης ονομάζονται «χρόνοι ζωής». Οι μετρήσεις από το φασματόμετρο ιόντων μαγνητικών ηλεκτρονίων του Van Allen Probe B (MagEIS) δείχνουν μεγάλες ζωές ηλεκτρονίων (δηλαδή μεγαλύτερες από 100 ημέρες) στον εσωτερικό της ζώνης. Μικροί χρόνοι ζωής ηλεκτρονίων περίπου μιας ή δύο ημερών παρατηρούνται στην "σχισμή" μεταξύ των ζωνών. Και οι ενεργειακά εξαρτώμενες ζωές ηλεκτρονίων από περίπου πέντε έως 20 ημέρες βρίσκονται στην εξωτερική ζώνη.
Εσωτερική ζώνη
Σχέδιο διατομής δύο ζωνών ακτινοβολίας γύρω από τη Γη: η εσωτερική ζώνη (κόκκινη) που κυριαρχείται από πρωτόνια και η εξωτερική (μπλε) από ηλεκτρόνια. Πηγή εικόνας: NASA.
Η εσωτερική ζώνη Van Allen εκτείνεται συνήθως από υψόμετρο 0,2 έως 2 γήινες ακτίνες (τιμές L από 1,2 έως 3) ή 1.000 km (620 mi) έως 12.000 km (7.500 mi) πάνω από τη Γη. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όταν η ηλιακή δραστηριότητα είναι ισχυρότερη ή σε γεωγραφικές περιοχές όπως η ανωμαλία του Νότιου Ατλαντικού, το εσωτερικό όριο μπορεί να μειωθεί σε περίπου 200 km πάνω από την επιφάνεια της Γης. Η εσωτερική ζώνη περιέχει υψηλές συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων στην περιοχή των εκατοντάδων keV και ενεργητικά πρωτόνια με ενέργειες που υπερβαίνουν τα 100 MeV—παγιδευμένα από τα σχετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία στην περιοχή (σε σύγκριση με την εξωτερική ζώνη).
Θεωρείται ότι οι ενέργειες πρωτονίων που υπερβαίνουν τα 50 MeV στις χαμηλότερες ζώνες σε χαμηλότερα υψόμετρα είναι το αποτέλεσμα της βήτα διάσπασης των νετρονίων που δημιουργούνται από συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων με πυρήνες της ανώτερης ατμόσφαιρας. Η πηγή των πρωτονίων χαμηλότερης ενέργειας πιστεύεται ότι είναι η διάχυση πρωτονίων, λόγω αλλαγών στο μαγνητικό πεδίο κατά τη διάρκεια γεωμαγνητικών καταιγίδων.
Λόγω της ελαφριάς μετατόπισης των ζωνών από το γεωμετρικό κέντρο της Γης, η εσωτερική ζώνη Βαν Άλεν κάνει την πλησιέστερη προσέγγιση στην επιφάνεια στην ανωμαλία του Νότιου Ατλαντικού.
Τον Μάρτιο του 2014, ένα σχέδιο που μοιάζει με «ρίγες ζέβρας» παρατηρήθηκε στις ζώνες ακτινοβολίας από το Radiation Belt Storm Probes Ion Composition Experiment (RBSPICE) επί των ανιχνευτών Van Allen. Η αρχική θεωρία που προτάθηκε το 2014 ήταν ότι -λόγω της κλίσης στον άξονα του μαγνητικού πεδίου της Γης- η περιστροφή του πλανήτη δημιούργησε ένα ταλαντούμενο, ασθενές ηλεκτρικό πεδίο που διαπερνά ολόκληρη την εσωτερική ζώνη ακτινοβολίας. Αντίθετα, μια μελέτη του 2016 κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι ρίγες της ζέβρας ήταν ένα αποτύπωμα ιονοσφαιρικών ανέμων στις ζώνες ακτινοβολίας.
Εξωτερική ζώνη
Εργαστηριακή προσομοίωση της επίδρασης της ζώνης Van Allen στον Ηλιακό Άνεμο. Τα ρεύματα Birkeland που μοιάζουν με σέλας δημιουργήθηκαν από τον επιστήμονα Kristian Birkeland στην terrella του, μια μαγνητισμένη σφαίρα ανόδου σε έναν εκκενωμένο θάλαμο
Η εξωτερική ζώνη αποτελείται κυρίως από ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας (0,1–10 MeV) παγιδευμένα από τη μαγνητόσφαιρα της Γης. Είναι πιο μεταβλητή από την εσωτερική ζώνη, καθώς επηρεάζεται πιο εύκολα από την ηλιακή δραστηριότητα. Έχει σχεδόν δακτυλιοειδές σχήμα, ξεκινά από υψόμετρο 3 ακτίνων της γης και εκτείνεται σε 10 ακτίνες της γης (RE)—13.000 έως 60.000 χιλιόμετρα (8.100 έως 37.300 μίλια) πάνω από την επιφάνεια της Γης 4 έως 5 RE. Η εξωτερική ζώνη ακτινοβολίας ηλεκτρονίων παράγεται ως επί το πλείστον με ακτινική διάχυση προς τα μέσα και τοπική επιτάχυνση λόγω μεταφοράς ενέργειας από κύματα πλάσματος τύπου whistler στα ηλεκτρόνια της ζώνης ακτινοβολίας. Τα ηλεκτρόνια της ζώνης ακτινοβολίας απομακρύνονται επίσης συνεχώς από συγκρούσεις με την ατμόσφαιρα της Γης, με απώλειες στη μαγνητόπαυση και την ακτινική τους διάχυση προς τα έξω. Η γυροακτίνση των ενεργητικών πρωτονίων θα ήταν αρκετά μεγάλη ώστε να τα φέρουν σε επαφή με την ατμόσφαιρα της Γης. Μέσα σε αυτή τη ζώνη, τα ηλεκτρόνια έχουν υψηλή ροή και στο εξωτερικό άκρο (κοντά στη μαγνητόπαυση), όπου οι γραμμές γεωμαγνητικού πεδίου ανοίγουν στη γεωμαγνητική "ουρά", η ροή των ενεργειακών ηλεκτρονίων μπορεί να πέσει στα χαμηλά διαπλανητικά επίπεδα εντός περίπου 100 km (62 μίλια)—μείωση κατά 1.000.
Το 2014, ανακαλύφθηκε ότι το εσωτερικό άκρο της εξωτερικής ζώνης χαρακτηρίζεται από μια πολύ απότομη μετάβαση, κάτω από την οποία δεν μπορούν να διεισδύσουν ηλεκτρόνια υψηλής σχετικότητας (> 5 MeV). Ο λόγος αυτής της συμπεριφοράς που μοιάζει με ασπίδα δεν είναι καλά κατανοητός.
Ο πληθυσμός των παγιδευμένων σωματιδίων της εξωτερικής ζώνης ποικίλλει, καθώς περιέχει ηλεκτρόνια και διάφορα ιόντα. Τα περισσότερα από τα ιόντα έχουν τη μορφή ενεργητικών πρωτονίων, αλλά ένα ορισμένο ποσοστό είναι σωματίδια άλφα και ιόνταοξυγόνου O+ — παρόμοια με αυτά στην ιονόσφαιρα, αλλά πολύ πιο ενεργητικά. Αυτό το μείγμα ιόντων υποδηλώνει ότι τα σωματίδια του ρεύματος δακτυλίου πιθανότατα προέρχονται από περισσότερες από μία πηγές.
Η εξωτερική ζώνη είναι μεγαλύτερη από την εσωτερική ζώνη και ο πληθυσμός των σωματιδίων της παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις. Οι ενεργητικές ροές σωματιδίων (ακτινοβολίας) μπορούν να αυξηθούν και να μειωθούν δραματικά ως απόκριση σε γεωμαγνητικές καταιγίδες, οι οποίες προκαλούνται από τις διαταραχές του μαγνητικού πεδίου και του πλάσματος που παράγονται από τον Ήλιο. Οι αυξήσεις οφείλονται σε εγχύσεις που σχετίζονται με την καταιγίδα και στην επιτάχυνση των σωματιδίων από την ουρά της μαγνητόσφαιρας. Μια άλλη αιτία μεταβλητότητας των πληθυσμών σωματιδίων της εξωτερικής ζώνης είναι οι αλληλεπιδράσεις κύματος-σωματιδίου με διάφορα κύματα πλάσματος σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων.
Στις 28 Φεβρουαρίου 2013, αναφέρθηκε ότι ανακαλύφθηκε μια τρίτη ζώνη ακτινοβολίας —που αποτελείται από υπερσχετιστικά φορτισμένα σωματίδια υψηλής ενέργειας. Σε συνέντευξη Τύπου από την ομάδα ανιχνευτών Van Allen της NASA, αναφέρθηκε ότι αυτή η τρίτη ζώνη είναι προϊόν εκτίναξης μάζας στέμματος από τον Ήλιο. Έχει αναπαρασταθεί ως ξεχωριστή δημιουργία που χωρίζει την Εξωτερική Ζώνη, σαν μαχαίρι, στην εξωτερική της πλευρά, και υπάρχει χωριστά ως δοχείο αποθήκευσης σωματιδίων για ένα μήνα, πριν συγχωνευθεί ξανά με την Εξωτερική Ζώνη.
Η ασυνήθιστη σταθερότητα αυτής της τρίτης, παροδικής ζώνης έχει εξηγηθεί ότι οφείλεται σε μια «παγίδευση» από το μαγνητικό πεδίο της Γης υπερσχετικιστικών σωματιδίων καθώς χάνονται από τη δεύτερη, εξωτερική ζώνη. Ενώ η εξωτερική ζώνη, η οποία σχηματίζεται και εξαφανίζεται σε μια μέρα, είναι εξαιρετικά μεταβλητή λόγω αλληλεπιδράσεων με την ατμόσφαιρα, τα υπερσχετικιστικά σωματίδια της τρίτης ζώνης πιστεύεται ότι δεν διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα, καθώς είναι πολύ ενεργητικά για να αλληλεπιδράσουν με ατμοσφαιρικά κύματα στα χαμηλά γεωγραφικά πλάτη.[28] Αυτή η απουσία διασποράς και παγίδευσης τους επιτρέπει να επιμείνουν για μεγάλο χρονικό διάστημα, τελικά να καταστραφούν μόνο από ένα ασυνήθιστο γεγονός, όπως το ωστικό κύμα από τον Ήλιο.
Τιμές ροής
Στον μαγνητικό ισημερινό, τα ηλεκτρόνια των ενεργειών που υπερβαίνουν τα 5000 keV (αντίστοιχα 5 MeV) έχουν πανκατευθυντικές ροές που κυμαίνονται από 11.2×106 (αντίστοιχα 3.7×104) έως 9.4×109 (αντίστοιχα 2×107) σωματίδια ανά τετραγωνικό εκατοστό ανά δευτερόλεπτο.
Οι ζώνες πρωτονίων περιέχουν πρωτόνια με κινητικές ενέργειες που κυμαίνονται από περίπου 100 keV, τα οποία μπορούν να διαπεράσουν 0,6 μm μολύβδου έως πάνω από 400 MeV, τα οποία μπορούν να διαπεράσουν 143 mm μολύβδου.
Οι περισσότερες δημοσιευμένες τιμές ροής για την εσωτερική και την εξωτερική ζώνη ενδέχεται να μην δείχνουν τις μέγιστες πιθανές πυκνότητες ροής που είναι δυνατές στις ζώνες. Υπάρχει λόγος για αυτήν την απόκλιση: η πυκνότητα ροής και η θέση της ροής κορυφής είναι μεταβλητή, ανάλογα κυρίως με την ηλιακή δραστηριότητα, και ο αριθμός των διαστημικών σκαφών με όργανα που παρατηρούν τη ζώνη σε πραγματικό χρόνο έχει περιοριστεί. Η Γη δεν έχει βιώσει ηλιακή καταιγίδα έντασης και διάρκειας γεγονότος Carrington, ενώ διαστημόπλοια με τα κατάλληλα όργανα ήταν διαθέσιμα για να παρακολουθήσουν το συμβάν.
Τα επίπεδα ακτινοβολίας στις ζώνες θα ήταν επικίνδυνα για τον άνθρωπο εάν εκτεθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι αποστολές Apollo ελαχιστοποίησαν τους κινδύνους για τους αστροναύτες στέλνοντας διαστημόπλοια σε υψηλές ταχύτητες μέσα από τις λεπτότερες περιοχές των άνω ζωνών, παρακάμπτοντας πλήρως τις εσωτερικές ζώνες, εκτός από την αποστολή Apollo 14 όπου το διαστημόπλοιο ταξίδεψε μέσα από την καρδιά των παγιδευμένων ζωνών ακτινοβολίας.
Τιμές ροής σε κανονικές ηλιακές συνθήκες
AP8 MIN πολυκατευθυντική ροή πρωτονίων ≥ 100 keV
AP8 MIN πολυκατευθυντική ροή πρωτονίων ≥ 1 MeV
AP8 MIN πολυκατευθυντική ροή πρωτονίων ≥ 400 MeV
Περιορισμός αντιύλης
Το 2011, μια μελέτη επιβεβαίωσε παλαιότερες εικασίες ότι η ζώνη Van Allen θα μπορούσε να περιορίσει τα αντισωματίδια. Το πείραμα ωφέλιμου φορτίου για εξερεύνηση ύλης αντιύλης και αστροφυσική πυρήνων φωτός (PAMELA) ανίχνευσε επίπεδα αντιπρωτονίων τάξεων μεγέθους υψηλότερα από τα αναμενόμενα από τις κανονικές διασπάσεις σωματιδίων κατά τη διέλευση από την ανωμαλία του Νότιου Ατλαντικού. Αυτό υποδηλώνει ότι οι ζώνες Van Allen περιορίζουν μια σημαντική ροή αντιπρωτονίων που παράγεται από την αλληλεπίδραση της ανώτερης ατμόσφαιρας της Γης με τις κοσμικές ακτίνες. Η ενέργεια των αντιπρωτονίων έχει μετρηθεί στο εύρος από 60 έως 750 MeV.
Έρευνα, που χρηματοδοτήθηκε από το Ινστιτούτο Προηγμένων Εννοιών της NASA, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η αξιοποίηση αυτών των αντιπρωτονίων για την πρόωση του διαστημικού σκάφους θα ήταν εφικτή. Οι ερευνητές πίστευαν ότι αυτή η προσέγγιση θα είχε πλεονεκτήματα έναντι της παραγωγής αντιπρωτονίων στο CERN, επειδή η συλλογή των σωματιδίων επί τόπου εξαλείφει τα κόστη των απωλειών και μεταφοράς. Ο Δίας και ο Κρόνος είναι επίσης πιθανές πηγές, αλλά η γήινη ζώνη είναι η πιο παραγωγική. Ο Δίας είναι λιγότερο παραγωγικός από ό,τι θα περίμενε κανείς λόγω της μαγνητικής θωράκισης από τις κοσμικές ακτίνες μεγάλου μέρους της ατμόσφαιράς του. Το 2019, η CMS ανακοίνωσε ότι η κατασκευή μιας συσκευής που θα μπορούσε να συλλέγει αυτά τα σωματίδια έχει ήδη ξεκινήσει. Αυτά τα λεγόμενα «δοχεία αντιύλης» θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και για βιομηχανικούς σκοπούς στο μέλλον.
Επιπτώσεις για τα διαστημικά ταξίδια
Διαστημικά σκάφη που ταξιδεύουν πέρα από τη χαμηλή τροχιά της Γης εισέρχονται στη περιοχή ακτινοβολίας των ζωνών Βαν Άλεν. Πέρα από τις ζώνες, αντιμετωπίζουν πρόσθετους κινδύνους από τις κοσμικές ακτίνες και τα ηλιακά σωματίδια. Μια περιοχή μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής ζώνης Van Allen βρίσκεται σε 2 έως 4 γήινες ακτίνες και μερικές φορές αναφέρεται ως "ασφαλής ζώνη".
Τα Φωτοβολταϊκά πάνελ, τα Ολοκληρωμένα κυκλώματα και οι Αισθητήρες μπορούν να καταστραφούν από την ακτινοβολία. Οι γεωμαγνητικές καταιγίδες βλάπτουν περιστασιακά τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα των διαστημικών σκαφών. Η μικροποίηση και η ψηφιοποίηση των ηλεκτρονικών και των λογικών κυκλωμάτων έχουν κάνει τους δορυφόρους πιο ευάλωτους στην ακτινοβολία, καθώς το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο σε αυτά τα κυκλώματα είναι πλέον αρκετά μικρό ώστε να είναι συγκρίσιμο με το φορτίο των εισερχόμενων ιόντων. Τα ηλεκτρονικά στους δορυφόρους πρέπει να Θωρακίζονται έναντι της ακτινοβολίας για να λειτουργούν αξιόπιστα. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, μεταξύ άλλων δορυφόρων, έχει συχνά τους αισθητήρες του απενεργοποιημένους όταν διέρχεται από περιοχές έντονης ακτινοβολίας. Ένας δορυφόρος θωρακισμένος με 3 mm αλουμινίου σε μια ελλειπτική τροχιά (200 επί 20.000 μίλια (320 επί 32.190 χλμ.)) περνώντας τις ζώνες ακτινοβολίας θα λάβει περίπου 2.500 rem (25 Sv) ετησίως. (Για σύγκριση, μια δόση 5 Sv για ολόκληρο το σώμα είναι θανατηφόρα.) Σχεδόν όλη η ακτινοβολία θα ληφθεί κατά τη διέλευση της εσωτερικής ζώνης.
Οι αποστολές Apollo σηματοδότησαν το πρώτο γεγονός όπου οι άνθρωποι ταξίδεψαν μέσω των ζωνών Van Allen, που ήταν ένας από τους πολλούς κινδύνους ακτινοβολίας που ήταν γνωστός από τους σχεδιαστές αποστολών. Οι αστροναύτες είχαν χαμηλή έκθεση στις ζώνες Van Allen λόγω του σύντομου χρονικού διαστήματος που περνούσαν πετώντας μέσα από αυτές.
Η συνολική έκθεση των αστροναυτών στην πραγματικότητα κυριαρχούνταν από ηλιακά σωματίδια τα οποία ήταν έξω από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Η συνολική ακτινοβολία που έλαβαν οι αστροναύτες διέφερε από αποστολή σε αποστολή, αλλά μετρήθηκε ότι ήταν μεταξύ 0,16 και 1,14 rad (1,6 και 11,4 mGy), πολύ μικρότερη από το πρότυπο των 5 rem (50 mSv)[c] ανά έτος που ορίζεται από η Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών για άτομα που εργάζονται με ραδιενέργεια.
Αιτίες
Είναι γενικά κατανοητό ότι η εσωτερική και η εξωτερική ζώνη Van Allen προκύπτουν από διαφορετικές διαδικασίες. Η εσωτερική ζώνη αποτελείται κυρίως από ενεργητικά πρωτόνια που παράγονται από τη διάσπαση των αποκαλούμενων νετρονίων "albedo", τα οποία είναι τα ίδια το αποτέλεσμα των συγκρούσεων κοσμικών ακτίνων στην ανώτερη ατμόσφαιρα. Η εξωτερική ζώνη Van Allen αποτελείται κυρίως από ηλεκτρόνια. Εγχέονται από τη γεωμαγνητική ουρά μετά από γεωμαγνητικές καταιγίδες και στη συνέχεια ενεργοποιούνται μέσω αλληλεπιδράσεων κυμάτων-σωματιδίων.
Στην εσωτερική ζώνη, σωματίδια που προέρχονται από τον Ήλιο παγιδεύονται στο μαγνητικό πεδίο της Γης. Τα σωματίδια κινούνται σπειροειδώς κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών ροής καθώς κινούνται "κατά γεωγραφικό μήκος" αυτών των γραμμών. Καθώς τα σωματίδια κινούνται προς τους πόλους, η πυκνότητα της γραμμής του μαγνητικού πεδίου αυξάνεται και η «γεωγραφική» ταχύτητά τους επιβραδύνεται και μπορεί να αντιστραφεί, εκτρέποντας τα σωματίδια πίσω προς την περιοχή του ισημερινού, αναγκάζοντάς τα να αναπηδούν εμπρός και πίσω μεταξύ των πόλων της Γης.Εκτός από το ότι κινούνται σπειροειδώς γύρω και κατά μήκος των γραμμών ροής, τα ηλεκτρόνια παρασύρονται αργά προς τα ανατολικά, ενώ τα πρωτόνια παρασύρονται προς τα δυτικά.
Το κενό μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής ζώνης Van Allen ονομάζεται μερικές φορές «ασφαλής ζώνη» ή «ασφαλής υποδοχή» και είναι η θέση των μεσαίων τροχιών της Γης. Το κενό προκαλείται από τα ραδιοκύματα VLF, τα οποία διασκορπίζουν τα σωματίδια στη γωνία κλίσης, γεγονός που προσθέτει νέα ιόντα στην ατμόσφαιρα. Οι ηλιακές εκρήξεις μπορούν επίσης να ρίξουν σωματίδια στο κενό, αλλά αυτά φθίνουν σε λίγες μέρες.
Τα ραδιοκύματα VLF θεωρούνταν προηγουμένως ότι παράγονται από αναταράξεις στις ζώνες ακτινοβολίας, αλλά η πρόσφατη εργασία του J.L. Green του Goddard Space Flight Center συνέκρινε χάρτες της δραστηριότητας κεραυνών που συλλέχθηκαν από το διαστημόπλοιο Microlab 1 με δεδομένα για ραδιοκύματα στο το χάσμα της ζώνης ακτινοβολίας από το διαστημόπλοιο IMAGE. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι τα ραδιοκύματα παράγονται στην πραγματικότητα από κεραυνούς στην ατμόσφαιρα της Γης. Τα παραγόμενα ραδιοκύματα χτυπούν την ιονόσφαιρα με τη σωστή γωνία για να περάσουν μόνο σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, όπου τα κατώτερα άκρα του χάσματος των δύο ζωνών πλησιάζουν την ανώτερη ατμόσφαιρα. Αυτά τα αποτελέσματα αποτελούν ακόμη αντικείμενο συζήτησης στην επιστημονική κοινότητα.
Προτεινόμενη αφαίρεση
Η «αποστράγγιση» των φορτισμένων σωματιδίων από τις ζώνες Βαν Άλεν θα άνοιγε νέες τροχιές για τους δορυφόρους και θα έκανε το ταξίδι ασφαλέστερο για τους αστροναύτες.
Το High Voltage Orbiting Long Tether, ή HiVOLT, είναι μια έννοια που προτάθηκε από τον Ρώσο φυσικό V. V. Danilov και βελτιώθηκε περαιτέρω από τους Robert P. Hoyt και Robert L. Forward για την αποστράγγιση και την αφαίρεση των πεδίων ακτινοβολίας των ζωνών ακτινοβολίας Van Allen που περιβάλλουν τη Γη.
Μια άλλη πρόταση για την αποστράγγιση των ζωνών Van Allen περιλαμβάνει τη δέσμη ραδιοκυμάτων πολύ χαμηλής συχνότητας (VLF) από το έδαφος στις ζώνες Van Allen.
Η αποστράγγιση ζωνών ακτινοβολίας γύρω από άλλους πλανήτες έχει επίσης προταθεί, για παράδειγμα, πριν από την εξερεύνηση της Ευρώπης, η οποία περιφέρεται εντός της ζώνης ακτινοβολίας του Δία.
Από το 2014, παραμένει αβέβαιο εάν υπάρχουν αρνητικές ανεπιθύμητες συνέπειες στην αφαίρεση αυτών των ζωνών ακτινοβολίας.
