~ * 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.........* ~
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.
Μια από τις πιο περίεργες, και πιθανότατα πιο επικίνδυνες, πυρηνικές δοκιμές έλαβε χώρα στα τέλη του 1958 και έφερε τη σφραγίδα ενός ελληνοαμερικανού μηχανολόγου μηχανικού που άρχισε να μελετά μόνος εγχειρίδια πυρηνικής φυσικής στη γερμανοκρατούμενη Ελλάδα! Ο Νικόλαος Χριστόφιλος γεννήθηκε στη Βοστώνη αλλά μεγάλωσε και σπούδασε στο πολυτεχνείο της Αθήνας, όπου και άρχισε να δραστηριοποιείται στους ανελκυστήρες. Αφού ίδρυσε τη δική του εταιρία εγκατάστασης και συντήρησης ασανσέρ, το έριξε μετά στη μελέτη, καθώς το πάθος του ήταν πάντα η φυσική. Διάβαζε όποιο εγχειρίδιο θεωρητικής φυσικής έπεφτε στα χέρια του, έργο καθόλου εύκολο στην Κατοχή, καθώς τα λιγοστά που έβρισκε ήταν γραμμένα στα γερμανικά. Παρά ταύτα, έκανε μια σπουδαία θεωρητική ανακάλυψη, την οποία δεν δημοσίευσε σε κάποια επιστημονική επιθεώρηση παρά φρόντισε να κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σε Ελλάδα και Αμερική. Ο αυτοδίδακτος στη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων είχε καταφέρει να συλλάβει την αρχή της λειτουργίας των επιταχυντών synchrotron για εστίαση της δέσμης! Όταν ανεξάρτητη ερευνητική ομάδα παρουσίασε τα ίδια δεδομένα λίγο αργότερα, ο Έλληνας πήγε να ζητήσει τον λόγο. Δεν του είχαν κλέψει φυσικά τη δουλειά, ήταν όμως διατεθειμένοι να του δώσουν δουλειά, μιας και αναγνώρισαν την επιστημονική ιδιοφυΐα του! Τον προσέλαβαν λοιπόν σε ένα από τα καλύτερα ερευνητικά εργαστήρια των ΗΠΑ και με βάση το «Φαινόμενο Χριστόφιλος», όπως το είπαν για να τον τιμήσουν, οι Αμερικανοί έκαναν ένα κολοσσιαίων διαστάσεων πείραμα για να ελέγξουν την ανατρεπτική θεωρία του σχετικά με την επίδραση του γήινου μαγνητικού πεδίου σε φορτισμένα σωματίδια στην ατμόσφαιρα. Πάνω από τον Νότιο Ατλαντικό, στα νησιά Σαμόα, πραγματοποιήθηκαν πυρηνικές εκρήξεις που αχρήστευσαν για εβδομάδες όλες τις επικοινωνίες των τεχνητών δορυφόρων και το περίφημο πρόγραμμα Argus, η πρώτη ποτέ αντίστοιχη δοκιμασία, χαρακτηρίστηκε ως το εντυπωσιακότερο πείραμα που έγινε ποτέ στον πλανήτη! Ο «τρελο-Έλληνας», όπως τον χαρακτήριζε ο Τύπος, ή «Ελληνική Φωτιά», όπως τον έλεγε η επιστημονική κοινότητα, συνέχισε την ανεπανάληπτη θεωρητική του εργασία και συνέδεσε το όνομά του με τους πρώιμους αμερικανικούς θριάμβους πάνω στη σύντηξη και τις διαστημικές περιπέτειες, αφήνοντας κληρονομιά παγκόσμιες σταθερές σήμερα σε όλους τους επιταχυντές. Σαφώς μεγαλύτερος από τη σμπαραλιασμένη Ελλάδα της εποχής, ο Χριστόφιλος μεγαλούργησε στις ΗΠΑ, άφησε παρακαταθήκη στην επιστήμη δύο βασικές αρχές και μπήκε στα μεγάλα σαλόνια της παγκόσμιας επιστημονικής κοινότητας. Κι αν στη χώρα μας παραμένει εν πολλοίς άγνωστος, στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού είναι ένα από τα ορόσημα της πρώιμης έρευνας αιχμής…
Πρώτα χρόνια
Ο Νικόλαος Χριστόφιλος γεννιέται στις 16 Δεκεμβρίου 1916 στη Βοστόνη από έλληνες μετανάστες, οι οποίοι δεν άντεξαν πολύ καιρό μακριά από την πατρίδα και επέστρεψαν στην Ελλάδα όταν ο μικρός ήταν εφτά ετών (1923). Ο Νίκος δείχνει από παιδί τη δίψα του για την επιστήμη. Πιτσιρίκος ακόμα μαγεύτηκε από τη ραδιοφωνία και κατασκεύαζε αυτοσχέδιους πομπούς και δέκτες, όταν δεν επιδιόρθωνε τις συσκευές του σπιτικού του. Σε ηλικία 18 ετών γίνεται δεκτός στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, απ’ όπου αποφοιτεί το 1938 με το πτυχίο του μηχανολόγου μηχανικού ανά χείρας. Αφού έπιασε δουλειά σε τεχνική εταιρίας εγκατάστασης και συντήρησης ανελκυστήρων, ήρθε ο πόλεμος και η Κατοχή να του αλλάξει τον ρου της ζωής του. Κι αυτό γιατί οι γερμανικές δυνάμεις κατοχής υποχρέωσαν την εταιρεία να εγκαταλείψει τους ανελκυστήρες και να στραφεί στη συντήρηση των φορτηγών τους, αφήνοντας τώρα στον νεαρό Χριστόφιλο άπλετο ελεύθερο χρόνο.
Ο παντοτινός εραστής της φυσικής στρέφεται έτσι στη μελέτη της θεωρητικής και πυρηνικής φυσικής, κυρίως από γερμανικά συγγράμματα, καθώς μόνο αυτά μπορούσε να βρει στην Αθήνα. Μετά τον πόλεμο, σύχναζε πια στη βιβλιοθήκη του USIS (United States Information Service), που είχε συνδρομή στο μόνο περιοδικό φυσικής που μπορούσε να βρει (το «Physical Review»). Μέχρι το 1946, είχε θέσει ένα πρώτο γενικό περίγραμμα επιταχυντή σωματιδίων τύπου synchrotron (κυκλικός επιταχυντής όπου συνδυάζονται ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία για να επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια σε πολύ υψηλές ταχύτητες)! Δεν έκανε βέβαια καμία δημοσίευση, όπως θα όφειλε ενδεχομένως για να γίνει γνωστή η δουλειά του, αλλά αντιθέτως έσπευσε να κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τον επιταχυντή του τόσο στην Ελλάδα όσο και τις ΗΠΑ. Απέστειλε ωστόσο ένα αντίγραφο της πατέντας στο φημισμένο αμερικανικό πανεπιστήμιο Berkeley, όπου και πέρασε στα ψιλά…
Ο ελληνικός τσαμπουκάς που τα ξεκίνησε όλα
Την ώρα που γίνονταν αυτά σε επίπεδο χόμπι, ο Χριστόφιλος άνοιξε μεταπολεμικά τη δική του τεχνική εταιρεία ανελκυστήρων, αν και πλέον ήταν ξεκάθαρο ότι η εμπλοκή του με τη θεωρητική φυσική δεν ήταν περιστασιακή. Γιατί τώρα άρχισε να στήνει δικές του θεωρίες. Ήταν το 1949 όταν ο μεγαλοφυής Έλληνας συνέλαβε τη θεωρία της Ισχυρής Εστίασης, ένα τολμηρό βήμα που απομακρυνόταν από την παραδεδομένη γνώση της εποχής! Και πάλι απέρριψε την ιδέα της δημοσίευσης, παρά τις συστάσεις των ελλήνων καθηγητών φυσικής που τους είχε παρουσιάσει τη σύλληψή του, προτιμώντας να κατοχυρώσει ξανά τις πρακτικές επιπτώσεις της θεωρίας του (έστειλε την αίτηση στις ΗΠΑ τον Μάρτιο του 1950). Τα νέα αντίτυπα που ταχυδρόμησε και πάλι στο Berkeley πέρασαν από χέρι σε χέρι καθηγητή, χωρίς να τύχουν βέβαια ούτε αναγνώρισης ούτε και σοβαρής μελέτης. Ο Νίκος θεωρούσε πάντα τον εαυτό του «πρακτικό φυσικό», αν και η τεκμηρίωση της δουλειάς του δεν υπολειπόταν σε τίποτα από την αντίστοιχη των σπουδαγμένων συναδέλφων του. Παρά ταύτα, το Γραφείο Ευρεσιτεχνιών των ΗΠΑ του απένειμε το σχετικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1956 (με αριθμό 2.736.799) για την Αρχή της Ισχυρής Εστίασης.
Παρά τις πολλά υποσχόμενες συνέπειες της νέας αυτής θεωρητικής δομής, η ανακάλυψή του πέρασε απαρατήρητη για τα επόμενα τρία χρόνια, όταν και διάβασε έκπληκτος ο Χριστόφιλος το 1952, σε άλλη μια επίσκεψή του στην Αμερική, ότι την Αρχή της Ισχυρής Εστίασης είχε (ξανα-)ανακαλύψει μια ομάδα τριών επιστημόνων! Η καινοτόμα επιστημονική εργασία είχε εκδοθεί σε έγκριτη επιθεώρηση από τους E. Courant, H. Snyder και M.S. Livingston, χαιρετίστηκε ως το νέο μεγάλο πράγμα στη σωματιδιακή φυσική και ήταν έτοιμη να εφαρμοστεί στην κατασκευή των νέων επιταχυντών του Brookhaven, του Cornell και του ευρωπαϊκού CERN. Ο Χριστόφιλος δεν μπορούσε να πιστέψει στα μάτια του: η δική του δουλειά είχε αγνοηθεί απ’ όλους ενώ η δημοσίευση της πανομοιότυπης μελέτης των συναδέλφων του είχε τέτοιες κατακλυσμιαίες συνέπειες! Είπε έτσι να πάει να διεκδικήσει την πατρότητα της θεωρητικής κατασκευής, καθώς δεν γνώριζε ότι η ομάδα είχε καταλήξει ανεξάρτητα στα ίδια αποτελέσματα (από εντελώς άλλη οδό δηλαδή). Όρμησε λοιπόν στο ερευνητικό εργαστήριο του Brookhaven για να τα ψάλει στον διευθυντή του! Εκείνος αναγνώρισε την πρώιμη συνεισφορά του Χριστόφιλου στη θεωρία, ο Έλληνας κατάλαβε ότι δεν είχαν κλέψει τη δουλειά του και όλα τακτοποιήθηκαν όταν το ίδρυμα του υποσχέθηκε να περιληφθεί το όνομά του στη δημοσίευση.
Δεν τον άφησαν όμως να φύγει, καθώς ένας αυτοδίδακτος φυσικός από την άλλη άκρη του κόσμου που είχε συλλάβει μια ανατρεπτική αρχή, αντίθετη σε όσα πίστευαν μέχρι τότε οι θεωρητικοί φυσικοί, ήταν σωστό λαυράκι! Του πρόσφεραν αμέσως μια θέση στο Brookhaven, την οποία αποδέχτηκε ο έλληνας μηχανικός και έπιασε αμέσως δουλειά στην κατασκευή του νέου επιταχυντή. Το εργαστήριο έπρεπε μάλιστα να πείσει την Αρχή Ατομικής Ενέργειας των ΗΠΑ για την ασφάλεια της ιδέας του «τρελο-Έλληνα» (όπως τον αποκάλεσε το περιοδικό «Life» σε σχετικό αφιέρωμα), ώστε να την εφαρμόσει στη συσκευή. Με τον ανορθόδοξο και επεισοδιακό αυτό τρόπο έγινε μέσα σε μια μέρα ο Χριστόφιλος από μηχανικός ανελκυστήρων ερευνητής σε ένα από τα σημαντικότερα ερευνητικά κέντρα του τότε κόσμου…
Ο επιστήμονας πρώτης γραμμής που είπανε «Ελληνική Φωτιά»
Ο Nick Christofilos, όπως θα γινόταν τελικά γνωστός στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού, ήταν μια πολύπλευρη προσωπικότητα και ένας άνθρωπος ευδιάθετος και κοινωνικότατος. Αγαπούσε ιδιαίτερα να συζητά τις ιδέες του, να τις εξηγεί, ακόμα και να τσακώνεται γι’ αυτές, καθώς η φυσική ήταν κυριολεκτικά όλη του η ζωή. Αφού έστησε τον νέο επιταχυντή που κόμισε νέες γνώσεις στην επιστήμη, επικεντρώθηκε αργότερα στο έργο της ζωής του, το Astron. Όπως εξηγούσε, το Astron είναι στα ελληνικά το αστέρι, ένα όνομα απόλυτα κατάλληλο για τον θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα που ήθελε να φτιάξει, έχοντας πια στο στόχαστρο τη σύντηξη. Καθώς όμως όλη η πυρηνική έρευνα της εποχής ήταν απόρρητη και διαβαθμισμένη, ο Χριστόφιλος αναγκάστηκε να μετακινηθεί το 1956 στο νεοσύστατο Livermore (το σημερινό Lawrence Livermore National Laboratory), όπου και παρέμεινε μέχρι το τέλος της σπουδαίας σταδιοδρομίας του. Μέχρι να εγκριθεί μάλιστα το πάσο του για το κέντρο, σημειώθηκαν πολλά κωμικοτραγικά επεισόδια.
Ο φυσικός ηγήθηκε της καινοτόμας προσπάθειας παραγωγής ηλεκτρισμού με τη χρήση θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που θα λάμβαναν χώρα στο πλάσμα (μια κατάσταση ύλης που εμφανίζεται σε συνθήκες όπου επικρατούν πολύ υψηλές θερμοκρασίες). Η θερμοπυρηνική ανάφλεξη που πέτυχε ο Χριστόφιλος και ο χειρισμός του μαγνητικού πεδίου θα κατέληγαν σε ένα νέο είδος επιταχυντή, που έφερε και πάλι τη σφραγίδα του. Προβεβλημένος και διαπρεπής, δεν θα έπαιρνε πολύ στο Πεντάγωνο να τον επιστρατεύσει στα προγράμματα εθνικής ασφάλειας. Ο έλληνας επιστήμονας καταλάβαινε την ανάγκη της χώρας για αμυντικά συστήματα στον κολοφώνα του Ψυχρού Πολέμου και ήταν περήφανος για τη συνεισφορά του στην άμυνά της. Παρά ταύτα, η εργασία του σε οπλικά συστήματα παραμένει ακόμα και σήμερα διαβαθμισμένη, ξέρουμε πάντως ότι τουλάχιστον 200 εργασίες στον τομέα φέρουν το όνομά του.Αν και για δύο σχέδια δεν υπάρχουν αμφιβολίες ότι ήταν δικά του: το περιβόητο «Argus» και το «Sanguine», μια πρόταση για επικοινωνίες χαμηλών συχνοτήτων. Ήταν το 1957 όταν πρότεινε τη δημιουργία μιας τεχνητής ζώνης ηλεκτρονίων γύρω από τη Γη επεμβαίνοντας στη μαγνητόσφαιρα του πλανήτη μας και δημιουργώντας ένα «μαγνητικό κάτοπτρο». Με τη βούλα της αμερικανικής κυβέρνησης και ερεθισμένος από την αυγή της διαστημικής εποχής (μαγεύτηκε όταν διάβασε τον Οκτώβριο του 1957 για την πετυχημένη εκτόξευση του πρώτου τεχνητού δορυφόρου, του σοβιετικού Σπούτνικ), ο πάντα οραματιστής Χριστόφιλος σκέφτηκε πως η προσπάθεια μαγνητικής παγίδευσης ηλεκτρονίων θα μπορούσε να δοκιμαστεί ως διαστημικό πείραμα σε πολύ μεγαλύτερες διαστάσεις απ’ όσο θα επέτρεπαν τα στενά όρια της Γης!
Πρότεινε λοιπόν την εκτόξευση ατομικής βόμβας, η οποία με την έκρηξή της θα απελευθέρωνε έναν τεράστιο αριθμό ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, τα οποία ακολούθως θα παγιδεύονταν από το μαγνητικό πεδίο της Γης και θα σχημάτιζαν τεχνητές ζώνες γύρω από τη Γη. Κι αν τα ηλεκτρόνια, αντί να διασκορπιστούν ατάκτως στα πέρατα του Διαστήματος, συγκεντρώνονταν και κατευθύνονταν από το γεωμαγνητικό πεδίο, τότε θα μπορούσαν να βλάψουν δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τη Γη. Το υπερφιλόδοξο πείραμα, το πρώτο σε τέτοιες διαστάσεις και ύψη, και με την ανεξάρτητη επιβεβαίωση της υπόθεσης του Χριστόφιλου από τον Τζέιμς βαν Άλεν (μέσω των φυσικών ηλεκτρομαγνητικών Ζωνών βαν Άλεν που περιβάλλουν τη Γη), εγκρίθηκε από τον πρόεδρο Αϊζενχάουερ στις 6 Μαρτίου 1958, καθώς μόνο εύκολο δεν ήταν να σταλεί ατομική βόμβα στο Διάστημα!
Το πείραμα στήθηκε σε χρόνο-ρεκόρ (λιγότερο από τέσσερις μήνες) και στις 26 Ιουλίου εκτοξεύτηκε ο Explorer-4, ο τρίτος δορυφόρος στην ιστορία των ΗΠΑ, ο οποίος θα παρακολουθούσε την εξέλιξη του πειράματος στο άγνωστο ακόμα Υπερπέραν. Την 1η Αυγούστου ένα πλοίο του Πολεμικού Ναυτικού απέπλευσε από το Σαν Φρανσίσκο με τις βόμβες του πειράματος με προορισμό τον Νότιο Ατλαντικό. Η επιλογή της απομακρυσμένης περιοχής, κάπου 1.800 χιλιόμετρα νοτιοδυτικά του Κέιπ Τάουν της Νότιας Αφρικής, έγινε τόσο για ευνόητους λόγους μυστικότητας και ασφάλειας όσο και εξαιτίας της ιδιαιτερότητα του γεωμαγνητικού πεδίου της περιοχής, που έδινε περισσότερες πιθανότητες επιτυχίας στο πείραμα.Στις 27 και 30 Αυγούστου και στις 6 Σεπτεμβρίου εκτοξεύτηκαν με άκρα μυστικότητα τρεις ατομικές βόμβες των 2 χιλιοτόνων, οι οποίες εξερράγησαν στα 200, 240 και 540 χιλιόμετρα αντίστοιχα. Τόσο οι μετρήσεις του Explorer-4 όσο και οι παρατηρήσεις από το έδαφος επιβεβαίωσαν τη θεωρία του Χριστόφιλου: δημιουργήθηκε πράγματι μια τεχνητή ζώνη σωματιδιακής ακτινοβολίας ανάμεσα στις δύο Ζώνες βαν Άλεν, η οποία διατηρήθηκε μάλιστα για περισσότερο χρόνο απ’ ό,τι είχε προβλεφθεί (δύο εβδομάδες). Τα ηλεκτρόνια του Argus αχρήστευσαν τις δορυφορικές επικοινωνίες και δημιούργησαν Σέλας, το πρώτο ποτέ τεχνητώς παραγόμενο Σέλας στην ατμόσφαιρα. Ο κόσμος πληροφορήθηκε για το γεγονός την επόμενη χρονιά, ώστε να καταλαγιάσουν οι αντιδράσεις, μιας και κανείς δεν μπορούσε να προβλέψει τις συνέπειες της πυρηνικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα.Η επιτυχία του Argus δικαίωσε τον «τρελο-Έλληνα» και οδήγησε αργότερα σε πειράματα μεγαλύτερης κλίμακας. Τελευταία του ερευνητική δουλειά ήταν το «Sanguine», ένα πείραμα μετάδοσης συχνοτήτων εξαιρετικά χαμηλής συχνότητας για την επικοινωνία των υποβρυχίων. Ο Χριστόφιλος είχε και πάλι δίκιο, λύνοντας στην πορεία όλα τα θεωρητικά και πρακτικά προβλήματα που ανέκυψαν και χαρίζοντας στο Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ έναν αποτελεσματικότερο τρόπο επικοινωνίας με τα υποβρύχια σε μεγάλα βάθη. Ο έλληνας επιστήμονας χρησιμοποίησε το ίδιο το εσωτερικό της Γης ως αναμεταδότη, όταν όλοι του έλεγαν πως κάτι τέτοιο ήταν αδύνατο! Ο αντίκτυπος της ιδέας του Χριστόφιλου δεν καταλάγιασε και στη δεκαετία του 1980, πατώντας πάνω στις αρχές του, ο Bernard Eastlund ξεκίνησε ένα πρόγραμμα που πήρε την ονομασία High Frequency Active Auroral Research Program, το διαβόητο σε όλους τους συνωμοσιολόγους HAARP!Ο σπουδαίος επιστήμονας άφησε την τελευταία του πνοή στις 24 Σεπτεμβρίου 1972 χτυπημένος από καρδιακή προσβολή στο σπίτι του στην Καλιφόρνια. Όπως και κάθε άλλη μέρα, είχε ξημερώσει στο εργαστήριό του στο Livermore, καθώς ξεχνιόνταν με την έρευνα και δεν έλεγε να τελειώσει. Ακόμα και ο επιστάτης τον κατσάδιαζε που έμενε από τις 10:00 το πρωί μέχρι μετά τα μεσάνυχτα στο ανήλιαγο ινστιτούτο. Ο Χριστόφιλος είχε τιμηθεί εκτεταμένα με επιστημονικές διακρίσεις και πολιτειακά μετάλλια, ενώ στην προσωπική του ζωή είχε δύο γάμους στο ενεργητικό του, οι οποίοι του χάρισαν και τους δυο γιους του. Η δεύτερη μεγάλη αγάπη του ήταν το πιάνο και ειδικά οι συμφωνίες του Μπετόβεν και όλοι παραδέχονταν ότι έπαιζε το όργανο όπως έκανε και τις έρευνές του, πάντα σε fortissimo!Η ασυνήθιστη αυτή προσωπικότητα στον κόσμο της επιστημονικής έρευνας ήταν μια διάνοια μπροστά από την εποχή του, αναζητώντας συνεχώς καινοφανείς λύσεις σε καθιερωμένα προβλήματα. Όταν πέθανε, τον ήξεραν και τον σέβονταν όλοι και εκείνος απέδιδε πάντα τα οφειλόμενα σε όσους συνέβαλαν στη δική του δουλειά. Και όπως ομολογούσαν εξάλλου και οι αμερικανοί συνάδελφοί του (όπως στους τόσους επικήδειους που γράφτηκαν γι’ αυτόν), η ελληνικότητά του (τιμή και καμάρι του) ήταν πάντα έκδηλη στις προσωπικές επαφές του: τεράστια αυτοπεποίθηση, παροιμιώδη ανυπομονησία και μια απίστευτη γενναιοδωρία προς όλους…
