Van Allen kuşağı

Van Allen Kuşakları, Güneş'ten ve diğer yıldızlardan yayılan zararlı ışınlara karşı kalkan işlevi gören tabakadır. Bu tabaka manyetizma sonucunda ortaya çıkmakta, Dünya'nın manyetik alanından kaynaklanmaktadır.

Van Allen radyasyon kuşağı, enerji yüklü parçacıkların bir bölgesi olup, bunların çoğunluğu, gezegenin manyetik alanı tarafından bir gezegenin yakaladığı ve etrafında tuttuğu güneş rüzgarından kaynaklanmaktadır. Dünya'nın böyle iki bandı vardır ve bazen başkaları da geçici olarak oluşur.

Kuşakların keşfi James Van Allen'a atfedildi ve bunun sonucu olarak Dünya'nın kuşakları Van Allen kuşakları olarak biliniyor. Dünyanın iki ana kuşağı, bölge radyasyon düzeylerinin değiştiği yüzeyin yaklaşık 500 ila 58.000 kilometre yüksekliğinden yukarı uzanır. Kuşakları oluşturan parçacıkların çoğunun güneş rüzgarından ve diğer parçacıkların ise kozmik ışınlardan geldiği düşünülmektedir. Güneş rüzgarını yakalayarak, manyetik alan bu enerjik parçacıkları saptırır ve Dünya'nın atmosferini yıkımdan korur.

Kristian Birkeland, Carl Størmer ve Nicholas Christofilos, Uzay Çağı öncesinde yüklü parçacıkların yakalanma ihtimalini araştırmışlardı. Explorer 1 ve Explorer 3, Iowa Üniversitesi'ndeki James Van Allen başkanlığında kemerin varlığını 1958'in başlarında doğruladı. Sıkışan radyasyon önce Explorer 4, Pioneer 3 ve Luna 1 tarafından haritalandı.

Van Allen kuşakları terimi, özellikle Dünya'yı çevreleyen radyasyon kemerlerini ifade eder; Bununla birlikte, benzer gezegen kemerleri diğer gezegenler çevresinde keşfedilmiştir. Güneş, istikrarlı, global bir dipol (çiftkutup) alanına sahip olmadığı için uzun vadeli radyasyon kemerlerini desteklemez. Dünya atmosferi kuşakların parçacıklarını, 200-1.000 km'nin üzerindeki bölgelere, (124-620 mil) sınırlarken, kuşaklar 8 Dünya yarıçapını geçmemiştir. Kuşaklar, gök ekvatorunun her iki yanında yaklaşık 65 ° uzanan bir hacimle sınırlandırılmıştır.

Radyasyon kuşakları, onları sürdürecek kadar güçlü manyetik alanları olan güneş sistemindeki diğer gezegenler ve ayların çevresinde bulunur. Bugüne kadar, bu radyasyon kuşaklarının çoğu yetersiz olarak haritalandırılmıştır. Voyager Programı (yani Voyager 2) sadece ismen Uranüs ve Neptün civarında benzer kemerlerin varlığını onayladı.

Dış kemer, esasen dünyanın manyetosferi tarafından sıkışmış yüksek enerjili (0.1-10 MeV) elektronlardan oluşur. Güneş aktivitesinden daha kolay etkilendiği için iç kemerden daha değişkentir. Üçlü bir irtifada başlayıp, Dünya yüzeyinin 13.000 ila 60.000 kilometre (8.100 ila 37.300 mil) yukarıdaki on Dünya Yarıçapına (RE) uzanan, neredeyse toroidal bir şekle sahiptir. En büyük yoğunluğu genellikle 4-5 RE arasındadır. Dış elektron radyasyon kuşağı çoğunlukla ısının whistler-mode plazma dalgalarından radyasyon bandı elektronlarına aktarımı nedeniyle içe radyal difüzyon ve lokal ivme tarafından üretilir. Radyasyon bandı elektronları, Dünya atmosferi ile çarpışmalar, manyetopozda kayıplar ve dışarıya doğru radyal difüzyonyondan dolayı sürekli olarak uzaklaşır. Enerjik protonların döngüsü, onları Dünya atmosferi ile temasa geçirecek kadar büyük olurdu. Bu bant içinde, elektronların yüksek akısı vardır ve jeomanyetik alan çizgilerinin jeomanyetik "kuyruk" a açıldığı dış kenarda (manyetopozun yakınında), enerjik elektronların akısı yaklaşık 100 km'lik seviyedeki düşük gezegenler arası seviyelere düşebilir (62 mil), yani 1.000 faktörlük bir azalma gösterir.

2014 yılında dış kemerin iç kenarının çok göreceli bir elektronun (> 5MeV) geçemeyeceği çok keskin bir geçiş ile nitelendirildiği keşfedildi. Bu kalkan benzeri davranışın nedeni iyi anlaşılmamıştır.

Dış kemerde sıkışmış parçacık popülasyonu, elektronlar ve çeşitli iyonlardan dolayı çeşitlidir. İyonların çoğu enerji yüklü protonlar biçimindedir, ancak belli bir yüzde alfa parçacıkları ve O + oksijen iyonları bulunmaktadır. Bunlar iyonosferinkine benzer ancak çok daha enerjiktir. Bu iyon karışımı, halka akım parçacıklarının muhtemelen birden fazla kaynaktan geldiğini gösterir.

Dış kemer iç kemerden daha büyüktür ve parçacık popülasyonu büyük oranda dalgalanmaktadır. Enerjik (radyasyon) parçacık akıları, kendileri, Güneş tarafından üretilen manyetik alan ve plazma bozuklukları tarafından tetiklenen jeomanyetik fırtınalara tepki olarak dramatik bir şekilde artabilir veya azalabilir. Artışlar fırtınayla ilişkili enjeksiyonlardan ve manyetosfer kuyruğundaki parçacıkların hızlanmasından kaynaklanır.

Bu üçüncü geçici bandın alışılmadık istikrarı, dünyanın ikinci geleneksel dış kemerinden kayboldukları anda Dünya'nın aşırı derecede etkili olan manyetik alanının parçacıkları 'sıkıştırmasından' kaynaklandığı açıklanmıştır. Bir günde oluşup kaybolan dış bölge, atmosferle olan etkileşimler nedeniyle değişkenlik gösterirken, üçüncü kemerin aşırı-rölativisttik parçacıklarının düşük enlemlerde atmosferdeki dalgalarla etkileşim kurmak için çok enerjik oldukları ve bu nedenle atmosfere dağılmadığı düşünülmektedir. Saçılmanın ve yakalanmanın yokluğu uzun süre varlıklarını sürdürmelerini sağladı ta ki Güneşten gelen bir şok dalgası gibi alışılmadık bir olayla tahrip olana kadar.

Manyetik ekvatorda 500 keV'yi (5 MeV) geçen enerjilerin elektronları saniyede santimetre kare başına 1.2 x 106 (3.7 x 104) ila 9.4 x 109 (en fazla 2 x 107) parçacık arasında değişen çok yönlü akılara sahiptir.

İç ve dış kuşaklar için en çok yayınlanan akı değerleri kayışlarda mümkün olan maksimum akı yoğunluğunu göstermeyebilir. Bu tutarsızlığın bir nedeni vardır: akı yoğunluğu ve zirve akısının yeri değişir (esas olarak güneş etkinliğine bağlı olarak) ve bantları gerçek zamanlı olarak gözlemleyen aletlerle yapılan uzay araçları sayısı sınırlıdır. Olayı izlemek için, uygun aletlerle uzay aracı mevcutken, Dünya'da Carrington olay yoğunluğu ve süresinde güneş fırtınası yaşanmamıştır.

2011 yılında yapılan bir araştırma, Van Allen kuşağının anti partikülleri sınırlayabileceği yönündeki spekülasyonları doğruladı. PAMELA deneyi, Güney Atlantik Anomalisinden geçerken normal parçacıkların bozulmalarında beklenenden daha büyük miktarda antiproton tespit etti. Bu, Van Allen kuşakları, Dünya'nın üst atmosferinin kozmik ışınlarla etkileşimiyle üretilen belirgin bir anti-proton akısı kısıtladığını göstermektedir Anti protonların enerjisi 60-750 MeV aralığında ölçülmüştür.

Genellikle iç ve dış Van Allen kayışlarının farklı olaylardan kaynaklandığı anlaşılmaktadır. Esas olarak enerjik protonlardan oluşan iç kemer, üst atmosferdeki kozmik ışın çarpışmalarının sonucu olan "albedo" nötronların bozunumunun ürünüdür. Dış kemer daha çok elektronlardan oluşur. Jeomanyetik fırtınaları takiben jeomanyetik kuyruktan enjekte edilir ve daha sonra dalga-parçacık etkileşimleri vasıtasıyla enerji alırlar.

İç kayışta Güneş'ten oluşmuş parçacıklar Dünyanın manyetik alanına sıkışmıştır. Parçacıklar, bu çizgiler boyunca "uzunlamasına" hareket ettikçe manyetik akı hattı boyunca spiral oluştururlar. Parçacıklar kutuplara doğru ilerledikçe, manyetik alan çizgisi yoğunluğu artar ve parçacıkların "uzunlamasına" hızları yavaşlar. Bu yavaşlama nihayetinde hızları tersine de çevirip parçacığı yansıtabilir ve bu da parçacığın Dünyanın kutupları arasında bir ileri bir geri sıçramasını sağlar. Akı çizgileri boyunca spiral harekete ilâveten, elektronlar yavaşça doğuya doğru, iyonlar batıya doğru hareket eder.

İç ve dış Van Allen kayışları arasındaki boşluk, bazen güvenli bölge veya güvenli yuva olarak adlandırılır; parçacıkların atmosferde yükselme açısıya dağılmasını sağlayan Çok Düşük Frekans (VLF) dalgaları neden olur. Güneş patlamaları parçacıkları boşluğa pompalayabilir, ancak birkaç gün içinde tekrar dışa hareket ederler. Radyo dalgalarının başlangıçta radyasyon kayışlarında türbülans tarafından üretildiği düşünülüyordu, ancak Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nden James L. Green'in Microlab 1 uzay aracı tarafından toplanan yıldırım aktivitesi haritalarını IMAGE uzay aracı tarafından toplanan radyasyon kemer boşluğundaki radyo dalgaları ile karşılaştıran yakın zamandaki çalışması aslında Dünya atmosferi içindeki yıldırımdan kaynaklandığını göstermektedir. Buna göre Oluşturdukları radyo dalgaları, sadece yüksek enlemlerde geçebilmek için doğru açı ile iyonosfer vurmaktadır; boşlukların alt uçları üst atmosfere yaklaşmaktadır. Bu sonuçlar hala bilimsel olarak tartışılmaktadır.