Van Allen-gordel

’n Van Allen-gordel is ’n streek met energieke, gelaaide deeltjies waarvan die meeste uit die sonwind ontstaan en deur die Aarde se magneetveld vasgevang word. Die Aarde het twee sulke stralingsgordels, en soms word nog tydelik geskep. Om ander planete kom soortgelyke gordels voor. Die ontdekking van die gordels word aan die Amerikaanse ruimtewetenskaplike James van Allen toegeskryf. 

Die Aarde se twee hoofgordels strek van ’n hoogte van sowat 640 tot 58 000 km bo die oppervlak waar stralingsvlakke wissel. Die meeste deeltjies wat die gordels vorm, kom vermoedelik van die sonwind af en ander van kosmiese strale. Deur die sonwind vas te vang keer die magneetveld dié energieke deeltjies weg en voorkom dat die atmosfeer vernietig word.

Die gordels kom voor in die binneste streek van die Aarde as magnetosfeer. Hulle vang energieke elektrone en protone vas. Ander kerns, soos alfadeeltjies, kom minder voor. Die gordels hou gevaar in vir satelliete, waarvan die sensitiewe dele beskerm moet word as hulle ’n aansienlike tyd naby dié streek deurbring. 

In 2013 het Nasa aangekondig die Van Allen-ruimtetuie het ’n kortstondige, derde gordel ontdek wat vier weke lank waargeneem is voordat dit deur ’n kragtige interplanetêre skokgolf van die Son af vernietig is.

Ontdekking

Die Noorweegse en Griekse wetenskaplikes Kristian Birkeland, Carl Størmer en Nicholas Christofilos het al voor die ruimtetydperk die moontlikheid van vasgekeerde gelaaide deeltjies ondersoek. Explorer 1 en Explorer 3 het die bestaan van die gordel vroeg in 1958 onder James van Allen by die Universiteit van Iowa bevestig. Die vasgekeerde straling is deur Explorer 4, Pioneer 3 en Luna 1 die eerste keer gekarteer.

Die term "Van Allen-gordels" verwys spesifiek na die stralingsgordels om die Aarde, hoewel soortgelyke gordels om ander planete ontdek is. Die Son onderhou nie stralingsgordels op lang termyn nie, want dit ontbreek ’n stabiele, globale, dipolêre veld. Die Aarde se atmosfeer beperk die gordel se deeltjies tot streke hoër as 200-1 000 km, terwyl die gordels nie hoër strek as agt aardradiusse () nie. Die gordels word ingeperk tot ’n volume wat sowat 65° weerskante van die hemelewenaar strek.

Navorsing
Nasa se Van Allen-ruimtetuigsending het ten doel gehad om uit te vind hoe bevolkings relativistiese elektrone en ione in die ruimte vorm of laai in reaksie op ladings in sonaktiwiteit en die sonwind.

Die Van Allen-ruimtetuie is op 30 Augustus 2012 gelanseer. Die sending het sewe jaar geduur voordat die tuie se brandstof opgeraak en hulle in 2019 gedeaktiveer is. 

Stralingsgordels bestaan om ander planete en mane in die Sonnestelsel met sterk genoeg magneetvelde om hulle te onderhou. Tot dusver is die meeste van dié gordels swak gekarteer. Die Voyager-program het net die bestaan daarvan om Uranus en Neptunus bevestig. Die Cassini-ruimtetuig het ook Jupiter se gordels gekarteer.

Binnegordel
Die binneste Van Allen-gordel strek gewoonlik van ’n hoogte van 1 000 tot 12 000 km bo die Aarde. In sekere gevalle, wanneer die sonaktiwiteit sterker is, of in geografiese streke soos die Suid-Atlantiese Anomalie, kan die binneste grens afneem tot rofweg 200 km bo die Aarde se oppervlak. Die binnegordel bevat hoë konsentrasies elektrone, in die omgewing van honderde keV, en energieke protone met energieë van meer as 100 MeV wat vasgekeer word deur die sterk magneetvelde in die streek (in vergelyking met die buitegordel).

Daar word geglo protonenergieë van meer as 50 MeV in die laer gordel teen laer hoogtes is die gevolg van die betaverval van neutrone wat veroorsaak word deur botsings van kosmiese strale met kerns van die boonste atmosfeer. Die bron van protone met laer energieë is vermoedelik protonverstrooiing vanweë veranderings in die magneetveld tydens geomagnetiese storms.

Vanweë die geringe afwyking van die gordel van die Aarde se geometriese sentrum, kom die gordel op sy naaste aan die Aarde se oppervlak by die Suid-Atlantiese Anomalie.

Buitegordel
Die buitegordel bestaan hoofsaaklik uit elektrone met hoë energieë (0,1-10 MeV) wat deur die Aarde se magnetosfeer vasgekeer word. Dit is veranderliker as die binnegordel omdat dit makliker deur sonaktiwiteit beïnvloed word. Dit is byna torusvormig – dit begin by ’n hoogte van 3 R⊕ en strek tot omtrent 10 R⊕ (of tussen 13 000 en 60 000 km) bo die Aarde se oppervlak. Sy grootste intensiteit is gewoonlik by omtrent 4-5 R⊕. Hierdie buitenste elektronstralingsgordel word hoofsaaklik veroorsaak deur binnewaartse radiale verstrooiing en versnelling. Elektrone word ook deurentyd verwyder deur botsings met die Aarde as atmosfeer, verplasing na die magnetopouse en uitwaartse radiale verstrooiing. In dié gordel het die elektrone ’n hoë fluks en aan die buiterand (naby die magnetopouse), waar die geomagneetveldlyne in die geomagnetiese "stert" open, kan die fluks van energieke elektrone afneem tot omtrent 100 km, ’n afname met ’n faktor van 1 000.

Die hoeveelheid vasgekeerde deeltjies in die buitegordel wissel – dit bevat elektrone en verskeie ione. Die meeste ione is in die vorm van energieke protone, maar ’n sekere persentasie is alfadeeltjies en O+-suurstofione, soortgelyk aan dié in die ionosfeer, maar energieker. 

Die buitegordel is groter as die binnegordel en sy hoeveelheid deeltjies wissel grootliks. Die fluks van energieke deeltjies neem skerp toe of af na gelang van geomagnetiese storms, wat self meegebring word deur versteurings in die magneetveld en plasma wat deur die Son veroorsaak word. Die toenames is vanweë stormverwante instromings en versnelling van deeltjies uit die stert van die magnetosfeer.

Op 28 Februarie 2013 is berig ’n derde stralingsgordel met hoë-energie-, ultrarelativistiese gelaaide deeltjies is waargeneem. In ’n nuuskonferensie deur Nasa se Van Allen-ruimtetuigspan is gesê dié derde gordel is die gevolg van ’n plasmawolk van die Son af. Dit het die buitegordel soos ’n mes aan sy buitekant oopgesny en het ’n maand lank bestaan voordat dit weer met die buitegordel saamgesmelt het

Antimaterie
In 2011 het ’n studie vroeëre spekulasie bevestig dat die Van Allen-gordels antideeltjies kan inperk. Die PAMELA-eksperiment het vlakke antiprotone waargeneem wat ’n paar grootteordes hoër was as wat verwag word van normale deeltjieverval terwyl dit deur die Suid-Atlantiese Anomalie beweeg. Dit dui daarop dat die Van Allen-gordels ’n aansienlike fluks van antiprotone inperk wat veroorsaak word deur die wisselwerking van die Aarde se boonste atmosfeer met kosmiese strale. Die energie van die antiprotone is gemeet as in die omgewing van 60-750 MeV.

Navorsing met geld van Nasa se Instituut vir Gevorderde Konsepte het tot die gevolgtrekking gelei dat hierdie antiprotone vir die aandrywing van vliegtuie aangewend sal kan word. Navorsers glo hierdie benadering sal voordele hê bo die verwekking van antiprotone by CERN, want om die deeltjies op hul oorspronklike plek te versamel, skakel die koste van vervoer en verliese uit. Jupiter en Saturnus is ook moontlike bronne, maar die Aarde se gordels is die produktiefste.

Verwysings

Skakels
 'n Verduideliking van die gordels deur David P. Stern en Mauricio Peredo
 Background: Trapped particle radiation models – Inleiding deur SPENVIS
Webtuiste van die Van Allen-ruimtetuie, Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Ruimteverskynsels
Geofisika
Indeling van die Aarde