Ζώνες Βαν Άλεν

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.

Ανακάληψη
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

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

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 ιόντα οξυγόνου 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.

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.

Δείτε επίσης 
 Ιονόσφαιρα
 Στρατόσφαιρα

Πηγές

Γεωμαγνητισμός
Ακτινοβολία
Ατμόσφαιρα