Sabuk sinaran Van Allen

Sabuk sinaran Van Allen (Inggeris: Van Allen radiation belt) ialah salah satu daripada sekurang-kurangnya dua lapisan zarah bercas bertenaga (plasma) yang ditetapkan di sekeliling Bumi oleh medan magnet Bumi. Sabuk ini merentang daripada altitud kira-kira 1,000 hingga 60,000 kilometer di atas permukaan Bumi, dan dalam kawasan ini tahap radiasi berubah-ubah. Kebanyakan zarah yang membentuk sabuk ini dikatakan berasal daripada angin suria dan zarah-zarah lain daripada sinar kosmos. Sabuk-sabuk ini dinamakan bersempena nama penemunya, James Van Allen, dan terletak di dalam magnetosfera Bumi. Sabuk-sabuk ini mengandungi elektron-elektron bertenaga yang membentuk sabuk luaran dan campuran proton-proton dan elektron-elektron yang membentuk sabuk dalaman. Sabuk sinaran juga mengandungi sedikit nukleus jenis lain, seperti zarah alfa. Sabuk ini mengancam satelit-satelit yang perlu melindungi komponen-komponen sensitif masing-masing dengan pelindung yang bersesuaian sekiranya orbitnya melalui sabuk sinaran dalam jangka masa yang lama. Pada tahun 2013, NASA melaporkan bahawa Prob-prob Van Allen telah menemui sabuk sinaran ketiga sementara yang diperhatikan selama empat minggu sehingga ia dimusnahkan oleh gelombang kejut antara planet yang kuat dari Matahari.

Penemuan
Kristian Birkeland, Carl Størmer dan Nicholas Christofilos telah menyelidik kemungkinan terdapatnya zarah bercas yang diperangkap sebelum Zaman Angkasa (Space Age). Explorer 1 dan Explorer 3 telah mengesahkan kewujudan sabuk ini pada awal tahun 1958 di bawah arahan James Van Allen di Universiti Iowa. Radiasi yang terperangkap ini pertama kali dipetakan oleh Explorer 4, Pioneer 3 dan Luna 1.

Istilah sabuk Van Allen secara tepatnya merujuk kepada sabuk-sabuk sinaran yang menyelubungi Bumi; namun, sabuk-sabuk sinaran seperti ini telah ditemui di sekeliling planet-planet lain. Matahari tidak dapat mengekalkan sabuk sinaran dalam jangka masa panjang kerana ia tidak mempunyai medan dwikutub global yang stabil. Atmosfera Bumi mengehadkan zarah-zarah sabuk ini kepada kawasan pada altitud 200-1,000 km, dan sabuk-sabuk ini tidak merentang lebih daripada 7 jejari Bumi RE. Sabuk-sabuk ini dihadkan dalam kawasan yang merentang kira-kira 65° dari khatulistiwa samawi.

Kajian

Misi Prob-prob Van Allen oleh NASA akan pergi lebih jauh dan mendapat lebih pemahaman saintifik (sehingga ia boleh meramal) berkenaan bagaimana populasi elektron relativistik dan ion-ion di angkasa terbentuk atau berubah mengikut perubahan dalam aktiviti suria dan angin suria. Kajian-kajian yang dibiayai oleh Institut untuk Konsep-konsep Lanjutan NASA telah mencadangkan pencedok-pencedok magnetik untuk mengumpul antijirim yang biasanya terbentuk secara semula jadi di dalam sabuk sinaran Van Allen Bumi, walaupun hanya kira-kira 10 mikrogram antiproton sahaja dianggarkan wujud dalam seluruh sabuk.

Misi Prob-prob Van Allen dilancarkan dengan jayanya pada 30 Ogos 2012. Misi utamanya dijadualkan berlangsung selama dua tahun dan misi-misi yang kurang penting dijangkakan berlangsung selama empat tahun. Pusat Penerbangan Angkasa Goddard NASA menguruskan program Living With a Star, yang mana antara projek-projeknya ialah Prob-prob Van Allen dan juga Balai Cerap Dinamik Suria (SDO). Makmal Fizik Gunaan bertanggungjawab bagi pelaksanaan keseluruhan dan pengurusan peralatan bagi Prob-prob Van Allen.

Sabuk sinaran Van Allen wujud di planet-planet dalam sistem suria yang mempunyai medan magnet yang cukup kuat untuk menyokong sabuk sinaran. Namun, kebanyakan sabuk sinaran ini tidak dipetakan dengan sempurna. Program Voyager (iaitu Voyager 2) hanya mengesahkan sahaja kewujudan sabuk-sabuk sinaran yang serupa di Uranus dan Neptun.

Sabuk luaran

Sabuk sinaran luaran yang besar bentuknya hampir seperti torus. Ia menjangkau daripada altitud kira-kira tiga hingga sepuluh jejari Bumi (RE) atau 13,000 hingga 16,000 kilometer di atas permukaan Bumi. Sabuk ini mempunyai kekuatan tertinggi biasanya di antara 4-5 RE. Sabuk sinaran elektron luaran biasanya dibentuk oleh bauran jejari kedalam dan pecutan lokal yang disebabkan oleh pemindahan tenaga daripada gelombang plasma mod bisikan kepada elektron-elektron sabuk sinaran. Elektron sabuk sinaran juga sentiasa dikeluarkan oleh pelanggaran dengan zarah-zarah neutral di atmosfera, hilang kepada jeda magnet (magnetopause), dan bauran jejari keluar. Sabuk luaran kebanyakannya terdiri daripada elektron bertenaga tinggi (0.1-10 MeV) yang diperangkap oleh magnetosfera Bumi. Jejari giro bagi proton-proton bertenaga adalah cukup besar sehingga ia boleh bersentuh dengan atmosfera Bumi. Elektron-elektron di sini mempunyai fluks yang tinggi dan di pinggir luaran (hampir dengan jeda magnet), di mana garis-gari medan geomagnet terbuka ke dalam "ekor" geomagnet, fluks elektron-elektron bertenaga boleh jatuh ke tahap antara planet yang rendah di dalam kira-kira 100 kilometer, penurunan sebanyak faktor 1,000.

Populasi zarah-zarah yang terperangkap di sabuk luaran berbeza-beza dan mengandungi elektron dan pelbagai ion. Kebanyakan ion ini adalah dalam bentuk proton bertenaga, tetapi beberapa peratus daripada keseluruhan ion adalah zarah alfa dan kation oksigen O+, sama seperti kandungan dalam ionosfera tetapi jauh lebih bertenaga. Campuran ion ini mencadangkan yang zarah arus cincin mungkin datang dari lebih daripada satu sumber.

Sabuk luaran lebih besar daripada sabuk dalaman dan populasi zarahnya naik turun dengan banyak. Fluks zarah-zarah bertenaga (radiasi) boleh meningkat dan menurun secara mendadak kesan daripada ribut geomagnet yang dicetuskan oleh medan magnet dan gangguan plasma yang dibentuk oleh Matahari. Peningkatan ini disebabkan oleh suntikan berkaitan ribut dan pecutan zarah daripada ekor magnetosfera.

Sabuk dalaman
Walaupun proton memebentuk satu sabuk sinaran, elektron terperangkap membentuk dua sabuk yang berbeza, sabuk dalaman dan sabuk luaran. Sabuk elektron dalaman Van Allen biasanya menjangkau dari altitud 0.2 hingga 2 jejari Bumi (nilai L daripada 1 hingga 3) atau 1,000 hingga 6,000 kilometer di atas permukaan Bumi. Dalam sesetengah keadaan apabila aktiviti suria lebih kuat atau di kawasan geografi seperti Anomali Atlantik Selatan (SAA), sempadan dalam sabuk ini boleh mencapai serendah 200 kilometer di atas permukaan Bumi. Sabuk dalaman mengandungi penumpuan tinggi elektron dalam julat beratus-ratus keV dan proton-proton dengan tenaga melebihi 100 MeV yang diperangkap oleh medan magnet yang kuat (berbanding yang berada di sabuk luaran) dalam kawasan itu.

Tenaga proton yang melebihi 50 MeV di sabuk dalaman di altitud rendah dipercayai disebabkan oleh pereputan beta neutron-neutron yang berpunca oleh pelanggaran sinar kosmik dengan nukleus atmosfera atas. Sumber bagi proton-proton bertenaga lebih rendah pula dipercayai daripada pembauran proton yang berpunca daripada perubahan dalam medan magnet sewaktu ribut geomagnet.

Oleh sebab sabuk-sabuk ini tersasar sedikit dari pusat geometri Bumi, sabuk Van Allen dalam berada paling dekat dengan permukaan di Anomali Atlantik Selatan.

Nilai fluks
Dalam sabuk-sabuk ini, di titik-titik tertentu, fluks zarah-zarah dengan tenaga tertentu menurun secara mendadak dengan tenaga.

Di khatulistiwa magnet, elektron dengan tenaga melebihi 500 keV (resp. 5 MeV) mempunyai fluks semua arah di antara 1.2 × 106 (resp. 3.7 × 104) hingga 9.4 × 109 (resp. 2 × 107) zarah setiap sentimeter persegi setiap saat.

Sabuk-sabuk proton mengandungi proton-proton dengan tenaga kinetik di antara 100 keV (yang boleh menembusi 0.6 µm plumbum) hingga lebih daripada 400 MeV (yang boleh menembusi 143 mm plumbum).

Kebanyakan nilai fluks bagi sabuk dalaman dan luaran yang diterbitkan mungkin tidak menunjukkan kepadatan fluks tertinggi yang mungkin dalam sabuk-sabuk ini. Ada sebab bagi kepincangan ini: kepadatan fluks dan lokasi fluks puncak berbeza-beza (bergantung terutamanya pada aktiviti suria), dan bilangan kapal angkasa dengan peralatan-peralatan untuk memerhatikan sabuk ini dalam masa sebenar telah dikurangkan. Bumi belum pernah memerhatikan ribut suria dengan kekuatan dan jangka masa seperti peristiwa Carrington pada masa kini apabila kapal angkasa dengan peralatan-peralatan yang sesuai telah wujud untuk memerhatikannya.

Tidak kiralah perbezaan paras fluks di sabuk sinaran Van Allen dalaman dan luaran, tahap sinaran beta tetap berbahaya kepada manusia jika mereka didedahkan kepadanya buat jangka masa yang lama.

Pengurungan antijirim
Pada 2011, satu kajian telah mengesahkan spekulasi awal bahawa sabuk Van Allen boleh mengurung antijirim. Eksperimen PAMELA telah mengesan paras antiproton yang bermagnitud-magnitud lebih tinggi daripada yang dijangka daripada pereputan zarah biasa apabila melepasi SAA. Ini mencadangkan yang sabuk Van Allen mengurung satu fluks antiproton yang agak banyak hasil interaksi atmosfera atas Bumi dengan sinar kosmik. Tenaga antiproton ini telah diukur di antara 60-750 MeV.

Kesan kepada pengembaraan ke angkasa lepas
Misi melangkaui orbit Bumi rendah meninggalkan perlindungan medan geomagnet dan memasuki sabuk-sabuk Van Allen. Oleh itu, ia perlu dilindungi daripada pendedahan kepada sinar kosmik, radiasi Van Allen, atau nyalaan suria. Kawasan di antara dua hingga empat jejari Bumi terletak di antara dua sabuk sinaran ini dan kadang kala dirujuk sebagai "zon selamat".

Sel suria, Litar bersepadu dan sensor boleh dirosakkan oleh radiasi. Ribut geomagnet biasanya merosakkan komponen elektronik dalam kapal angkasa. Pengecilan saiz dan pendigitalan peralatan elektronik dan litar logik menyebabkan satelit-satelit lebih terdedah kepada radiasi kerana jumlah cas elektrik dalam litar-litar ini sekarang cukup kecil untuk ditandingi cas ion-ion yang mendatang. Peralatan elektronik dalam satelit perlu "dikeraskan" melawan radiasi untuk berfungsi dengan sempurna. Teleskop Angkasa Hubble, dan satelit-satelit lain, selalu mematikan sensor-sensornya apabila melalui kawasan-kawasan dengan radiasi tinggi. Satelit yang dilindungi oleh 3 mm aluminium dalam orbit elips (320 hingga 32,000 km) yang melalui sabuk-sabuk sinaran akan menerima kira-kira 2,500 rem (25 Sv) setiap tahun. Hampir semua radiasiakan diterima sewaktu melepasi sabuk dalaman.

Rujukan