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 [1] yukarı uzanır. Kuşakları oluşturan parçacıkların çoğunun güneş rüzgarından ve diğer parçacıkların ise kozmik ışınlardan geldiği düşünülmektedir. [2] Güneş rüzgarını yakalayarak, manyetik alan bu enerjik parçacıkları saptırır ve Dünya'nın atmosferini yıkımdan korur.
Bantlar Dünya'nın manyetosferinin iç bölgelerinde bulunur ve enerji yüklenmiş elektronları ve protonları yakalarlar. Alfa parçacıkları gibi diğer çekirdekler daha az yaygındır. Bu kuşaklar ayrıca, uydulara zarar verir ve bu bölgelerde önemli zaman harcıyorlarsa, hassas bileşenleri yeterli kalkanla korunmalıdır. 2013'te NASA, Van Allen Probları'nın, Güneş'ten gelen gezegenler arası şok dalgası tarafından yıkılıncaya dek dört hafta boyunca gözlemlenen geçici bir üçüncü radyasyon kuşağını keşfettiğini bildirdi. [3]
Keşif
Kristian Birkeland, Carl Størmer ve Nicholas Christofilos, Uzay Çağı öncesinde yüklü parçacıkların yakalanma ihtimalini araştırmışlardı. [4] 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, [5] (124-620 mil) sınırlarken, kuşaklar 8 Dünya yarıçapını geçmemiştir. [5] Kuşaklar, gök ekvatorunun her iki yanında yaklaşık 65 [5] uzanan bir hacimle sınırlandırılmıştır.
Araştırma
NASA Van Allen Probları misyonu, uzayda gözlemsel elektronların ve iyonların populasyonlarının güneş etkinliği ve güneş rüzgarındaki değişimlere tepki olarak nasıl oluştuğunu veya bunu nasıl değişeceğini (öngörülebilir noktaya kadar) anlamayı amaçlamaktadır. NASA İşeri Conceptler Enstitüsü tarafından finanse edilen çalışmalar, Van Allen kemerleri içerisinde doğal olarak bulunan antimaddeyi toplamak için manyetik kürekler önermiş olsa da, tüm kemerde sadece yaklaşık 10 mikrogram anti-proton varolduğu tahmin edilmektedir. [6]
Van Allen Probes görevi 30 Ağustos 2012'de başarıyla başlatıldı. [7] Birincil görev iki yıla programlansa da 4 yıla kadar genişletilebilecek. NASA'nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi, Güneş Dinamikleri Gözlemevi (SDO) ile birlikte Van Allen Probları'nın bir projesi olan Living With a Star programını yönetmektedir. Uygulamalı Fizik Laboratuvarı, Van Allen Probları için uygulama ve aygıt yönetiminden sorumludur. [8]
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.
İç kuşak
İçteki Van Allen Kemeri, tipik olarak, Dünya üzerindeki 0.2 ila 2 Dünya yarıçapından (1 ila 3'lük L değerleri) veya 1,000 km'den (620 mi) 6,000 km'ye (3,700 mil) kadar uzanır. [2] [9] Güneş etkinliğinin daha güçlü olduğu durumlarda veya Güney Atlantik Anomalisi gibi coğrafi bölgelerde iç sınır, Dünya yüzeyinin yaklaşık 200 kilometresine kadar [10] aşağı düşebilir. İç kemer, yüzlerce keV aralığında yüksek elektron konsantrasyonları ve enerjileri 100 MeV'ı aşan enerji yüklü protonları içerir, bu parçacıklar bölgedeki güçlü (dış kemere göre) manyetik alanlar tarafından yakalanmıştır. [11]
Düşük irtifalarda alt kemerde 50 MeV'yi aşan proton enerjilerinin, üst atmosferdeki çekirdeklerle kozmik ışınların çarpışmalarıyla oluşturulan nötronların beta bozunumunun sonucu olduğuna inanılmaktadır. Daha düşük enerjili protonların kaynağının ise, jeomanyetik fırtınalar sırasında manyetik alan değişikliklerinden ötürü proton difüzyonu olduğu düşünülmektedir. [12]
Kemerlerin Dünya'nın geometrik merkezinden hafif kayması nedeniyle, iç Van Allen kemeri, Güney Atlantik Anomalisinde yüzeye en yakın yaklaşımı yapar. [13] [14]
Mart 2014'te, radyasyon kayışlarında Van Allen Probları Üzerinde Radyasyon Kemeri Fırtınası Probları İyon Kompozisyon Deneyi (RBSPICE) tarafından 'zebra çizgileri'ne benzeyen bir desen gözlemlendi. Bildirilen neden, Dünya'nın manyetik alan eksenindeki eğim nedeniyle gezegenin dönüşü, tüm iç radyasyon kuşağına nüfuz eden titreşen, zayıf bir elektrik alanı üretti. [15] Zebra şeritlerinin aslında radyasyon kayışlarındaki iyonosfer rüzgarlarının bir izi olduğu gösterildi. [16]
Dış Kuşak
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 [17] [18] ve lokal ivme [19] tarafından üretilir. Radyasyon bandı elektronları, Dünya atmosferi ile çarpışmalar, [19] 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. [20] 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.
28 Şubat 2013'te, yüksek enerjili ultra rölativisttik yüklü parçacıklardan oluşan üçüncü bir radyasyon kuşağının keşfedildiği bildirildi. NASA Van Allen Probe ekibinin düzenlediği basın toplantısında, bu üçüncü kemerin Güneş'ten gelen kütleli koronal çıkışın bir ürünü olduğu belirtildi. Dış Bandı bir bıçak gibi dış tarafından kesen bir oluşum olarak temsil edilmiştir ve Dış Kuşakla birleşmeden evvel bir ay kadar bir süreyle parçacıklara ev sahipliği yapmıştır. [21]
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. [22] Saçılmanın ve yakalanmanın yokluğu uzun süre varlıklarını sürdürmelerini sağladı ta ki Güneşten gelen bir şok dalgası gibi alışılmadık bir olayla tahrip olana kadar.
Akı değerleri
Kuşaklarda, verilen bir noktada belirli bir enerjide parçacık akısı enerjiyle birlikte keskin bir şekilde azalır.
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.
Proton kemerleri kinetik enerjileri, yaklaşık 100 keV (0.6 μm'lik kurşuna nüfuz edebilen) dan 400 MeV'a kadar değişen (143 mm'lik kurşuna nüfuz edebilen) protonları içerir. [23]
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.
İç ve Dış Van Allen kayışlarındaki akı düzeylerinin farklılıklarına bakılmaksızın, beta radyasyon seviyeleri insanların uzun süre maruz kalmaları durumunda tehlikeli olurdu. Apollon misyonları, üst kayışların daha ince bölgelerinden yüksek hızlarda uzay aracı göndererek ve iç kayışları tamamen atlayarak astronotlar için tehlikeleri en aza indirdi. [13] [24] [25]
Anti madde hapsi
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 [26] Anti protonların enerjisi 60-750 MeV aralığında ölçülmüştür.
Uzay yolculuğuna etkileri
Düşük Dünya yörüngesinin ötesine geçen uzay aracı Van Allen kayışlarının radyasyon bölgesine girer. Kemerlerin ötesinde, kozmik ışınlardan ve güneş parçacıkları olaylarından kaynaklanan ek tehlikelerle karşı karşıya kalır. İç ve dış Van Allen kuşakları arasındaki bölge, iki ila dört Dünya yarıçapında yatar ve bazen "güvenli bölge" olarak adlandırılır. [27] [28]
Güneş pilleri, entegre devreler ve sensörler radyasyondan dolayı zarar görebilir. Jeomanyetik fırtınalar bazen uzay aracındaki elektronik bileşenlere zarar verir. Elektronik ve mantık devrelerinin küçültülmesi ve dijitalleştirilmesi uyduları radyasyona karşı daha savunmasız hale getirdi, çünkü bu devrelerdeki toplam elektrik yükü, gelen iyonların yükleriyle karşılaştırılabilecek kadar küçük hale geldi. Güvenilir çalışması için uydulardan gelen elektronikler radyasyona karşı sertleştirilmelidir. Hubble Uzay Teleskobu, diğer uydular gibi sık sık yoğun radyasyon bölgelerinden geçerken sensörlerini kapatır. [29] Radyasyon kemerlerinden geçen eliptik bir yörüngede (200 x 20.000 mil (320 x 32.190 km)) 3 mm alüminyum ile korunan bir uydu, yılda yaklaşık 2,500 rem (25 Sv) alacaktır (karşılaştırma için, tam vücut için 5 Svd doz ölümcüldür). Hemen hemen tüm radyasyon, iç bandı geçerken alınacaktır. [30]
Apollo misyonları, insanların görev planlamacılar tarafından bilinen birkaç radyasyon tehlikesinden biri olan Van Allen kemerlerinden seyahat ettiği ilk olay olarak tarihe geçti. [31] Astronotların, Van Allen kemerlerinde kısa süre boyunca uçtukları için maruz kaldıkları radyasyon çok azdı. Apollo uçuş yörüngeleri, iç kemerleri tamamen atladı ve sadece dış kemerlerin daha ince bölgelerinden geçti. [25] [32]
Astronotların tüm maruz kalmaları Dünyanın manyetik alanı dışındaki güneş parçacıkları sebebiyle oldu. Astronotlar tarafından alınan toplam radyasyon görevden göreve değişmekle birlikte, Birleşik Devletler Atom Enerjisi Radyoaktivite ile Çalışan İnsanlar Komisyonu tarafından belirlenen yılda 5 rem (50 mSv) standardından çok daha düşük, 0.16 ve 1.14 rad arasında (1.6 ve 11.4 mGy) ölçülmüştür [31]
Nedenler
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. [33] Akı çizgileri boyunca spiral harekete ilaveten, 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.
Önerilen Kaldırma Yöntemleri
Yüksek Voltajlı Yörünge Uzun Tether veya HiVOLT, Rus fizikçi VV Danilov tarafından önerilen ve Robert P. Hoyt ve Robert L. Forward tarafından tasfiye edilen Dünyayı çevreleyen [35] Robert Allen radyasyon kemerlerinin [34] radyasyon alanlarının boşaltılması ve çıkarılması için sunulmuş bir bir konsepttir. Önerilen bir uygulama, uydulardan dağıtılan beş 100 km uzunluğunda büyük voltajlara şarj edilmiş iletken tethere sahip bir sistemden oluşur. Bu, kirişlerle karşılaşan yüklü parçacıkların yükselme açısını değiştirmesine neden olur; Böylece zamanla iç kemerler çözülür. Hoyt ve Forward'un şirketi olan Tetherers Unlimited, 2011'de bir ön analiz simülasyonu gerçekleştirdi ve LEO nesnelerini tehdit eden iç kemerler için iki ay içinde teorik radyasyon akış azaltışını [36] mevcut seviyelerin%1'inden daha düşük bir seviyeye indiren bir tablo çizdi. [37]