Ζώνες Van Allen

Συχνές ερωτήσεις Μάϊος 2001

Πριν 43 χρόνια ανακαλύφθηκαν οι ζώνες Van Allen. Τα φορτισμένα σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας παγιδεύονται στις ζώνες Van AIIen, λόγω της επίδρασης του γήινου μαγνητικού πεδίου, που τα υποχρεώνει να κινούνται σε ελικοειδείς τροχιές γύρω από τις μαγνητικές του γραμμές.

Ήταν το 1958. Τότε εκτοξεύτηκε ο πρώτος αμερικανικός δορυφόρος Explorer Ι, που μετέφερε έναν μετρητή Geiger, με σκοπό να συλλέξει δεδομένα για την κοσμική ακτινοβολία. Οι επιστήμονες ενώ ανέμεναν  30 καταγραφές ανά δευτερόλεπτο, αντιθέτως σε ορισμένα σημεία της τροχιάς του Explorer δεν καταγράφηκε καμία.
Η υπεύθυνη ομάδα για το συγκεκριμένο πείραμα, με την καθοδήγηση του καθηγητή του Πανεπιστημίου της Iowa, Dr James Van Allen, ερμήνευσε την διαφορά αυτή ανάμεσα στη θεωρία και στα πραγματικά δεδομένα, με την υπόθεση ότι γύρω από τη Γη υπάρχουν ζώνες όπου η συγκέντρωση φορτισμένων σωματιδίων, που συγκρατούν τις κοσμικές ακτίνες, είναι εξαιρετικά αυξημένη.

Οι ζώνες αυτές, που πήραν το όνομα του υπεύθυνου προγράμματος, Van Allen, χωρίζονται στις εσωτερικές και τις εξωτερικές. Οι εσωτερικές περιέχουν φορτισμένα σωματίδια, κυρίως πρωτόνια με ενέργειες που ξεπερνούν τα 30 MeV , σε γενικά μεγαλύτερες συγκεντρώσεις και εκτείνονται σε μέσο ύψος 3.000 km.
Οι εξωτερικές ζώνες Van Allen καλύπτουν έναν δακτύλιο που εκτείνεται σε ύψη 15.000-20.000 km πάνω από τον Ισημερινό, και περιέχουν κυρίως ηλεκτρόνια με ενέργειες μεγαλύτερες των 1.5 MeV.

Οι ζώνες Van Allen είναι πιό πυκνές πάνω από τον Ισημερινό και είναι λιγώτερο έντονες πάνω στους πόλους. Κανένα πραγματικό χάσμα υπάρχει μεταξύ των δύο ζωνών, αλλά στην πραγματικότητα βαθμιαία συνδέονται.

Η πυκνότητα των πρωτονίων πολλές φορές στην εσωτερική ζώνη φθάνει περίπου τα 20.000 σωματίδια ανά second, σχηματίζοντας μια σφαιρική επιφάνεια ένος cm² προς όλες τις διευθύνσεις. Πιστεύεται πως τα πρωτόνια της ζώνης αυτής έχουν προέλευση την διάσπαση των νετρονίων που παράγονται όταν υψηλής ενέργειας κοσμικές ακτίνες από την εξώτερη περιοχή του ηλιακού συστήματος συγκρούονται με άτομα και μόρια της Γήινης ατμόσφαιρας.
Μερικά από τα νετρόνια διαφεύγουν στην ατμόσφαιρα, και καθώς ταξιδεύουν της περιοχής της ζώνης ένα μικρό ποσοστό διασπάται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Αυτά τα σωματίδια κινούνται σε σπειροειδείς τροχιές κατά μήκος των δυναμικών γραμμών του Γήινου μαγνητικού πεδίου. Καθώς τα σωματίδια προσεγγίζουν τους μαγνητικούς πόλους, η αύξηση της δύναμης του πεδίου τις αναγκάζει να ανακλαστούν. Τα σωματίδια τότε αναγκάζονται να ταλαντώνονται μεταξύ των μαγνητικών πόλων. Συγχρόνως συγκρούονται με άτομα στην λεπτή ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα την απομάκρυνση τους από τη ζώνη.

Η εξωτερική ζώνη Van Allen περιέχει φορτισμένα  σωματίδια και από την ατμόσφαιρα και από τον ήλιο. Τα τελευταία περιέχουν κυρίως ιόντα ηλίου από τον ηλιακό άνεμο. Τα πρωτόνια της εξωτερικής ζώνης έχουν χαμηλώτερη ενέργεια από αυτά της εσωτερικής, και η ροή τους είναι πολύ υψηλώτερη. Τα περισσότερα ενεργητικά σωματίδια της εξωτερικής ζώνης είναι ηλεκτρόνια, που η ενέργεια τους φθάνει έως αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια electron volts.

Οι μελέτες δείχνουν πως η ένταση της ηλιακής δραστηριότητας προξενεί διαρρήξεις στις ζώνες Van Allen, που συνδέονται με φαινόμενα όπως τα πολικά σέλη και οι μαγνητικές θύελλες.

Ο Van Allen γεννήθηκε το 1914, έγινε καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Iowa το 1951. Ήταν ένας από τους πολλούς επιστήμονες που συμμετείχαν σε ένα διεθνές πρόγραμμα-συνεργασία, την International Geophysical Year (IGY) το  1957-58. Ο Van Allen έγραψε αναρίθμητα papers και άρθρα σε περιοδικά. Είναι εκλεγμένος στην φημισμένη National Academy of Sciences από το 1959 και έγινε πρόεδρος στην Αμερικανική Γεωφυσική Ένωση το 1982.