Sondy Van Allena rewolucjonizują nasze rozumienie pasów radiacyjnych

sondy_van_allena

Około 1000 kilometrów nad powierzchnią Ziemi napotykamy na pierwszy z dwóch łukowatych roków elektronów zwanych Pasami Van Allena lub pasami radiacyjnymi. Zrozumienie kształtu i rozmiaru tych pasów, które mogą się kurczyć i rozszerzać w odpowiedzi na docierające do Ziemi wiatry słoneczne, jest zagadnieniem kluczowym dla bezpieczeństwa naszych przyrządów pracujących w przestrzeni kosmicznej. Silne promieniowanie nie jest niczym dobrym dla zdrowia naszych satelitów, dlatego też naukowcy chcą się dowiedzieć na jakich orbitach sondy i satelity są najbardziej narażone na negatywne oddziaływanie pasów radiacyjnych.

Od lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku gdy naukowcy po raz pierwszy zaczęli tworzyć obraz tych pierścieni energetycznych cząsteczek, nasze rozumienie ich kształtu niewiele się zmieniło – mały, wewnętrzny pas, w dużej mierze pusta przestrzeń za nim i dopiero później zewnętrzny pas zdominowany przez elektrony – ten pierścień jest większy i znacznie bardziej dynamiczny od pasa wewnętrznego. Jednak nowe pomiary dostarczone przez Sondy Van Allen Probes (NASA) wskazują na to, że nie jest to takie proste.

„Kształt pasów znacznie się różni w zależności od tego na jakie elektrony patrzymy,” mówi Geoff Reeves z Los Alamos National Laboratory oraz New Mexico Consortium w Los Alamos w Nowym Meksyku, główny autor artykułu opublikowanego 28 grudnia 2015 roku w czasopiśmie Journal of Geophysical Research. „Elektrony o różnych poziomach energii są rozłożone w różnych częściach pasów.”

Zamiast klasycznego obrazu pasów radiacyjnych – mały wewnętrzny pas, pusta przerwa i większy zewnętrzny pas – nowe analizy wskazują, że kształt pasów może się różnić: mogą występować pojedyncze, ciągłe pasy bez żadnej przerwy, a może też być duży wewnętrzny pasń i mały zewnętrzny, a może być tak, że w ogóle nie ma wewnętrznego pasa. Wiele z tych rodzajów widać gdy się rozpatruje pojedynczo elektrony na różnych poziomach energii.

1-nasasvanalle

„To jest tak samo jak gdybyśmy słuchali różnych elementów tej samej piosenki,” mówi Reeves. „Sekcja basowa brzmi inaczej od wokali, a wokale inaczej od bębnów, itd.”

Naukowcy odkryli, że wewnętrzny pas – mniejszy pas w klasycznym ujęciu pasów – jest dużo większy niż zewnętrzny gdy obserwujemy elektrony o niższej energii, podczas gdy zewnętrzny pas jest większy gdy obserwujemy elektrony o wyższych energiach. Przy najwyższych poziomach energii struktura zewnętrznego pasa praktycznie zanika. Tak więc w zależności od tego na czym się skupimy, pasy radiacyjne mogą znacznie się od siebie różnić.

Te struktury ulegają kolejnym zmianom podczas występowania tzw. burz geomagnetycznych. Gdy szybko poruszająca się materia magnetyczna ze Słońca – w formie strumieni szybko poruszającego się wiatru słonecznego lub koronalnych wyrzutów masy – zderzają się z polem magnetycznym Ziemi, powodują jego oscylacje, co prowadzi do powstania burzy geomagnetycznej. Burze geomagnetyczne mogą tymczasowo zwiększać lub zmniejszać liczbę energetycznych elektronów w pasach radiacyjnych, a pasy po jakimś czasie wracają do swojej oryginalnej konfiguracji.

2-nasasvanalle

Te napędzane burzą zwiększenia lub zmniejszenia ilości elektronów są jak na razie nie do przewidzenia.

„Gdy patrzymy na szeroki zakres energii zaczynamy widzieć pewne wyraźne zależności w dynamice burzy,” mówi Reeves. „Odpowiedź elektronu na różnych poziomach energii różni się szczegółami, jednak występuje też pewne wspólne zachowanie. Przykładowo, zaobserwowaliśmy, że elektrony wyskakują ze swoich regionów przerwy stosunkowo szybko po burzy geomagnetycznej, jednak położenie przerwy zależy od energii elektronu.”

Często zewnętrzny pas elektronów rozciąga się do wnętrza, w kierunku wewnętrznego pasa podczas burz geomagnetycznych, całkowicie wypełniając przerwę elektronami o niższej energii i tworząc jeden duży pas radiacyjny. W przypadku niższych energii przerwa tworzy się dalej od Ziemi, sprawiając, że wewnętrzny pas staje się większy niż zewnętrzny. Przy wyższych poziomach enerii przerwa powstaje bliżej Ziemi prowadząc do odwrócenia stosunku rozmiarów pasów.

Dwa satelity Van Allen Probe poszerzają zakres energetycznych elektronów, które możemy zarejestrować. Oprócz badania ekstremalnie energetycznych elektronów – o energii milionów elektronowoltów – które badane były już wcześniej, sondy Van Allen Probe  mogą rejestrować informacje o elektronach o niższej energii – rzędu kilku tysięcy elektronowoltów. Dodatkowo sonda może mierzyć energie elektronów z dużo większą rozdzielczością niż było to możliwe wcześniej.

„Nasze poprzednie instrumenty pozwalały na mierzenie pięciu lub dziesięciu poziomów energii jednocześnie,” mówi Reeves. „Jednak sondy Van Allena mogą mierzyć ich setki.”

Mierzenie strumienia elektronów na tych niższych poziomach energii okazywało się bardzo trudne w przeszłości z uwagi na obecność protonów w pasach radiacyjnych najbliższych Ziemi. Owe protony  przenikają przez detektory cząsteczek tworząc szum, z którego trzeba wyciągać pomiary rzeczywistych elektronów. Jednak dane z sond Van Allena dowodzą, że elektrony o niższej energii krążą znacznie bliżej Ziemi niż się wcześniej wydawało.

3-nasasvanalle

„Mimo szumu protonowego, sondy Van Allena mogą wyraźnie zidentyfikować energie mierzonych elektronów,” mówi Reeves.

Precyzyjne obserwacje tego typu, obejmujące setki poziomów energii zamiast kilku, pozwolą naukowcom stworzyć precyzyjniejszy i bardziej rygorystyczny model tego co dokładnie się dzieje w pasach radiacyjnych, zarówno podczas burz geomagnetycznych jak i w okresach spokoju.

Źródło: Journal of Geophysical Research / phys.org