Οι ζώνες ακτινοβολίας Van Allen (Radiation Belts στην παραπάνω αναπαράσταση) που περιέχονται στη μαγνητόσφαιρα της Γης. Η πίεση από τον ηλιακό άνεμο είναι υπεύθυνη για το ασύμμετρο σχήμα της μαγνητόσφαιρας και των ζωνών. Image Credit: NASA
Η Γη περιβάλλεται από τοροειδείς (ή αλλιώς σχήματος ντόνατ) ζώνες που περιέχουν σωματίδια υψηλής ενέργειας, γνωστές ως ζώνες Van Allen. Το σχήμα και το μέγεθος αυτών των ζωνών μεταβάλλεται και επηρεάζεται από τις γεωμαγνητικές καταιγίδες που προκαλούνται από τις διάφορες εκρήξεις που λαμβάνουν χώρα στον Ήλιο και διαδίδονται στο διαπλανητικό χώρο δηλαδή από την επίδραση του ηλιακού ανέμου στη μαγνητόσφαιρα της Γης. Η κατανόηση της συμπεριφοράς των ζωνών Van Allen είναι σημαντική για την προστασία των δορυφόρων, των διαστημικών αποστολών αλλά και της ζωής των αστροναυτών στο διάστημα. Ακόμη, οι ζώνες αυτές είναι άμεσα συνδεδεμένες με την κατανόηση και πρόβλεψη του διαστημικού καιρού.
Οι ζώνες Van Allen ανακαλύφθηκαν το 1958 όταν εκτοξεύθηκε το Explorer I για τη μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας. Ο δορυφόρος είχε έναν μετρητή Geiger-Müller για τη μέτρηση ακτινοβολίας.
Προς έκπληξη όλων, ο ανιχνευτής έλαβε μετρήσεις από μια περιοχή που παλιότερα πιστεύαμε ότι ήταν κενή! Την ιστορία συμπλήρωσε ο James Van Allen, ο οποίος ανακάλυψε τις ζώνες ακτινοβολίας ερμηνεύοντας τα δεδομένα που έστειλε ο δορυφόρος. 
Τι είναι όμως οι ζώνες Van Allen και πως δημιουργούνται;
Οι ζώνες ακτινοβολίας Van Allen είναι ζώνες φορτισμένων σωματιδίων υψηλής ενέργειας, τα περισσότερα από τα οποία προέρχονται από τον ηλιακό άνεμο. Τα σωματίδια παγιδεύονται από το μαγνητικό πεδίο της Γης και συγκρατούνται από αυτό. Τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται σε σπειροειδής τροχιές κατά μήκος των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου της Γης και πηγαίνουν από τον ένα πόλο στον άλλο. Έτσι, καθώς τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται (επιταχυνόμενα) παράγουν ακτινοβολία. Στην πραγματικότητα η ζώνη Van Allen δεν είναι ακριβώς μία, αλλά δύο ή τρεις. Αν η ηλιακή δραστηριότητα είναι αυξημένη οι ζώνες μπορούν να συγχωνευτούν σε μία εκτενή ζώνη, ή σε δύο διαφορετικές, αλλά αν είναι ασθενής μπορούν ακόμη και να διαχωριστούν σε τρεις ζώνες. Αυτό που διαχωρίζει την περιοχή σε ζώνες είναι η ενέργεια των φορτισμένων σωματιδίων που τις αποτελούν.
Από το 1958, οι επιστήμονες μελετάνε τις ζώνες ακτινοβολίας Van Allen, ενώ το 2012, η NASA εκτόξευσε τα Van Allen Probes για τη μελέτη τους. Τα Van Allen Probes στέλνουν ακόμη και σήμερα πληθώρα δεδομένων που έχει βοηθήσει στην κατανόηση των ζωνών ακτινοβολίας. Ένα βασικό εύρημα ήταν ότι ραδιοκύματα πολύ χαμηλής συχνότητας (Very low frequency – VLF) που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες μπορούν να επηρεάσουν και να αλληλεπιδράσουν με τα σωματίδια στις ζώνες Van Allen!
Η εσωτερική περιοχή των ζωνών βρίσκεται περίπου 3.000 χιλιόμετρα από την επιφάνεια της Γης ενώ η εξωτερική ζώνη (μετρώντας από την περιοχή μέγιστης πυκνότητας) μπορεί να φτάσει και στα 15.000-20.000 χιλιόμετρα. Ενδεικτικά, οι δορυφόροι έχουν τροχιές που βρίσκονται από 300 μέχρι και 36.000 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας.
Οι ζώνες αποτελούνται κυρίως από πρωτόνια και ηλεκτρόνια πολύ υψηλών ενεργειών και η μέγιστη ένταση της ακτινοβολίας τους είναι περίπου 20.000 σωματίδια ανά σφαιρική επιφάνεια ενός εκατοστού προς όλες τις κατευθύνσεις! Ενδεικτικά, οι ενέργειες των πρωτονίων φτάνουν τα 30 εκατομμύρια eV (electron volt). Για να σκεφτούμε το μέγεθος των ενεργειών αυτών αρκεί να σκεφτούμε ότι η μέση ενέργεια που εκλύεται από σύντηξη δευτέριου και τρίτιου για τη δημιουργία ήλιου είναι περίπου 18 εκατομμύρια eV.
Αφού είναι τόσα πολλά τα σωματίδια αυτά, τα βλέπουν οι αστροναύτες;
Η απάντηση είναι όχι, μιας και οι ζώνες είναι αρκετά αραιές. Οπότε οι αστροναύτες δεν μπορούν να τις δουν ή να τις νιώσουν στον χώρο. Παρ’όλα αυτά, στις ζώνες αυτές δημιουργούνται κύματα τα οποία μπορούμε να τα ακούσουμε μέσω μιας επεξεργασίας, της ηχοποίησης! Μπορείτε να ακούσετε τον ήχο που κάνουν τα ηλεκτρόνια στο κοντινό μας διάστημα όπως τα “άκουσε” η NASA εδώ.
Καλλιτεχνική απεικόνιση των ζωνών Van Allen. Image Credit: NASA/Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio
Τι είναι όμως οι ζώνες Van Allen και πως δημιουργούνται;
Οι ζώνες ακτινοβολίας Van Allen είναι ζώνες φορτισμένων σωματιδίων υψηλής ενέργειας, τα περισσότερα από τα οποία προέρχονται από τον ηλιακό άνεμο. Τα σωματίδια παγιδεύονται από το μαγνητικό πεδίο της Γης και συγκρατούνται από αυτό. Τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται σε σπειροειδής τροχιές κατά μήκος των δυναμικών γραμμών του μαγνητικού πεδίου της Γης και πηγαίνουν από τον ένα πόλο στον άλλο. Έτσι, καθώς τα φορτισμένα σωματίδια κινούνται (επιταχυνόμενα) παράγουν ακτινοβολία. Στην πραγματικότητα η ζώνη Van Allen δεν είναι ακριβώς μία, αλλά δύο ή τρεις. Αν η ηλιακή δραστηριότητα είναι αυξημένη οι ζώνες μπορούν να συγχωνευτούν σε μία εκτενή ζώνη, ή σε δύο διαφορετικές, αλλά αν είναι ασθενής μπορούν ακόμη και να διαχωριστούν σε τρεις ζώνες. Αυτό που διαχωρίζει την περιοχή σε ζώνες είναι η ενέργεια των φορτισμένων σωματιδίων που τις αποτελούν.
Από το 1958, οι επιστήμονες μελετάνε τις ζώνες ακτινοβολίας Van Allen, ενώ το 2012, η NASA εκτόξευσε τα Van Allen Probes για τη μελέτη τους. Τα Van Allen Probes στέλνουν ακόμη και σήμερα πληθώρα δεδομένων που έχει βοηθήσει στην κατανόηση των ζωνών ακτινοβολίας. Ένα βασικό εύρημα ήταν ότι ραδιοκύματα πολύ χαμηλής συχνότητας (Very low frequency – VLF) που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες μπορούν να επηρεάσουν και να αλληλεπιδράσουν με τα σωματίδια στις ζώνες Van Allen!
Η εσωτερική περιοχή των ζωνών βρίσκεται περίπου 3.000 χιλιόμετρα από την επιφάνεια της Γης ενώ η εξωτερική ζώνη (μετρώντας από την περιοχή μέγιστης πυκνότητας) μπορεί να φτάσει και στα 15.000-20.000 χιλιόμετρα. Ενδεικτικά, οι δορυφόροι έχουν τροχιές που βρίσκονται από 300 μέχρι και 36.000 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας.
Οι ζώνες αποτελούνται κυρίως από πρωτόνια και ηλεκτρόνια πολύ υψηλών ενεργειών και η μέγιστη ένταση της ακτινοβολίας τους είναι περίπου 20.000 σωματίδια ανά σφαιρική επιφάνεια ενός εκατοστού προς όλες τις κατευθύνσεις! Ενδεικτικά, οι ενέργειες των πρωτονίων φτάνουν τα 30 εκατομμύρια eV (electron volt). Για να σκεφτούμε το μέγεθος των ενεργειών αυτών αρκεί να σκεφτούμε ότι η μέση ενέργεια που εκλύεται από σύντηξη δευτέριου και τρίτιου για τη δημιουργία ήλιου είναι περίπου 18 εκατομμύρια eV.
Αφού είναι τόσα πολλά τα σωματίδια αυτά, τα βλέπουν οι αστροναύτες;
Η απάντηση είναι όχι, μιας και οι ζώνες είναι αρκετά αραιές. Οπότε οι αστροναύτες δεν μπορούν να τις δουν ή να τις νιώσουν στον χώρο. Παρ’όλα αυτά, στις ζώνες αυτές δημιουργούνται κύματα τα οποία μπορούμε να τα ακούσουμε μέσω μιας επεξεργασίας, της ηχοποίησης! Μπορείτε να ακούσετε τον ήχο που κάνουν τα ηλεκτρόνια στο κοντινό μας διάστημα όπως τα “άκουσε” η NASA εδώ.
https://2science.gr/van-allen/