Pasy Van Allena pulsują z cząstek słonecznych. Źródło zdjęcia: NASA / Tom Bridgman. Kliknij, aby powiększyć
Według nowych badań zespołu kierowanego przez NASA „bezpieczna strefa” w pasach radiacyjnych otaczających Ziemię przemieszcza się wyżej na wysokości i szerokości geograficznej podczas szczytów aktywności słonecznej. Strefa bezpieczna oferuje zmniejszoną intensywność promieniowania każdemu potencjalnemu statkowi kosmicznemu, który musi latać w obszarze pasa radiacyjnego.
„Te nowe badania przybliżają nas do zrozumienia, w jaki sposób znika odcinek pasa radiacyjnego”, powiedział dr Shing Fung z Centrum Lotów Kosmicznych Goddard w NASA w Greenbelt, MD. Fung jest głównym autorem artykułu na temat tych badań pojawiających się w Internecie wersja liniowa listów z badań geofizycznych z 22 lutego.
Zespół oparł swoje wyniki na pomiarach cząstek o dużej prędkości (elektronów), które składają się na „pas promieniowania Van Allena”, z serii statku kosmicznego orbitującego na orbicie meteorologicznej National Oceanic and Atmospheric Administration w latach 1978–1999. Podczas lotu statku kosmicznego na swoich orbitach polarnych wykryli mniej cząstek pasa promieniowania w pewnym zakresie szerokości geograficznej, co wskazuje na bezpieczne przejścia strefy przez statek kosmiczny. Naukowcy porównali dane zebrane podczas stosunkowo niskich okresów aktywności słonecznej, zwanych minimum słonecznym, z danymi z szczytowych okresów aktywności słonecznej, zwanych maksimum słonecznym. Zauważyli zmianę położenia bezpiecznej strefy w kierunku wyższych szerokości geograficznych, a zatem i wysokości, podczas maksimum słonecznego.
Gdyby pasy radiacyjne były widoczne, przypominałyby parę pączków wokół Ziemi, jeden wewnątrz drugiego z Ziemią w „dziurze” najbardziej wewnętrznego pączka. Bezpieczna strefa, zwana „obszarem szczeliny”, pojawi się jako przerwa między wewnętrznym i zewnętrznym pączkiem. Pasy faktycznie składają się z szybkich elektrycznie naładowanych cząstek (elektronów i jąder atomowych), które są uwięzione w ziemskim polu magnetycznym.
Pole magnetyczne Ziemi może być reprezentowane przez linie siły magnetycznej wyłaniające się z regionu Południowego Bieguna, w kosmos i z powrotem w region Polarny. Ponieważ cząsteczki pasa promieniowania są naładowane, ich ruchy są kierowane magnetycznymi liniami siły. Uwięzione cząstki odbijałyby się między biegunami, spiralnie wokół linii pola.
Fale radiowe o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) i gaz tła (plazma) również są uwięzione w tym regionie. Podobnie jak pryzmat, który może zginać wiązkę światła, plazma może zginać ścieżki propagacji fal VLF, powodując przepływ fal wzdłuż pola magnetycznego Ziemi. Fale VLF usuwają bezpieczną strefę, wchodząc w interakcje z cząstkami pasa promieniowania, usuwając odrobinę energii i zmieniając kierunek. To obniża miejsce nad regionami polarnymi, w których odbijają się cząstki (zwane punktem lustrzanym). W końcu punkt lustra staje się tak niski, że znajduje się w atmosferze ziemskiej. Kiedy tak się dzieje, uwięzione cząstki zderzają się z cząsteczkami atmosferycznymi i giną.
Według zespołu, bezpieczna strefa jest tworzona w regionie, w którym warunki sprzyjające falom VLF kopią cząstki. Ich badania są pierwszą wskazówką, że położenie tego regionu może ulec zmianie wraz z cyklem aktywności Słońca. Słońce przechodzi 11-letni cykl aktywności od maksimum do minimum iz powrotem. Podczas maksimum słonecznego podwyższone promieniowanie ultrafioletowe (UV) ogrzewa górną atmosferę Ziemi, jonosferę, powodując jej rozszerzanie. Zwiększa to gęstość plazmy uwięzionej w ziemskim polu magnetycznym.
Korzystne warunki oddziaływania fali VLF na cząstkę zależą od konkretnej kombinacji gęstości plazmy i siły pola magnetycznego. Chociaż gęstość plazmy ogólnie maleje wraz z wysokością, ekspansja jonosfery podczas maksimum słonecznego powoduje, że plazma jest gęstsza na minimalnej wysokości słonecznej bezpiecznej strefy i wymusza migrację korzystnej gęstości plazmy do bezpiecznej strefy na większą wysokość. Ponadto siła pola magnetycznego maleje wraz z wysokością. Aby znaleźć korzystne natężenie pola magnetycznego dla bezpiecznej strefy na wyższych wysokościach, należałoby migrować w kierunku biegunów (wyższych szerokości geograficznych), gdzie linie pola magnetycznego są bardziej skoncentrowane, a tym samym silniejsze.
„To odkrycie pomaga zawęzić poszukiwania pierwotnego regionu oddziaływania fala-cząstka, który tworzy bezpieczną strefę”, powiedział Fung. „Chociaż żaden znany statek kosmiczny obecnie nie korzysta z bezpiecznej strefy, nasza wiedza może pomóc w planowaniu i funkcjonowaniu przyszłych misji, które chcą skorzystać ze strefy”.
Według naukowców ich odkrycie umożliwiło nowe narzędzie do selekcji i wyszukiwania danych opracowane przez zespół o nazwie Magnetospheric State Query System. Badania zostały sfinansowane przez NASA i National Research Council. W skład zespołu wchodzą Fung, dr Xi Shao (National Research Council, Waszyngton) i dr Lun C. Tan (QSS Group, Inc., Lanham, MD).
Oryginalne źródło: NASA News Release
