Van Allen kuşağı nedir?
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 yukarı uzanır. Kuşakları oluşturan
parçacıkların çoğunun güneş rüzgarından ve diğer parçacıkların ise
kozmik ışınlardan geldiği düşünülmektedir. 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
Keşif
Kristian Birkeland, Carl Størmer ve Nicholas Christofilos, Uzay Çağı
öncesinde yüklü parçacıkların yakalanma ihtimalini araştırmışlardı.
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, (124-620 mil) sınırlarken,
kuşaklar 8 Dünya yarıçapını geçmemiştir. [5] Kuşaklar, gök ekvatorunun
her iki yanında yaklaşık 65 ° uzanan bir hacimle sınırlandırılmıştır.
Araştırma Jupiter’in değişken radyasyon kuşağı
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.
Van Allen Probes görevi 30 Ağustos 2012’de başarıyla başlatıldı.
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.
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
Dünyanın iki radyayon kuşağının Kesit çizimi: iç kuşak (kırmızı)
çoğunlukla protonlardan ve dış kuşak (mavi) çoğunlukla elektronlardan
oluşur. çizim kredisi: NASA
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. Güneş etkinliğinin daha güçlü olduğu
durumlarda veya Güney Atlantik Anomalisi gibi coğrafi bölgelerde iç
sınır, Dünya yüzeyinin yaklaşık 200 kilometresine kadar 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.
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.
Kemerlerin Dünya’nın geometrik merkezinden hafif kayması nedeniyle, iç
Van Allen kemeri, Güney Atlantik Anomalisinde yüzeye en yakın yaklaşımı
yapar.
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.
Dış Kuşak
Güneş rüzgarının Van Allen kuşağına etkisinin Laboratuvar simülasyonu;
Bu kuzey ışıkları benzeri yapı laboratuvarda bilim insanı Kristian
Birkeland tarafından oluşturulmuştur
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 ve lokal ivme 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.
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.
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. 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.
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.
Akı değerleri, ortalama Güneş aktivitesi olduğunda
proton akısı (AP8 MIN omnidirectional)≥ 100 keV
proton akısı (AP8 MIN omnidirectional)≥ 1 MeV
proton akısı (AP8 MIN omnidirectional)≥ 400 MeV
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 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.
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. 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.
Apollo misyonları, insanların görev planlamacılar tarafından bilinen
birkaç radyasyon tehlikesinden biri olan Van Allen kemerlerinden seyahat
ettiği ilk olay olarak tarihe geçti. Astronotların, Van Allen
kemerlerinde kısa süre boyunca uçtukları için maruz kaldıkları
aradyasyon çok azdıı. Apollo uçuş yörüngeleri, iç kemerleri tamamen
atladı ve sadece dış kemerlerin daha ince bölgelerinden geçti.
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
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. Akı
çizgileri boyunca spiral harekete ilâveten, 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 Robert Allen radyasyon kemerlerinin
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 mevcut
seviyelerin%1’inden daha düşük bir seviyeye indiren bir tablo çizdi
