به گزارش آسیانیوز ایران ؛ کمربندهای تشعشعی وانآلن، سالها پس از آغاز عصر فضا، هنوز یکی از مرموزترین و در عین حال حیاتیترین ساختارهای پیرامون زمین به شمار میآیند؛ ناحیهای عظیم از ذرات باردار پرانرژی که بیشتر آنها از باد خورشیدی میآیند و در میدان مغناطیسی زمین به دام میافتند. این کمربندها مانند یک سپر نامرئی، بخش بزرگی از ذرات پرانرژی را منحرف میکنند و مانع تخریب تدریجی جو زمین میشوند، اما در عین حال برای ماهوارهها و فضاپیماهایی که از درون آن عبور میکنند، تهدیدی جدی به حساب میآیند.
تاریخچه کشف؛ از پیشبینی نظری تا Explorer 1
ایده وجود ذرات باردار محبوس در میدان مغناطیسی زمین دیرتر از عصر فضا متولد نشد. در اواخر قرن نوزدهم، دانشمندانی مانند کریستین برکلند و کارل سترومر احتمال وجود چنین نواحی را از روی محاسبات نظری مطرح کردند، اما ابزار تجربی برای اثبات آن در دسترس نبود. تنها با آغاز رقابت فضایی و پرتاب ماهوارهها بود که این حدسها رنگ واقعیت گرفت.
در سال ۱۹۵۷، ماهواره شوروی Sputnik 2 با آشکارسازهایی که سرگی ورنوف طراحی کرده بود، نخستین نشانههای افزایش تابش در مدار را ثبت کرد. چند ماه بعد، ماهواره آمریکایی Explorer 1 به همراه آزمایش پرتوهای کیهانی طراحیشده توسط جیمز وانآلن، دادههایی را ارسال کرد که نشان از وجود ناحیهای وسیع از تابشهای غیرعادی پیرامون زمین داشت. این یافته با Explorer 3 و سپس Explorer 4 و Pioneer 3 تکمیل شد و در سال ۱۹۵۸ نخستین توصیف علمی از «کمربندهای تشعشعی زمین» منتشر و این کمربندها به افتخار جیمز وانآلن نامگذاری شدند.
ساختار کلی؛ دو کمربند اصلی و یک «شکاف امن»
بر اساس اندازهگیریهای مأموریتهای متعدد، ساختار کلاسیک کمربندهای وانآلن شامل دو ناحیه اصلی است: کمربند درونی و کمربند بیرونی. این کمربندها در «درون» میدان مغناطیسی زمین قرار دارند و از حدود ارتفاع ۶۴۰ کیلومتری تا حدود ۵۸هزار کیلومتری (در حدود ۸ شعاع زمین) امتداد مییابند. جو زمین ذرات کمربند را عملاً به ارتفاعهای بالاتر از حدود ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلومتر محدود میکند و در سمت دورتر نیز خطوط میدان مغناطیسی در فاصله چند شعاع زمین باز میشوند و ذرات را به فضای میانسیارهای رها میکنند.
میان این دو کمربند اصلی، ناحیهای با شار کمتر الکترونها وجود دارد که معمولاً به آن «شکاف امن» یا safe slot گفته میشود؛ فضایی که بخشی از مدارهای متوسط (Medium Earth Orbit) و برخی ماهوارههای ناوبری در آن قرار میگیرند. این شکاف عمدتاً بهدلیل اثر امواج رادیویی با فرکانس بسیار پایین (VLF) شکل میگیرد که ذرات را در زاویه گام پراکنده و آنها را به جو هدایت میکند.
کمربند درونی؛ قلمرو پروتونهای پرانرژی
کمربند درونی از حدود ۱۰۰۰ تا حدود ۱۲هزار کیلومتر بالای سطح زمین گسترش دارد و توسط میدان مغناطیسی قویترِ نزدیک به زمین، بهشدت فشرده شده است. این کمربند سرشار از پروتونهای پرانرژی با انرژیهای بیش از ۱۰۰ MeV و نیز الکترونهایی در بازه صدها keV است. در انرژیهای بالاتر از حدود ۵۰ MeV، منشأ اصلی این پروتونها فروپاشی بتای نوترونهایی است که هنگام برخورد پرتوهای کیهانی با مولکولهای جو فوقانی تولید میشوند؛ نوترونها بهدلیل بدون بار بودن میتوانند چند صد کیلومتر بالا بروند و سپس فروپاشی کنند و پروتونهای باردار حاصل در میدان مغناطیسی زمین به دام میافتند.
بهعلت جابهجایی مختصر مرکز میدان مغناطیسی نسبت به مرکز هندسی زمین، کمربند درونی در ناحیهای بهنام «ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی» (South Atlantic Anomaly) به سطح نزدیکتر میشود و گاهی تا ارتفاع حدود ۲۰۰ کیلومتر پایین میآید؛ منطقهای که در آن بسیاری از ماهوارهها با شار بسیار بالای ذرات مواجه میشوند و ناچارند سنسورهای حساس خود را خاموش یا بهطور ویژه محافظت کنند.
کمربند بیرونی؛ الکترونهای پویای پرانرژی
کمربند بیرونی تقریباً از حدود ۳ تا ۱۰ شعاع زمین امتداد دارد و در ارتفاعهایی در حدود ۱۳هزار تا ۶۰هزار کیلومتر قرار میگیرد. این کمربند عمدتاً از الکترونهای پرانرژی در بازه ۰٫۱ تا ۱۰ MeV تشکیل شده و بسیار پویاتر از کمربند درونی است. طوفانهای ژئومغناطیسی ناشی از فورانهای خورشیدی میتوانند شار الکترونها را در این ناحیه طی چند ساعت تا چند روز چندین برابر یا بهطور موقت تخلیه کنند.
پژوهشها نشان میدهد که الکترونهای کمربند بیرونی از دو مسیر عمده به این منطقه وارد و در آن شتاب میگیرند: پخش شعاعی (radial diffusion) که در آن ذرات از دم مغناطیسسپهر به سمت زمین رانده میشوند، و شتابگیری موضعی از طریق انتقال انرژی از امواج پلاسمایی نوع whistler به الکترونها. همزمان، برخورد ذرات با جو، فرار بهسمت مگنتوپاز و پخش شعاعی روبهبیرون باعث کاهش شار میشود. نتیجه این رقابت، کمربندی است که شار آن میتواند در عرض یک شبانهروز چندین مرتبه تغییر کند.
کمربند سوم موقتی؛ کشفی که تصویر کلاسیک را تغییر داد
در سال ۲۰۱۳، مأموریت Van Allen Probes ناسا گزارشی منتشر کرد که تصویر سنتیِ «دو کمربند» را به چالش کشید. این فضاپیماها، یک ساختار سوم از ذرات بسیار پرانرژی (اولترارلیتیویستی) را در بیرونِ کمربند بیرونی شناسایی کردند که مانند یک «کمربند سوم» برای حدود چهار هفته پایدار ماند و سپس در پی یک شوک خورشیدی ناپدید شد.
تحلیلهای بعدی نشان داد که این کمربند سوم در واقع نتیجه «بهدامافتادن» ذرات الکترون بسیار پرانرژی است که بهدلیل انرژی بسیار بالا، کمتر با امواج جو و پلاسمای پیرامون برهمکنش میکنند و بنابراین مدت بیشتری در مدار باقی میمانند. این کشف نشان داد که برای فهم کامل پویایی کمربندها، باید فرآیندهای فیزیکی متفاوتی را برای الکترونهای بسیار پرانرژی نسبت به الکترونهای کمانرژیتر در نظر گرفت.
ضدهماده در کمربند وانآلن؛ آنتیپروتونها در ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی
در سال ۲۰۱۱، آزمایش PAMELA در مدار پایین زمین، دادههایی را منتشر کرد که یک نتیجه شگفتآور داشت: وجود کمربندی از آنتیپروتونها درون کمربند وانآلن. این آنتیپروتونها در ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی شناسایی شدند و شار آنها در برخی انرژیها تا سه مرتبه بزرگی از شار آنتیپروتونهای پرتوهای کیهانی بیشتر بود؛ بهاینمعنا که پرانرژیکترین منبع آنتیپروتون نزدیک زمین، خودِ کمربند تشعشعی است.
این آنتیپروتونها عمدتاً در برخورد پرتوهای کیهانی با جو بالایی تولید میشوند؛ فرایندی مشابه تولید پروتونهای کمربند درونی، با این تفاوت که ذرات ضدهماده در میدان مغناطیسی زمین برای مدتی به دام میافتند و یک کمربند ضدپروتونی کوچک تشکیل میدهند. همین کشف، بحثهایی درباره امکان استفاده نظری از این آنتیپروتونها بهعنوان منبع انرژی پیشرانش فضاپیماها بهراه انداخته است؛ هرچند مقدار کل آنها در کمربند، در حد میکروگرم برآورد میشود و فاصله زیادی تا کاربرد عملی دارد.
مأموریت Van Allen Probes؛ آزمایشگاه در قلب کمربندها
مأموریت Van Allen Probes که در ابتدا با نام Radiation Belt Storm Probes شناخته میشد، در سال ۲۰۱۲ با دو فضاپیمای تقریباً یکسان در مدارهای بیضوی پیرامون زمین آغاز شد. هدف این مأموریت، اندازهگیری دقیق میدانهای الکتریکی و مغناطیسی، ذرات باردار و امواج پلاسمایی درون کمربندها و فهم این بود که چگونه جمعیت الکترونها و یونهای پرانرژی در پاسخ به فعالیت خورشیدی شکل میگیرد، تقویت میشود و از بین میرود.
این دو فضاپیما بیش از هفت سال کار کردند و در سال ۲۰۱۹، پس از پایان سوخت، غیرفعال شدند؛ طول عمر آنها تقریباً سه برابر مدت مأموریت برنامهریزیشده بود و نشان داد که با طراحی مناسب میتوان الکترونیک فضایی را در سختترین محیطهای تابشی نیز پایدار نگه داشت. انتظار میرود مدار آنها در دهه ۲۰۳۰ بهتدریج فروبپاشد و هر دو در جو بسوزند.
یکی از دستاوردهای مهم این مأموریت، اندازهگیری دقیق «طولعمر» الکترونها در بخشهای مختلف کمربند بود؛ دادهها نشان دادند که در کمربند درونی، الکترونها میتوانند بیش از ۱۰۰ روز باقی بمانند، در شکاف میان دو کمربند طولعمر آنها حدود ۱ تا ۲ روز است و در کمربند بیرونی بسته به انرژی، طولعمر بین ۵ تا ۲۰ روز تغییر میکند. این نتایج، مدلسازی خطر تابش برای ماهوارهها و فضانوردان را دقیقتر کرده است.
پیامدها برای ماهوارهها و سفرهای فضایی
کمربندهای وانآلن برای فضاپیماها نهتنها یک چالش علمی، بلکه یک محدودیت مهندسی جدی هستند. ماهوارههایی که در مدارهای متوسط و بالا قرار میگیرند، مانند ماهوارههای ناوبری، ارتباطی و برخی تلسکوپها، در معرض شار بالای ذرات باردار قرار دارند. این ذرات میتوانند باعث خطاهای تکبیتی در مدارهای مجتمع، تخریب تدریجی سلولهای خورشیدی، ایجاد نویز در آشکارسازها و حتی از کار افتادن ناگهانی برخی زیرسامانهها شوند.
به همین دلیل، طراحی ماهوارههای عبوری از کمربند وانآلن شامل چند اصل کلیدی است: سختسازی تابشی (radiation hardening) مدارهای الکترونیکی، استفاده از شیلدینگ مناسب، تعریف «حالت عبور» که در آن حسگرهای حساس هنگام عبور از ناحیه پرتابش خاموش میشوند، و انتخاب مدارهایی که زمان حضور در نواحی پرتراکم را به حداقل برسانند. برای نمونه، تلسکوپ فضایی Chandra هنگام عبور از ناهنجاری اقیانوس اطلس جنوبی سنسورهای خود را خاموش میکند و مدار تلسکوپ INTEGRAL بهگونهای تنظیم شده که زمان حضور آن در کمربندها کاهش یابد.
در مأموریتهای سرنشیندار، مسئله حساستر است. در برنامه آپولو، مسیری انتخاب شد که فضاپیما در کوتاهترین زمان ممکن و از ناحیهای نسبتاً نازک از کمربند عبور کند؛ محاسبات نشان میدهد دوز دریافتی در این عبور کوتاه، کمتر از حدود چند ده میلیسیورت بود که در بازه امن قرار دارد. اما برای سفرهای طولانیمدتتر به ماه، مریخ و مأموریتهای سکونتمحور، لازم است طراحی مدار و حفاظها، تعامل با کمربند وانآلن و پرتوهای کیهانی را همزمان در نظر بگیرد.
دخالت انسان در کمربندها؛ از Project Argus تا پیشنهاد تخلیه مصنوعی
در سال ۱۹۵۸، ایالات متحده در چارچوب Project Argus چند انفجار هستهای کمبازده را در ارتفاع حدود ۳۰۰ مایلی انجام داد؛ آزمایشی که بهطور موقت میزان الکترونهای کمربند را افزایش داد و هدف آن آزمودن این فرضیه بود که میتوان با انفجار هستهای در فضا، کمربندی مصنوعی از الکترونها ایجاد کرد تا بر سامانههای راداری و موشکی دشمن اثر بگذارد. با امضای معاهده منع آزمایشهای هستهای جوّی و نگرانی از اثرات طولانیمدت این تابشها، پروژه متوقف شد.
در دهههای اخیر، ایدههای دیگری مطرح شده است؛ از جمله پروژه HiVOLT که استفاده از کابلهای بلند باردار در مدار را برای تخلیه تدریجی کمربند پیشنهاد میکند و همچنین طرحهایی برای تزریق امواج VLF قدرتمند از سطح زمین به درون کمربندها جهت پراکندن ذرات. این طرحها هنوز در مرحله پیشنهادیاند و پرسشهای جدی درباره پیامدهای زیستمحیطی و فضایی آنها مطرح است؛ زیرا کمربند وانآلن بخشی از یک سامانه پیچیده است و هرگونه دستکاری بزرگمقیاس میتواند اثرات غیرمنتظرهای بر مگنتوسفر و حتی جو زمین برجای بگذارد.
فراتر از زمین؛ کمربندهای تشعشعی در سیارات دیگر
کمربندهای تشعشعی تنها به زمین محدود نیستند. سیاراتی مانند مشتری، زحل، اورانوس و نپتون که میدان مغناطیسی قوی و پایدار دارند، هر کدام سامانههای تابشی خاص خود را دارند. کمربند تشعشعی مشتری بهمراتب شدیدتر از زمین است و هر مأموریتی که قصد مطالعه نزدیک قمرهایی مانند Europa را دارد، مجبور است با این محیط خشن تابشی کنار بیاید. در مقابل، سیاراتی مانند مریخ و زهره که میدان مغناطیسی جهانی پایدار ندارند، فاقد کمربندهای مشابهاند و بیشتر مستقیماً در معرض باد خورشیدیاند.
سپر حیاتی و تهدید راهبردی
کمربندهای تشعشعی وانآلن، همزمان که یکی از دلایل اصلی بقای بلندمدت جو و زیستکره زمین در برابر باد خورشیدی به شمار میآیند، برای تمدن فضایی و اقتصاد فضایی در حال رشد، یک متغیر کلیدی و تهدید راهبردی محسوب میشوند. از اینترنت ماهوارهای و سامانههای ناوبری گرفته تا تلسکوپهای فضایی و مأموریتهای سرنشیندار آینده، همگی ناگزیر باید با این «سپر نامرئی و خشن» تعامل کنند.
نتایج مأموریت Van Allen Probes، کشف کمربند سوم، شناسایی ضدهماده محبوس و مدلسازیهای جدید از طولعمر الکترونها نشان میدهد که درک ما از این سامانه پیچیده، هنوز در حال تکامل است و هر گام تازه در فهم پویایی کمربندهای وانآلن، مستقیماً به طراحی امنتر و هوشمندانهتر زیرساختهای فضایی آینده گره خورده است. در عصر گسترش اقتصاد فضا، کمربندهای وانآلن دیگر فقط «یک کشف کلاسیک از سال ۱۳۳۶» نیستند، بلکه یک موضوع راهبردی در برنامهریزی فضاپایه دولتها، شرکتها و مأموریتهای بینالمللی به شمار میآیند.
منبعها:
- arxiv.org
- agenda.infn.it
- pmc.ncbi.nlm.nih.gov
- nature.com
- nasa.gov