* این یک واقعیت شناخته شده است که لایه ی ازن زمین از ما در برابر بخش بزرگی از تابش های فرابنفش خورشید نگاهبانی می کند. اگر این سپر بلا به گرد سیاره ی ما نبود، شاید سطح آن نیز همانند چشم اندازهای ناهموار و برهوتی می شد که اکنون روی سیاره ی بهرام (مریخ) می بینیم.
 |
| ابری از گاز سرد و باردار به نام پلاسماسپهر (پلاسماکره) که زمین را در بر گرفته و در اینجا به رنگ بنفش نمایانده شده، با ذرات درون کمربندهای تابشی زمین - به رنگ خاکستری- برهم کنش انجام می دهد و سدی نفوذناپذیر می سازد که جلوی سریع ترین الکترون ها را برای نزدیک تر شدن به سیاره ی ما می گیرد. تصویر بزرگ تر |
فراتر از این سد، یک سد دیگر وجود دارد: یک رشته سپر چنبره مانند (دونات مانند) که از ذرات باردار پرانرژی تشکیل شده اند و میدان مغناطیسی زمین آن ها را یک جا گرد آورده. این سدها که به نام
کمربندهای تابشی وان آلن شناخته می شوند، مانعی در برابر سریع ترین و پرانرژی ترین الکترون ها هستند و جلوی رسیدن آن ها به زمین را می گیرند.
و اکنون بر پایه ی پژوهش تازه ی
کاوشگرهای وان آلن ناسا (
RBSP)، به نظر می رسد این کمربندها تقریبا نفوذناپذیر هستند. این یافته ایست که می تواند پیامدهایی جدی برای کاوش ها و پژوهش های فضایی در آینده داشته باشد.
وجود کمربندی از ذرات باردار که توسط
مغناط سپهر (مغناطکره ی) زمین به دام افتاده باشند از آغاز سده ی ۲۲۰ میلادی موضوع پژوهش های دانشمندان بوده. ولی تنها از سال ۱۹۵۸ بود که فضاپیماهای
اکسپلورر۱ و اکسپلورر۲ وجود آن را تایید کردند، و پس از آن هم توسط فضاپیماهای اکسپلورر۴،
پایونیر۳، و
لونا۱ مورد نقشه برداری قرار گرفتند.
از آن زمان، دانشمندان چیزهای بسیاری درباره ی این کمربند یافته اند، از جمله چگونگی برهم کنش آن با دیگر میدان های پیرامون سیاره ی ما برای شکل دادن به یک سد تقریبا نفوذناپذیر در برابر الکترون های ورودی.
این کشف را کاوشگرهای وان آلن ناسا انجام دادند که در اوت ۲۰۱۲ برای بررسی آن منطقه ی فضا راهی شده بودند. بر پایه ی دیده های این کاوشگرها، این ناحیه می تواند در واکنش به انرژی ورودی از سوی خورشید، کوچک و بزرگ شود، گاه آنچنان پف کند که ماهواره های مدار پایین زمین را در معرض پرتوهای ویرانگرش قرار دهد.
دَن بیکر، یک دانشمند علوم فضایی در دانشگاه بولدر کلرادو، و نویسنده ی اصلی این پژوهشنامه می گوید: «این دیواره یک ویژگی چشمگیرِ این کمربندهاست در برابر الکترون های فرا-سریع است.» وی می افزاید: «ما توانسته ایم آن را برای نخستین بار بررسی کنیم، زیرا تاکنون هرگز چنین سنجش های درست و دقیقی از این الکترون های پرانرژی نداشته ایم.»
 |
| این تصویر متحرک (gif) شیوه ی حرکت ذرات در کمربندهای تابشی زمین - چنبره های گسترده ی پیرامون زمین- را نشان می دهد. کره ی میانی نشانگر ابری از مواد سردتر است که به نام پلاسماسپهر خوانده می شود. پژوهشی تازه نشان داده که پلاسماسپهر کمک می کند تا الکترون های سریع از کمربندهای تابشی وارد زمین نشوند. برای کامل شدن تصویر شکیبا باشید. جزییات این تصویر متحرک را در اینجا ببینید. |
شناخت این که چه چیزی به کمربندهای تابشی چنین شکلی می دهد و چه چیزی می تواند بر شیوه ی کوچک و بزرگ شدن آن ها اثر بگذارد، به دانشمندان برای پیش بینی آغاز این تغییرات کمک می کند. چنین پیش بینی هایی نیز می تواند به دانشمندان در محافظت از ماهواره های آن ناحیه در برابر پرتوها کمک کند.
دانشمندان در چند دهه ای که از یافته شدن این دو کمربند می گذرد پی برده اند که اندازه ی آن ها می تواند تغییر کند- یا با هم یکی شوند، یا حتی گاهی به سه کمربند جداگانه تبدیل شوند [پیوندهای پایین را ببینید]. ولی به طور کلی پهنای کمربند درونی از ۶۴۴ کیلومتری تا ۱۰ هزار کیلومتری سطح زمین است، در حالی که کمربند بیرونی از ۱۳۵۰۰ کیلومتری تا ۵۸۰۰۰ کیلومتری ادامه دارد.
دانشمندان تا امروز در این فکر بوده اند که چرا این دو کمربند جدا از همند. آنان می خواستند بدانند که چرا یک فضای تقریبا تهی میان این دو است که به نظر می رسد هیچ الکترونی ندارد. این دیواره ی نویافته به همین پرسش ها پاسخ می دهد.
داده های کاوشگرهای وان آلن نشان می دادند که لبه ی درونی کمربند بیرونی در واقع بسیار برجسته و چشمگیر است. این لبه در برابر سریع ترین و پرانرژی ترین الکترون ها یک مرز صاف و آشکار می سازد که در شرایط معمولی نفوذناپذیر است.
شری کانکال، دانشمند دستیار ماموریت کاوشگرهای وان آلن در مرکز پروازهای فضایی گودارد ناسا در گرین بلت مریلند و یکی از نویسندگان پژوهشنامه ای که درین باره در
نشریه ی نیچر منتشر شد می گوید: «هنگامی که به الکترون های واقعا پرانرژی نگاه می کنیم می بینیم که تنها می توانند تا فاصله ی خاصی از زمین بیایند. این چیز کاملا تازه ایست. ما بی شک انتظارش را نداشتیم.»
این دانشمندان به جستجوی دلایل احتمالی پرداختند و پی بردند که پرتوهای تراگسیلیده توسط انسان ها دلیل پیدایش این دیواره نیست. آنان همچنین دلایل فیزیکی را بررسی کردند، این که آیا شکل میدان مغناطیسی زمین می تواند دلیل پدید آمدن این سد باشد. ولی دانشمندان ناسا پس از بررسی این احتمال، آن را هم حذف کردند و تعیین نمودند که به نظر می رسد وجود دیگر ذرات فضایی دلیل امکان پذیرتری است.
 |
| دو کمربند غول آسای ذرات که سیاره ی زمین را در بر گرفته و به نام کمربندهای تابشی وان آلن شناخته می شوند. کمربند درونی بیشتر با پروتون انباشته شده و کمربند بیرونی با الکترون |
کمربندهای تابشی تنها ساختارهای ذرات پیرامون زمین نیستند. یک ابر غول آسا از ذرات باردار به نسبت خنک با نام
پلاسماسپهر (پلاسماکره) هم هست که بیرونی ترین ناحیه ی جو زمین را پر کرده. این ابر از حدود ۹۶۵ کیلومتری (۶۰۰ مایلی) بالای سطح زمین آغاز می شود و تا بخشی از کمربند بیرونی وان آلن ادامه می یابد. ذرات درون مرز بیرونی پلاسماسپهر باعث پراکندگی ذرات درون کمربند بیرونی وان آلن، و بیرون راندن آن ها از این کمربند می شوند.
این اثر پراکندگی به نسبت ضعیف است و شاید برای نگهداشتن الکترون ها همان جا روی مرز بسنده نکند، مگر آن که یک تغییر هندسی ناگهانی رخ دهد- الکترون های کمربند تابشی با سرعتی باورنکردنی حرکت می کنند، ولی نه رو به زمین، بلکه در حلقه هایی غول آسا به گرد زمین.
داده های فضاپیماهای وان آلن نشان می دهند که در جهت رو به زمین، پرانرژی ترین الکترون ها حرکت کلی بسیار کمی دارند- تنها یک رانش کند و آرام رخ می دهد که آن هم چند ماه زمان می برد. این جابجایی به اندازه ای کُند و ضعیف است که پراکنش پلاسماسپهر می تواند جلویش را بگیرد.
این همچنین می تواند توضیح دهد که چرا در شرایط سخت - زمانی که یک باد خورشیدیِ به طور ویژه نیرومند یا یک فوران خورشیدی سهمگین مانند یک
فوران تاجی، ابرهایی از مواد را به فضای نزدیک زمین می فرستد- الکترون های کمربند بیرونی می توانند به درون ناحیه ی باز و معمولا تهیِ میان دو کمربند رانده شوند.
بیکر می گوید: «پراکنش ناشی از این مرز پلاسما به اندازه ی کافی هست که بر لبه ی درونی کمربند بیرونی وان آلن یک دیواره پدید آورد. ولی یک توفان خورشیدی نیرومند باعث می شود که این پلاسمامرز به سوی درون جابجا شود.»
اگر یک شار سهمگین از مواد خورشیدی رو به ما بیاید می تواند باعث ساییدگی پلاسمامرز بیرونی شود، و لبه های آن را رو به درون جابجا کرده و به الکترون های کمربندهای تابشی هم اجازه دهد بیشتر رو به درون بیایند.
پژوهشنامه ای درباره ی این دستاوردها در
شماره ی ۲۶ نوامبر ۲۰۱۴ نشریه ی نیچر منتشر شده. در ویدیوی پویانمایی زیر که در مرکز پروازهای فضایی گودارد ناسا درست شده هم توضیح کوتاهی درباره ی کمربندهای وان آلن داده شده:
در
تارنمای ناسا درین باره بیشتر بخوانید.
درباره ی کمربندهای وان آلن در این وبلاگ خوانده بودید:
واژه نامه:
Earth - ozone layer - Sun - ultra-violet - planet - Mars - magnetic field - Van Allen radiation belts - electron - NASA - Van Allen probes - magnetosphere - Explorer 1 - Explorer 3 - Explorer 4 - Pioneer 3 - Luna 1 - low-Earth orbit - Dan Baker - Shri Kanekal, - Goddard Space Flight Center - Nature - plasmasphere - coronal mass ejection - plasmapause - Johns Hopkins Applied Physics Laboratory - Science Mission Directorate - Star program - donut
