سفر به اعماق کمربند وان آلن

پیش از این در مقاله دیگری، ویژگی‌های خاص و منحصر به فرد زمین را مرور کردیم و حالا می‌خواهیم کمی فراتر از این کره خاکی برویم و فضای اطراف آن را مطالعه کنیم. به عبارت دیگر، قصد داریم کمربند وان آلن یا به زبان ساده، تسمه‌هایی که به دور آن کشیده شده‌اند را مطالعه کنیم. این یک بیان ساده و ابتدایی است. اما تعریف دقیق آن‌ چیست؟ این کمربندها چه زمانی کشف شدند و چگونه می‌توان آن‌ها را مطالعه کرد؟ در این مقاله قصد داریم به این سوالات پاسخ دهیم.

تاریخچه کشف کمربند وان آلن

بیش از 60 سال پیش، ایالات متحده اولین ماهواره خود را در 31 ژانویه 1958 به فضا پرتاب کرد. نام این ماهواره «اکسپلورر 1» یا «Explorer 1» بود. در اصل، این ماهواره یک شمارنده «گایگر» یا «Geiger» بود.

اکسپلورر 1 مجهز به یک آشکارساز پرتوهای کیهانی و یک ضبط صوت بود که برای اندازه‌گیری تشعشعات در اطراف زمین طراحی شده بود. درحقیقت، دانشمندان پیش از پرتاب انتظار داشتند پرتوهای کیهانی را که پیش از آن با ابزارهای زمینی مورد مطالعه قرار داده بودند، اندازه‌گیری کنند.

اما جمع‌آوری داده‌های عجیب توسط شمارنده گایگر در اکسپلورر 1، ظهور فیزیک فضایی را خبر داد و سبب آغاز عصر جدیدی از فناوری و ارتباطات شد.

اندازه‌گیری تشعشعات در اطراف زمین توسط دکتر «جیمز آ. وان آلن» از دانشگاه «آیووا» طراحی شده بود. آن‌ها پس از انجام این آزمایش دریافتند سطح تشعشعات هزاران برابر بیشتر از هر آنچه انتظار می‌رفت، است.

این تشعشعات منشا زمینی نداشتند و منطقه‌ای در فضا را اشغال کرده بودند که پیش از این دانشمندان آن را منطقه‌ای خالی می‌دانستند. همچنین این ناحیه از سطوح تشعشعی که تنها از پرتوهای کیهانی انتظار می‌رفت، بسیار پیشی گرفته بود.

برای مدتی آلن و همکارانش در تلاش بودند تا این ابهام را برطرف کنند. آلن این نظریه را مطرح کرد که ممکن است این ابزار علمی توسط تشعشعات بسیار قوی اشباع شده باشد. این تشعشعات درحقیقت تابش متراکم الکترون‌ها و پروتون‌ها با انرژی بسیار زیاد است که در میدان مغناطیسی زمین به دام افتاده‌اند.

طبق فرض او، نواحی اطراف زمین که مملو از ذرات انرژی باردار مذکور هستند، همانند کمربند به دور زمین کشیده‌اند. این کمربندها در حقیقت دو ناحیه هلالی شکل در فاصله 3200 و 16000 کیلومتری از سطح زمین هستند.

حدود دو ماه بعد، ماهواره دیگری نیز به فضا پرتاب شد و وجود دو بخش غول‌پیکر تشعشع را به اثبات رساند. درنهایت این کمربندها به افتخار کاشف خود به «کمربندهای وان آلن» معروف شدند.

در تصویر بالا، تابشی که در اطراف کره زمین وجود دارد، با رنگ زرد نمایش داده شده است. رنگ سبز نشان دهنده فضای بین کمربندهای تشعشعی وان آلن است. همانطور که مشاهده می‌کنید بخش‌های غول‌پیکر دوناتی شکل، ذرات پرانرژی و به دام افتاده در میدان مغناطیسی زمین را احاطه کرده‌اند.

کمربند تشعشعی ون آلن چیست؟

کمربند تشعشعی وان آلن ناحیه‌ای مملو از ذرات باردار پرانرژی در فضا است که بیشتر آن‌ها از بادهای خورشیدی نشات می‌گیرند. ذرات در میدان گرانشی زمین گیر می‌افتند و زمین را طوری احاطه می‌کنند که می‌توان گفت سدی تقریبا غیرقابل نفوذ در اطراف زمین شکل می‌گیرد. این سد از رسیدن سریع‌ترین و پرانرژی‌ترین الکترون‌ها به زمین جلوگیری می‌کند.

کمربند بیرونی از میلیاردها ذره پرانرژی تشکیل شده است که از خورشید سرچشمه می‌گیرند و در میدان مغناطیسی زمین - ناحیه‌ای از جو زمین به نام «مگنتوسفر» - به نام می‌افتند.

کمربند داخلی از برهمکنش میان پرتوهای کیهانی با جو زمین شکل می‌گیرد.

آیا می‌توان این کمربند تشعشعی را مشاهده کرد؟

تصاویری که از این کمربند تشعشعی در فضای مجازی منتشر شده است، آن‌ها را رنگارنگ و قابل مشاهده نشان می‌دهد. اما دقت کنید که این تنها یک تصویر اغراق شده است.

در اصل، کمربندهای تشعشعی وان آلن به قدری رقیق هستند که فضانوردان حتی وقتی در فضا معلق هستند، آن‌ها را به سختی می‌بینند یا احساس می‌کنند.

در واقع دانشمندان تنها با استفاده از ابزارهای علمی بسیار حساسی که داخل فضاپیما یا ماهواره نصب شده‌اند، موفق به شناسایی و تشخیص آن‌ها می‌شوند.

اما باید به این نکته اشاره کنیم که دانشمندان ناسا می‌توانند کمربند وان آلن را بشنوند!

به عبارت دیگر، آن‌ها با استفاده از ابزار خاصی صدای برهمکنش الکترون‌ها با این کمربند را می‌شنوند. اصطلاحا گفته می‌شود که الکترون‌ها سوت می‌زنند و این صدا برای مهندسان ناسا با ابزار خاصی شنیدنی است.

مطالعات ادامه دارد!

از سال 1958، دانشمندان به مطالعه کمربندهای تشعشعی وان آلن ادامه‌ داده‌اند و ده‌ها نظریه مختلف را مطرح کرد‌ه‌اند. از آن زمان تاکنون، ماموریت‌های «اکسپلورر 3»، «اکسپلورر 4» و «پایونیر 3» نیز تلاش در درک بیشتر کمربندهای وان آلن داشتند - ماموریت «اکسپلورر 2» موفقیت‌آمیز نبود.

درحالیکه مشاهدات برای چندین دهه ادامه داشت، دانش‌ ما در مورد این کمربندها با پرتاب کاوشگر «طوفان کمربند تشعشعی» یا کاوشگر دوقلوی «وان آلن» در سال 2012 افزایش چشمگیری یافت. ناسا کاوشگر وان آلن را با هدف گسترش مطالعات و اطلاعات به فضا پرتاب کرد.

آن‌ها با داده‌هایی که جمع‌آوری شده بود، دریافتند این کمربندها بسیار پیچیده‌تر از آنچه هستند که قبلا تصور می‌شد.

پس وظیفه کاوشگران وان آلن یافتن پاسخی دقیق برای این سوالات بود: ذرات چگونه به درون کمربند راه می‌یابند؟ این ذرات چگونه و کجا ناپدید می‌شوند؟ چه فرآیندهایی سبب تسریع و افزایش انرژی این ذرات می‌شود؟ آیا چگالی تشعشعات در همه نواحی یکسان است و یا برخی نواحی هستند که تشعشعات کمتری داشته باشند؟

کاوشگرهای وان آلن سال‌ها از تابش‌های شدید آن ناحیه جان سالم به در بردند و داده‌های زیاده را به زمین ارسال کردند. ابزارهای نصب شده بر روی این کاوشگرها درنهایت به دانشمندان اجازه داد تا به کمک این داده‌ها پاسخ بسیاری از سوالات خود را پیدا کنند.

کمربند ون آلن و اکتشافات دانشمندان

یکی از یافته‌های کلیدی این بود که لبه داخلی کمربند بیرون به شدت برجسته است. این لبه برجسته برای الکترون‌هایی که بسیار سریع و پرانرژی هستند، همانند یک مرز تیز است و از نفوذ آن‌ها جلوگیری می‌کند - به عبارت دیگر، این لبه را می‌توان به سدی غیرقابل نفوذ تشبیه کرد.

«دان بیکر» یکی از مهندسان ارشد مطالعات بر روی این کمربندها در ناسا گفت: «کمربندها موانع الکترون‌‌های فوق سریع هستند که مضرات بسیاری برای زمین دارند. این اولین بار است که می‌توانیم چنین خاصیتی را مطالعه کنیم. پیش از این ما قادر به مطالعه برهمکنش میان الکترون‌ها و کمربندها نبودیم.»

یکی دیگر از یافته‌های مهم کشف این نکته بود که ارتباطات رادیویی با فرکانس پایین (VLF) در زمین، بر ذرات موجود در فضا اثر می‌گذارد. به عبارت دیگر، این ارتباطات رادیویی با ذرات موجود در فضا تعامل می‌کنند و برنحوه حرکت آن‌ها و همچنین مکان‌شان تاثیر می‌گذارند.

دانشمندان این یافته را اینطور توصیف می‌کنند: همانطور که حضور انسان در زمین باعث ایجاد تغییراتی در سطح آن می‌شود، می‌تواند فضای اطراف زمین را نیز تحت تاثیر قرار دهد.

آن‌ها درنهایت دریافتند در بخش‌های خاصی از کمربندهای وان آلن، میزان تشعشعات کمتر از آن مقداری است که تصور می‌شد. پس می‌توان گفت نواحی خاصی در کمربندهای تشعشعی زمین وجود دارد که در صورت سفر انسان یا فضاپیماها به آن منطقه، نیازی به محافظت در برابر تشعشعات نیست.

این ماموریت قرار بود تنها دو سال طول بکشد، اما این کاوشگرها همچنان در حال ارسال اطلاعات به زمین هستند تا دانشمندان با تحلیل آن‌ها بتوانند دانسته‌های خود از کمربندهای تشعشعی وان آلن را تکمیل کنند.

این کاوشگرها تا زمانی که سوخت‌شان تمام شود به مطالعه این کمربندها می‌پردازند. مهندسان تخمین می‌زنند عمر آن‌ها حدود 15 سال است. پس با یک حساب سرانگشتی درمیابیم که این کاوشگرها به پایان عمر خود نزدیک هستند.

چرا اینهمه تلاش؟

سوال مهمی که مطرح می‌شود، این است که چرا دانشمندان و ناسا در تلاش هستند تا وان آلن را بیشتر و بیشتر درک کنند؟ چه رازی در پس این تسمه‌های قدرتمند زمین وجود دارد که سبب صرف هزینه و زمان برای درک بهتر آن‌ها می‌شود؟

جالب است بدانید کمربندهای تشعشعی در ناحیه داخلی مغناطیسی کره زمین قرار دارند. پس می‌توانند ماهواره‌ها را به خطر بیندازند. سلول‌های خورشیدی ماهواره‌ها، ابزار علمی و حسگرها همگی نسبت به این تشعشعات آسیب‌پذیر هستند.

«دیوید سیبک» دانشمند ماموریت کاوشگر وان آلن در مرکز پرواز فضایی «گودارد» ناسا در «گرین بلت» یا «Greenbelt» مریلند می‌گوید: « فناوری فعلی ما در ساخت فضاپیما نسبت به این ذرات شتابدار بسیار حساس است. حتی یک ذره نیز می‌تواند در ابزار و وسایل الکتریکی ما اختلال ایجاد کند. با پیشرفت فناوری، درک ما از فضایی که ماهواره‌ها در آن قرار دارند، افزایش می‌یابد و این امری ضروری است.»

یافته‌های جدیدتر

پیش از پرتاب کاوشگرهای متعددی که به مطالعه ون آلن پرداخته‌اند، دانشمندان گمان می‌کردند کمربند داخلی نسبتا پایدار است. اما با افزایش داده‌ها مشخص شد زمانی که فعالیت خورشید افزایش می‌یابد، کمربندها اندکی متورم می‌شوند. در این حالت کمربند خارجی نوسانات بیشتری دارد.

حالا این نکته را در نظر بگیرید فضانوردانی که برای مدت نسبتا طولانی - شش ماه و یا گاهی یکسال - در ایستگاه فضایی بین‌المللی اقامت می‌کنند، تحت تاثیر این تشعشعات و تغییرات آن قرار می‌گیرند که خطر ابتلا به سرطان را افزایش می‌دهند. همین امر سبب نگرانی در سکونت طولانی مدت فضانوردان در فضا می‌شود.

علاوه بر این، باید به طوفان‌های خورشیدی نیز فکر کنیم. از زمانی که دوقلوهای وان آلن در فضا مستقر شده‌اند، ناسا در تلاش بود تا اثر طوفان‌های خورشیدی بر این کمربندها را مطالعه کند. خوشبختانه در مارس 2015 بود که ناسا با مطالعه اثرات یک طوفان خورشیدی دریافت میدان مغناطیسی زمین در این طوفان‌ها تحت یک شوک بین سیاره‌ای قرار می‌گیرد.

ناسا چنین شوک‌هایی را شبیه به زمانی که یک سونامی در اثر زلزله ایجاد می‌شود، توصیف کرد. در زمان طوفان خورشیدی، خروج جرم قابل توجهی از ذرات باردار از تاج خورشیدی باعث ایجاد شوک در مناطق خاصی از کمربندهای وان آلن می‌شود.

ناسا در آن زمان نوشت: «فضاپیمای ما یک پالس ناگهانی از الکترون‌ها را اندازه‌گیری کرد که با سرعت‌های فوق‌العاده بالا - تقریبا سرعت نور - با حالت ضربه‌ای به کمربند تشعشعی بیرونی برخورد کردند. این پالس از الکترون‌ها عمر کوتاهی داشتند و انرژی آن‌ها در عرض چند دقیقه از بین رفت.»

ناسا ادامه داد: «اما پنج روز بعد، کاوشگران وان آلن تعداد بیشتری از الکترون‌های با انرژی بالا را شناسایی کردند. چنین افزایش پس از چند روز از به پایان رسیدن طوفان، واقعا شگفت‌انگیز است.»

مطالعات پیش‌رو

تغییرات صورت گرفته در شدت جریان الکترون‌ها، دانشمندان را تشویق کرده است تا در مطالعات بعدی خود به سراغ بررسی دینامیک کمربند تشعشعی وان آلن بروند.

ناسا درحال کار بر روی یک ماموریت «CubeSat» یا سفینه فضایی کوچک به نام «GTOSat» است که به مطالعه کمربندهای وان آلن ادامه دهد.

امیدواریم با داده‌های جدیدی که این سفینه فضایی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد، بتوان به سوالات بیشتری در مورد کمربندهای وان آلن رسید.

پیش‌نمایش در زبانهٔ تازه