فضا و نجوم

کاوشگرهای وان‌آلن و تغییر دیدگاه‌ ما درباره کمربند تشعشعی زمین

۳
نوشته شده توسط مریم فخیمی

کاوشگرهای وان‌آلن ناسا، دیدگاه‌ها درباره کمربند تشعشعی زمین را تغییر دادند
از ارتفاع ۹۰۰ کیلومتری از سطح زمین، ناحیه‌ غلیظی از ذرات باردار که به شکل یک کیک دونات زمین را احاطه کرده‌اند، وجود دارد. این ناحیه با نام کمربند «ون آلن» یا کمربند تشعشعی زمین شناخته می‌شود. درک شکل و اندازه این ناحیه که تحت تاثیر تابش‌های خورشیدی تغییر می‌کند، برای حفاظت از سازه ماهواره‌ها به ما کمک کند. تابش‌های شدید خورشیدی باعث صدمه دیدن سازه ماهواره‌ها و فضاپیما می‌شود، بنابراین دانشمندان مایلند مدارهایی را که می‌توانند برای ماهواره‌ها خطرناک باشند شناسایی کنند.
نخستین مطالعات درباره ناحیه کمربند وان آلن در اوایل دهه ۱۹۵۰ میلادی انجام شد. بر این اساس این ناحیه دارای یک کمربند کوچک درونی و یک کمربند بزرگ بیرونی است که به شکل هلالی زمین را احاطه کرده‌اند. کمربند درونی دارای پروتون‌های پرانرژی و کمربند بیرونی دارای الکترون‌های پرانرژی است. بین این دوکمربند یک شکاف وجود دارد. اما مطالعات جدید بر پایه یافته‌های کاوشگرهای وان آلن ناسا نشان می‌دهد که داستان ممکن است ساده باشد.

تصور سنتی از کمربند وان‌آلن شامل یک کمربند بزرگ و فعال بیرونی، یک کمربند درونی کوچک وباثبات ویک فضای خالی یا شکاف بین این دو است.

تصور سنتی از کمربند وان‌آلن شامل یک کمربند بزرگ و فعال بیرونی، یک کمربند درونی کوچک وباثبات ویک فضای خالی یا شکاف بین این دو است.

تحقیقات جدید نشان می‌دهد شکل کمربند وان‌آلن می‌تواند از یک کمربند منفرد پیوسته و فاقد فضای خالی به یک کمربند درونی بزرگ و کمربند بیرونی کوچک و یا  فاقد کمربند بیرونی تغییرکند. بسیاری از تفاوت‌‌‌ها با درنظر گرفتن اختلاف انرژی سطوح الکترونی قابل درک است.
پژوهشگران دریافتند زمانی که کمربند درونی (همان کمربند کوچک‌تر در طرح‌های قدیمی) الکترون‌های کم انرژی را جذب می‌‌کند، بسیار بزرگ‌تر از کمربند بیرونی می‌شود و این روند به صورت عکس نیز وجود دارد. در انرژی‌های بالا ساختار کمربند درونی متلاشی می‌شود. بنابراین کمربند تشعشی به نظر دارای ساختار متغیری است.
کمربند وان‌آلن توسط طوفان‌های مغناطیسی دچار تغییر می‌شود. زمانی که ذرات باردار خورشیدی، در قالب طوفان‌های خورشیدی یا خروج جرم از تاج خورشیدی (فوران تاجی) با میدان مغناطیسی زمین برخورد می‌کنند، با ایجاد نوسان‌های الکترونی در این ناحیه، باعث بروز طوفان ژئومغناطیسی می‌شوند. این طوفان یک اختلال موقتی در مغناط‌کره زمین است که به طور موقت باعث کاهش یا افزایش تراکم الکترون‌های پرانرژی در کمربند پرتویی وان آلن می‌شود؛ البته کمربند وان آلن بعد از مدتی ساختار عادی خود را پیدا می‌کند. در حال حاضر این تغییرات بدون داشتن یک الگوی واضح ،غیرقابل پیش‌بینی است.
جوف ریوز از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس و پژوهشگر ارشد این مقاله می‌گوید: «شکل کمربند بسته به نوع الکترونی که شما در جستجوی آن هستید متفاوت است. الکترون‌ها در سطوح مختلف انرژی به شکل‌های متفاوتی توزیع شده‌اند. واکنش الکترون در سطوح مختلف انرژی متفاوت است، اما در برخی سطوح رفتار‌های مشابهی دیده می‌شود. به عنوان مثال ما متوجه شدیم که الکترون‌های ناحیه شکاف بعد از طوفان مغناطیسی به سرعت ناپدید می‌شوند. اما مکان این شکاف به انرژی الکترون‌ها وابسته است.»
او افزود: «ابزارهای موجود در کاوشگرهای قبلی قادر به اندازه‌گیری ۵ الی ۱۰سطح انرژی الکترونی در یک زمان مشخص بودند. اما کاوشگرهای دوقلوی ناسا می‌توانستند چند صد سطح انرژی را به طور همزمان اندازه بگیرند.»
غالبا در زمان وقوع طوفان ژئومغناطیسی، کمربند بیرونی به سمت کمربند درونی فشرده می‌شود. به طوری که شکاف بین دو کمربند، توسط الکترون‌های کم انرژی پرشده و یک کمربند تابشی بزرگ شکل می‌گیرد. در طوفان‌های کم انرژی، این شکاف دورتر از زمین شکل می‌گیرد و در این هنگام کمربند درونی بزرگ‌تر از کمربند بیرونی است. اما در طوفان‌های پرانرژی، شکاف بین دو ناحیه به زمین نزدیک‌تر و کمربند بیرونی بزرگ‌تر است.
به دلیل وجود پروتون در مناطقی از کمربند تابشی که به زمین نزدیک است، اندازه‌گیری شار الکترونی در انرژی‌های کم در گذشته بسیار دشوار بود. اما کاوشگرهای دوقلوی ناسا که به ابزارهای دقیق و پیشرفته‌ای مجهزند طیف وسیعی از داده‌های الکترونی پرانرژی که می‌توانستیم دریافت کنیم را در اختیار ما گذاشت. علاوه بر مطالعه الکترون‌های پرانرژی که پیشتر نیز بررسی می‌شد، این کاوشگرها اطلاعاتی از الکترون‌های کم انرژی را که فقط شامل چند هزار الکترون ولت می‌شود نیز، در اختیار ما نهادند و ثابت کردند این الکترون‌ها از آنچه قبلا تصور می‌شد به زمین نزدیک‌ترند.

۲

کوتاه درباره کاوشگرهای وان‌آلن
کاوشگرهای طوفان کمربند تشعشعی” که اصلاحا RBSP نامیده می‌شوند، ماموریتی ذیل برنامه “زندگی با یک ستاره” ناسا به شمار می‌روند. این کاوشگرها وظیفه بررسی منطقه‌ پویایی از فضا، به نام کمربند فضایی وان‌آلن را برعهده دارند که اطراف کره زمین را احاطه کرده است. شناخت محیط کمربند تابشی و متغییرهای حاکم بر آن، کاربردهای مهم علمی در زمینه به‌کارگیری فضاپیما‌ها و طراحی سیستم‌های فضایی، برنامه‌ریزی ماموریت و ایمنی فضانوردان دارد. این دوکاوشگر روباتیک در تاریخ ۳۰ اوت ۲۰۱۲ به فضا پرتاب‌شدند. کمربند تشعشعی وان‌آلن به عنوان بخشی از یک سیستم بسیار بزرگتر، تحت عنوان “اقلیم فضا” که توسط انرژی و موادی که از سطح خورشید به بیرون فوران می‌کنند و کل منظومه شمسی را دربر می‌گیرد، شناخته می‌شود. اقلیم فضا، منشاء شفق‌های قطبی که در آسمان پدیدار می‌شوند، است. در عین حال می‌تواند باعث اخلال در ماهواره‌ها و شبکه توزیع نیرو و اشکال در سیستم موقعیت‌یابی جهانی شود. داده‌های دریافتی این کاوشگرها برای درک بهتر این ناحیه و طراحی بهتر فضاپیماها برای استقامت بیشتر در فضا، به دانشمندان کمک خواهد کرد. این ماموریت در پی ایجاد درک بهتر از چگونگی تغییر جمعیت الکترون‌های نسبیتی و یون‌ها در قبال تغییرات فعالیت‌ها و بادهای خورشیدی بود.مدت زمان ماموریت این دو کاوشگر دو سال بود.

درباره نویسنده

مریم فخیمی

دیدگاه شما چیست