On hyvin tunnettu tosiasia, että Maan otsonikerros suojaa meitä suurelta osalta Auringon ultraviolettisäteilyltä. Jos planeettamme ympärillä ei olisi tätä suojaavaa estettä, pintamme olisi todennäköisesti samanlainen kuin Marsissa havaitsemamme karu ja eloton maisema.
Tämän esteen takana on toinen – sarja kilpiä, jotka muodostuu kerroksesta energisesti varautuneita hiukkasia, joita Maan magneettikenttä pitää paikallaan. Tämä Van Allenin säteilyvyönä tunnettu seinä estää nopeimpia ja energisimpiä elektroneja pääsemästä Maahan.
NASAn Van Allen -luotainten uusien tutkimusten mukaan näyttää nyt siltä, että nämä hihnat voivat olla lähes läpäisemättömiä, millä voi olla vakavia seurauksia tulevaan avaruustutkimukseen.
Maan magnetosfääriin vangitun varautuneiden hiukkasten vyön olemassaolo on ollut tutkimuksen kohteena 1900-luvun alusta lähtien. Kuitenkin vasta vuonna 1958 Explorer 1- ja Explorer 3 -avaruusalukset vahvistivat vyön olemassaolon, joka sitten kartoitettiin Explorer 4-, Pioneer 3- ja Luna 1 -tehtävillä.
Maata ympäröi kaksi jättiläismäistä säteilyvyöhykettä. Sisävyötä hallitsevat protonit ja ulompaa elektronit. Kiitos: NASA
Siitä lähtien tiedemiehet ovat havainneet paljon tästä hihnasta, mukaan lukien kuinka se on vuorovaikutuksessa muiden planeettamme kenttien kanssa muodostaen lähes läpäisemättömän esteen saapuville elektroneille.
Tämä löytö tehtiin NASAn Van Allen Probesilla, jotka käynnistettiin elokuussa 2012 tutkimaan aluetta. Luotain tekemien havaintojen mukaan tämä alue voi vahata ja haihtua vasteena auringosta tulevalle energialle, joskus turvota tarpeeksi altistaakseen Maan kiertoradalla olevat satelliitit haitalliselle säteilylle.
'Tämä ultranopeiden elektronien este on hihnojen merkittävä ominaisuus', sanoi Dan Baker, avaruustutkija Coloradon yliopistosta Boulderista ja paperin ensimmäinen kirjoittaja. 'Voimme tutkia sitä ensimmäistä kertaa, koska meillä ei ole koskaan aikaisemmin ollut näin tarkkoja mittauksia näistä korkeaenergisista elektroneista.'
Sen ymmärtäminen, mikä antaa säteilyvyölle niiden muodon ja mikä voi vaikuttaa tapaan, jolla ne turpoavat tai kutistuvat, auttaa tutkijoita ennustamaan näiden muutosten alkamista. Tällaiset ennusteet voivat auttaa tutkijoita suojaamaan alueen satelliitteja säteilyltä.
Niiden ensimmäisen löytämisen jälkeen vuosikymmeninä tiedemiehet ovat oppineet, että kahden hihnan koko voi muuttua – tai sulautua yhteen tai jopa erottua kolmeksi hihnaksi satunnaisesti. Mutta yleensä sisempi vyö ulottuu 644 km:stä 10 000 km:iin (400 - 6 000 mailia) maan pinnan yläpuolelle, kun taas ulompi vyö ulottuu 13 500 - 0 58 000 km (8 400 - 36 000 mailia).
Taiteilijan esitys Van Allenin luotauksista A ja B Maan kiertoradalla. Kiitos: NASA
Tähän asti tiedemiehet ovat ihmetelleet, miksi nämä kaksi vyötä ovat olleet olemassa erikseen. Miksi he ovat ihmetelleet, onko näiden kahden välillä melko tyhjä tila, joka näyttää olevan vapaa elektroneista? Siinä vasta löydetty este astuu sisään.
Van Allen Probes -tiedot osoittivat, että ulomman vyön sisäreuna on itse asiassa erittäin korostunut. Nopeimmille, suurimman energian elektroneille tämä reuna on terävä raja, jota ei normaaliolosuhteissa voida läpäistä.
'Kun katsot todella energisiä elektroneja, ne voivat tulla vain tietyn etäisyyden päähän Maasta', sanoi Shri Kanekal, NASAn Goddardin avaruuslentokeskuksen Greenbeltissä, Marylandissa sijaitsevan Van Allenin avaruustutkija ja toinen. kirjoittaja Nature-lehdessä. 'Tämä on täysin uutta. Emme todellakaan odottaneet sitä.'
Ryhmä tarkasteli mahdollisia syitä. He päättivät, että ihmisen aiheuttamat tartunnat eivät olleet esteen syy. He tarkastelivat myös fyysisiä syitä ja kysyivät, voisiko Maan magneettikentän muoto olla syynä rajalle. NASAn tutkijat kuitenkin tutkivat ja eliminoivat tämän mahdollisuuden ja päättelivät, että muiden avaruushiukkasten läsnäolo näyttää olevan todennäköisempi syy.
Maapallon ympärillä oleva kylmän, varautuneen kaasun pilvi, nimeltään plasmasfääri (näkyy tässä violettina), on vuorovaikutuksessa Maan säteilyvyöhykkeillä olevien hiukkasten kanssa (näkyy harmaalla). Kuvan ansiot: NASA/Goddard
Säteilyvyöt eivät ole ainoita maapalloa ympäröiviä hiukkasrakenteita. Suhteellisen viileiden, varautuneiden hiukkasten jättimäinen pilvi, jota kutsutaan plasmapalloksi, täyttää Maan ilmakehän uloimman alueen, alkaen noin 600 mailin korkeudesta ja ulottuen osittain ulompaan Van Allenin vyöhykkeeseen. Plasmapallon ulkorajalla olevat hiukkaset aiheuttavat ulomman säteilyvyöhykkeen hiukkasten sirontaa poistaen ne hihnalta.
Tämä sirontavaikutus on melko heikko, eikä se välttämättä riitä pitämään elektronit rajalla paikoillaan, lukuun ottamatta geometrian omituisuutta – säteilyvyön elektronit liikkuvat uskomattoman nopeasti, mutta eivät Maata kohti. Sen sijaan ne liikkuvat jättimäisinä lenkkeinä maapallon ympäri.
Van Allen Probes -koettimien tiedot osoittavat, että maata kohti energisimmillä elektroneilla on hyvin vähän liikettä – vain lempeää, hidasta liikettä, joka tapahtuu kuukausien kuluessa. Tämä liike on niin hidas ja heikko, että plasmapallon aiheuttama sironta voi torjua sen.
Tämä auttaa myös selittämään, miksi – äärimmäisissä olosuhteissa, kun erityisen voimakas aurinkotuuli tai jättiläismäinen auringonpurkaus, kuten koronan massapurkaus, lähettää materiaalipilviä maapallon läheiseen avaruuteen – elektronit ulkovyöhykkeestä voivat työntyä tavalliseen tyhjä rakoalue hihnojen välissä.
'Plasmapaukun aiheuttama sironta on riittävän voimakasta muodostamaan seinän ulomman Van Allenin vyön sisäreunaan', Baker sanoi. 'Mutta voimakas aurinkotuulitapahtuma saa plasmapallon rajan siirtymään sisäänpäin.'
Massiivinen aineen virtaus auringosta voi syövyttää ulompaa plasmapalloa siirtäen sen rajoja sisäänpäin ja sallien säteilyvyöhykkeiltä tulevien elektronien liikkua myös kauemmas sisäänpäin.
Johns Hopkins Applied Physics -laboratorio Laurelissa, Marylandissa, rakensi Van Allenin koettimet NASAn Science Mission Directoratea varten ja käyttää niitä. Tehtävä on toinen NASAn Living With a Star -ohjelmassa, jota hallinnoi Goddard.
Näitä tuloksia koskeva paperi julkaistiin 26. marraskuuta 2014, numerossa Luonto -lehteä. Ja muista katsoa tämä Goddard Space Centerin tuottama animoitu video, joka selittää lyhyesti Van Allenin vyön:
Lisälukemista: NASA