تحيط بالأرض مسطحات عملاقة، مفعمة بالطاقة ومشحونة مغناطيسيا، هذا ما لاحظه جايمس فان ألن، فيزيائي في جامعة آيوا، اكتشف هذه الأحزمة الشعاعية في عام 1958 بعد إطلاق المكتشف 1 أول قمر صناعي أمريكي. تجارب فان ألن على المكتشف 1 التي بدأت في 31 كانون الأول، عام 1958، كانت تجربة صغيرة للأشعة الكونية تتألف من عداد غايغر (جهاز يسجل الإشعاعات) وسجلت آخر التجارب اللاحقة على المهام الأخرى في عام 1958، المكتشف 3، المكتشف 4 وبايونير 3. أظهر أن هناك حزامين من الإشعاعات حول الأرض.
رغم استمرار الملاحظات لعقود، فقد تعمقت معرفتنا حول هذه الأحزمة بعد إطلاق مجسات فان ألن في عام 2012، حيث وجدوا أن شكلها يعتمد على جزيئات مدروسة، وكشفت المعلومات عن وجود إشعاع أقل مما كان متوقعا في منطقة حزام فان ألن، مما يعني أن المركبات الفضائية والبشر ربما لن يحتاجوا إلى العديد من وسائل الحماية من الإشعاع في هذه المنطقة.
في الذكرى الستينية للمكتشف 1، ناسا أقرت أن الدراسات حول حزام فان ألن هي أكثر أهمية اليوم. التكنولوجيا اليوم هي أكثر عرضة لهذه الجسيمات المتسارعة لأن ضربة صغيرة فقط من جزيء واحد يمكن أن يؤثر في الآلات والإلكترونيات. فبينما تتطور التكنولوجيا، أصبح الأمر أكثر أهمية لتعلم والتنبؤ بالبيئة الفضائية.
نتائج مسابر فان ألن
الاهتمام بأحزمة الأقمار الصناعية مهم جدًا، حيث قد تتمدد عندما يزداد نشاط أشعة الشمس. كان من المعتقد بأن الحزام الداخلي للمحطة الفضائية الدولية كان مستقرًا نسبيًا قبل إطلاق المسابر، ولكن عندما توسع، تأثيره امتد إلى مدار المحطة الفضائية العالمية والعديد من الأقمار الصناعية الأخرى.
الحزام الخارجي تقلب أكثر. المحطة الفضائية العالمية غالبا ما تكون مسكونة منذ عام 2000، من قبل رواد الفضاء النموذجيين لحوالي ستة أشهر في كل مرة. عندما يبقى رواد الفضاء لفترة أطول ، تعرضهم للإشعاعات يمكن أن يزداد، مما يؤدي إلى مشاكل حول السكن طويل الأمد لرواد الفضاء في الفضاء.
في عام 2012، أطلقت مجموعة جديدة من المسابر، مسابر فان ألن (المعروفة سابقا بمسابر حزام الإشعاع) كان لديها العديد من الأهداف العلمية، متضمنة اكتشاف كيف الجزيئات وهي مكونة من الأيونات والإلكترونات في الأحزمة تتسارع وتنقل، كيف تفقد الإلكترونات وتتغير هذه الأحزمة خلال العواصف المغناطيسية الأرضية.
كان من المقرر أن تستمر المهمة لمدة سنتين، لكن في مايو 2018، كانت المسابر لا تزال تعمل بأكثر من ضعف المدة المتوقعة، وعلى أية حال، بدأت مخازن الوقود تنفد ويمكن أن تتوقف المسابر عن العمل في السنوات القادمة.
عادةً، يستغرق العلماء عدة شهور لمعايرة أدواتهم، ولكن هناك فريقٌ طلب منهم أن يشغلوا أجهزتهم فورًا (ثلاثة أيام بعد الإطلاق)، حيث أرادوا منهم مقارنة الملاحظات قبل المهمة الأخرى، حيث أطلق SAMPEX (مكتشف الجزيئات الشمسية، الشاذة والمغناطيسية) ودخل الغلاف الجوي للأرض.
أدت العاصفة الشمسية إلى تضخم الأحزمة الإشعاعية وحدث شيء غير متوقع، حيث استقرت الجزيئات في تكوين جديد، مما أدى إلى ظهور حزام ثالث إضافي في الفضاء. وفي غضون أيام قليلة، اضطر العلماء إلى إعادة كتابة تقاريرهم بعدما أعطت مسبار فان ألن علامات سيئة.
أهمية حزام فان ألن
البيانات التي جمعت من المسابر أظهرت أن أحزمة الإشعاع تقي الأرض من الجزيئات عالية الطاقة. الحاجز الذي يقي من الإلكترونات عالية السرعة هو هذه الأحزمة. وقد أقرت وكالة ناسا الفضائية بأنهم قادرين على دراسة الأحزمة للمرة الأولى، لأنهم يمتلكون القياسات الدقيقة لهذه الإلكترونات العالية الطاقة.
المعلومات الجديدة ساعدت العلماء على نمذجة تغييرات الأحزمة. لكن كان هناك المزيد من المعلومات. في كانون الأول عام 2016، العلماء أظهروا أن شكل الأحزمة يتعلق بنوع الإلكترون التي تتم دراسته. هذا يعني أن الحزامين الاثنين هم في الحقيقة أكثر تعقيدا، اعتمادا على ما تمت ملاحظته، يمكن أن يكونوا حزاما واحدا، أو حزامين اثنين منفصلين أو فقط حزاما خارجيا أي لا يوجد حزام داخلي على الإطلاق.
الباحثون وجدوا أن الحزام الداخلي يكون أوسع من الحزام الخارجي عند مراقبة الإلكترونات التي تحوي طاقة قليلة، بينما يكون الحزام الخارجي أوسع عند مراقبة الإلكترونات ذات الطاقة العالية. عند الطاقات العالية، هيكل الحزام الداخلي يكون مفقود كليا. بالاعتماد على ما يركز الشخص، أحزمة الإشعاع يبدو لديها هياكل مختلفة كليا في الوقت ذاته.
غموض حزام فان ألن
الشيء الذي ظل غير مفهوم، هو ما يحدث عندما تضرب الجزيئات من الشمس الأحزمة خلال عاصفة مغناطيسية أرضية. من المعروف أن عدد الإلكترونات في الأحزمة يتغير، إما تتناقص وإما تزداد اعتمادا على الحالة. أيضا، تعود الأحزمة في النهاية إلى شكلها الطبيعي بعد مرور العاصفة. أقرت ناسا أنه ليس من الواضح نوع العاصفة التي تسبب تغييرا معينا في تكوين الحزام. كما أشارت الوكالة إلى أن الملاحظات السابقة، أيا كانت، تم وضعها خلال وجود الإلكترونات في مستويات منخفضة الطاقة. لذا يجب إجراء المزيد من العمل.
لحسن الحظ، استطاع العلماء مراقبة العاصفة بشكل قريب في عام2015، وكان إحدى مسابر فان ألن متوضع داخل البقعة الصحية في مجال الأرض المغناطيسي لرؤية صدمة بين الكواكب. ناسا وصفت أن هذه الصدمات تشابه حالة التسونامي بسبب زلزال. في هذه الحال، طرد جماعي للجزيئات من الشمس المشحونة يخلق صدمة في مناطق معينة من الحزام.
تعرضت المركبات الفضائية لتغير مفاجئ في الإلكترونات المشحونة إلى سرعات عالية تقريبا مشابهة لسرعة الضوء، وعندما تصادمت الإلكترونات بحزام الشعاع الخارجي، كان للإلكترونات حياة قصيرة وانتهت طاقتها خلال دقائق. ولكن بعد مرور خمسة أيام، بعد توقف جميع العمليات الناتجة عن العاصفة، سجلت مسابر فان ألن زيادة في عدد الإلكترونات ذات الطاقة العالية. تلك الزيادة تعد شهادة على الطاقة الفريدة التي يتبعها العاصفة.
تصميم مسابر فان ألن
مسابر فان الن قد صممت لتحتمل البيئة الإشعاعية المكثفة القادمة من الأحزمة، بعض المركبات الفضائية كانت أكثر حساسية خصوصا بقدوم عاصفة شمسية. والأسوأ من ذلك، يمكن للمركبة الفضائية أن تنقص وذلك بسبب الحمل الكهربائي الزائد. التواصل يمكن أن يقطع أيضا. لحسن الحظ، بعض الأحيان الآلات يمكن أن يتم تشغيلها أو إطفائها في المركبة الفضائية خلال مرور العاصفة.
الإشعاع أيضا يؤثر على صحة الإنسان، رواد الفضاء يتعرضون لأشياء تحد من الإشعاعات تدوم مدى الحياة خلال الوقت الذي يمضونه في الفضاء، وذلك لتقليل أي خطر للإصابة بالسرطان. لكن هناك القليل فقط من الناس الذين قضوا ستة أشهر أو أكثر في الفضاء، على أية حال، دراسة التأثيرات طويلة الأمد من الإشعاعات على البشر يمكن أن يأخذ عقودا.
لا يقضي رواد الفضاء الوقت في المركبات الفضائية داخل الأحزمة، ولكن في بعض الأحيان يعرضون للعواصف الشمسية التي تتوسع لتشمل محيط المركبة الفضائية. في ستينات القرن الماضي، تعرض أفراد طاقم أبولو للأحزمة أثناء سفرهم من وإلى القمر. قضوا وقتا قصيرا جدا في هذه المنطقة المليئة بالإشعاع، ربما لأن المسار كان مصمما للمرور عبر المناطق ذات الكثافة الأقل. ومن خلال دراسة مستفيضة، يمكن لرواد الفضاء أن يحموا أنفسهم بشكل أفضل من التأثيرات طويلة الأمد للإقامة في مدار الأرض.