Aσυνήθιστο τρίτο δαχτυλίδι γύρω από τη Γη. Scientists explain the formation of unusual ring of radiation in space

Mοντέλο που δείχνει το τρίτο δαχτυλίδι (κόκκινο). Recent observations by NASA's Van Allen Probes mission showed an event in which three radiation zones were observed at extremely high energies, including an unusual medium narrow ring (red) that existed for approximately four weeks. The modeling results, displayed in this illustration, revealed that for particles at these high energies, different physical processes are responsible for the acceleration and loss of electrons in the radiation belts, which explains the formation of the unusual long-lived ring between the belts.  The discovery will help protect satellites form the harmful radiation in space, UCLA scientists report.  Image credit: Yuri Shprits, Adam Kellerman, Dmitri Subbotin/UCLA

Το 1958 οι επιστήμονες ανακάλυψαν γύρω από τη Γη τις ζώνες Βαν Άλεν, δυο περιοχές που περικλείουν το πλανήτη μας  και αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια παγιδευμένα από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Τον περασμένο Φεβρουάριο όμως, επιστήμονες της NASA δημοσίευσαν στοιχεία για την ύπαρξη μιας τρίτης στενής ζώνης μεταξύ των δύο ζωνών που γνωρίζαμε.

Σε μία έρευνα που δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature Physics, επιστήμονες του πανεπιστημίου UCLA υποστηρίζουν πως αιτία της ενδιάμεσης αυτής ζώνης είναι ηλεκτρόνια που κινούνται σε ταχύτητες πολύ κοντά σε αυτή του φωτός, προκαλώντας μια ποικιλία από φυσικά φαινόμενα.

Η κατανόηση της συμπεριφοράς των ζωνών ακτινοβολίας έχει μεγάλη σημασία για την επεξήγηση και τη πρόγνωση των «καιρικών συνθηκών» που επικρατούν γύρω από τον πλανήτη μας. Βίαια φαινόμενα μπορούν να προκαλέσουν σοβαρά προβλήματα στα δορυφορικά συστήματα και στις αντίστοιχες υπηρεσίες που εξαρτώνται από αυτά (GPS, κινητά τηλέφωνα κ.ά.)

Van Allen radiation belts. Credit: NASA

Η εσωτερική και η εξωτερική ζώνη Βαν Άλεν βρίσκονται σε απόσταση 1.000 έως 50.000  χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της Γης. Ειδικά σκάφη της NASA είχαν μεταδώσει νωρίτερα φέτος τις παρατηρήσεις τους από μία διαστημική καταιγίδα που έλαβε χώρα το Σεπτέμβριο του 2012. Τα σκάφη είχαν καταγράψει μια ζώνη ακτινοβολίας που παρέμεινε ενεργή για πολύ καιρό μετά το τέλος της καταιγίδας, πράγμα που σημαίνει πως επρόκειτο για πολύ υπερ-ενεργά σωματίδια.

Συγκεκριμένα οι επιστήμονες υπολογίζουν πως μεταξύ των δύο ζωνών υπάρχουν ηλεκτρόνια που κινούνται με ταχύτητες της τάξης του 99.9% της ταχύτητας του φωτός. Κλειδί στην κατανόηση της ενδιάμεσης ζώνης ήταν ο διαχωρισμός στο θεωρητικό μοντέλο αυτών των υπερ-σχετικών ηλεκτρονίων από τα υπόλοιπα που κινούνται με χαμηλότερες ταχύτητες.

Τα ενεργά σωματίδια χρειάζονται λίγες μέρες μέχρι να χάσουν την ενέργειά τους, σε συγκρούσεις με άλλα σωματίδια αλλά και εξαιτίας. Τα υπερ-σχετικά ηλεκτρόνια όμως μπορεί να χρειαστούν μέχρι και 100 ημέρες για να «ηρεμήσουν», εξηγώντας την παραμονή της ενδιάμεσης ζώνης για καιρό έπειτα από το τέλος της καταιγίδας.  

«Οι παρατηρήσεις από τα σκάφη Βαν Άλεν της NASA, άλλαξαν τον τρόπο που βλέπουμε τις ζώνες ακτινοβολίας» λέει ο Yuri Shprits, ένα από τους συγγραφείς της έρευνας. «Στο παρελθόν έχουμε κάνει εκτιμήσεις και πιστεύαμε πως ήταν δικαιολογημένες. Τώρα ξέρουμε πως θα πρέπει να κατανοήσουμε τις διαστημικές καταιγίδες με μεγαλύτερη λεπτομέρεια, και να φτιάξουμε ένα παγκόσμιο μοντέλο που θα μπορεί να αναπαράγει ό,τι συμβαίνει σε όλα τα επίπεδα».

By taking into consideration how the fastest particles in the radiation belts move, and how they behave differently from less energetic particles, researches have created simulations of the radiation belts that better match what is actually observed. Credit: Y. Shprits

Σύμφωνα με τις προηγούμενες μελέτες και προσομοιώσεις σε υπολογιστές, ο μόνος υπεύθυνος μηχανισμός που είναι γνωστός για την επιτάχυνση των σωματιδίων στις ζώνες Βαν Άλεν, δεν επαρκεί για να εξηγήσει τις ταχύτητες των υπερ-σχετικών ηλεκτρονίων. Παρόλα αυτά, εάν γίνει ο διαχωρισμός μεταξύ των δύο διαφορετικών ειδών σωματιδίων, τα υπολογιστικά μοντέλα αναπαράγουν εξαιρετικά τις μετρήσεις από τα διαστημικά τηλεσκόπια, και την ύπαρξη μιας ενδιάμεσης ζώνης ακτινοβολίας.

«Ανακαλύψαμε μόνο την κορφή του παγόβουνου» λέει ο Shprits. «Πρέπει να καταλάβουμε πως επιταχύνονται αυτά τα ηλεκτρόνια, από πού προέρχονται και πως επηρεάζεται η δυναμική των ζωνών από τις καταιγίδες».