חגורות ואן אלן

חגורות ואן אלן הן סדרה של חגורות חלקיקים טעונים במטען חשמלי, המקיפות את כדור הארץ והמצויות באזור המגנטוספירה. האינטראקציה של החלקיקים עם האטמוספירה גורמת לתופעת זוהר הקוטב.

אפשרות קיומן של החגורות נידונה בתחילת המאה ה-20 והן התגלו בפועל בשנת 1958 על ידי ג'יימס ואן אלן, אשר התקין גלאי קרינה על גבי לווייני המחקר אקספלורר 1 ואקספלורר 3.

הגבול התחתון של החגורות הוא במרחק של 200–1,000 קילומטר מעל פני כדור הארץ, וגבולן העליון נמצא בסביבות 44,000 קילומטר (7 פעמים רדיוס כדור הארץ. רדיוס כדור הארץ יסומן בהמשך ב־${\displaystyle R_{\mbox{E}}}$).

שתי גשושיות נאס"א בשם "גשושיות הסערה בחגורת הקרינה" (Radiation Belt Storm Probes), שוגרו בתחילת שנת 2012, וחקרו את אוכלוסיות החלקיקים בחלל, ההיווצרות והשינוי שלהן בהתאם לפעילות השמש ורוח השמש.

משימת הגשושיות של חגורת ואן אלן הושקה בהצלחה ב-30 באוגוסט 2012. המשימה העיקרית הייתה אמורה להימשך שנתיים עם אפשרות להארכה עד ארבע שנים. הגשושיות הושבתו בשנת 2019 לאחר שאזל בהן הדלק, והן צפויות לצאת ממסלולן במהלך שנות השלושים. מרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א מנהל את תוכנית "Living with a Star" – הכוללת את פרויקט הגשושיות של חגורת ואן אלן, בשיתוף עם מצפה הדינמיקה השמשית (SDO). המעבדה לפיזיקה יישומית אחראית על היישום וניהול המכשירים של ה-Van Allen Probes^[1].

משימת המחקר של נאס"א בחגורת ואן אלן שואפת להבין (עד כדי חיזוי) כיצד אוכלוסיות של אלקטרונים ויונים יחסותיים נוצרות בחלל או משתנות כתוצאה משינויים בפעילות השמש או ברוח השמש. מחקרים במימון המכון למושגים מתקדמים של נאס"א הובילו לפיתוח חיישנים מגנטיים לאיסוף אנטי-חומר המופיע באופן טבעי בחגורות ואן אלן של כדור הארץ, למרות שרק כמות זעומה של כ־10 מיקרוגרם של אנטי-פרוטונים נמצאת בכל החגורה^[2].

חגורות קרינה דומות קיימות סביב כוכבי לכת וירחים אחרים במערכת השמש, שיש להם שדות מגנטיים חזקים דיים כדי לקיימן. עד כה, רוב חגורות הקרינה הללו מופו בצורה חלקית ביותר. תוכנית וויאג'ר (וויאג'ר 2) אישרה את קיומן של חגורות דומות סביב אורנוס ונפטון.

סערות גיאומגנטיות יכולות לגרום לשינויים בצפיפות האלקטרונים במהירות יחסית (במהלך יום אחד או אף פחות מכך). תהליכים לאורך זמן רב יותר קובעים את התצורה הכוללת של החגורות. בעקבות הזרקת אלקטרונים מרוח השמש עולה צפיפות האלקטרונים. מאידך, צפיפות האלקטרונים נצפית לעיתים קרובות כדעיכה מערכית. קבועי הדעיכה נקראים "זמן חיים". מדידות באמצעות הספקטרומטר המגנטי Van Allen Probe B מראות שחיי אלקטרונים בחגורות ארוכים למדי (יותר מ-100 ימים) בחגורה הפנימית. ב"מרווח" שבין החגורות זמני חיים של אלקטרונים קצרים יותר, לערך יום או יומיים. בחגורה החיצונית אורך חיים של אלקטרונים תלויי באנרגיה שלהם, מוערך בין חמישה עד 20 ימים^[1].

מערכת חגורות ואן אלן מורכבת משתי חגורות - החגורה החיצונית וחגורה פנימית, כאשר בין החגורות מרווח ברוחב אלפי קילומטרים. החגורה הפנימית מתחילה במרחק של כ־700 קילומטר ונגמרת במרחק של כ־10,000 קילומטר מפני כדור הארץ (שיא הקרינה במרחק של כ־1 ${\displaystyle R_{\mbox{E}}}$ מפני כדור הארץ), והיא מורכבת ברובה מפרוטונים בעלי אנרגיה של יותר מ־100 מגה אלקטרון וולט ואלקטרונים בעלי אנרגיה של מאות קילו אלקטרון וולט. החגורה החיצונית משתרעת במרחק של 7–3 ${\displaystyle R_{\mbox{E}}}$ מפני כדור הארץ (שיא הקרינה במרחק של כ־4 ${\displaystyle R_{\mbox{E}}}$), מורכבת בעיקר מאלקטרונים בעלי אנרגיה של 0.1 עד 10 מגה אלקטרון וולט, וכן כמות קטנה יחסית של יונים. החגורה החיצונית רחבה בהרבה מהפנימית, אוכלוסיית החלקיקים שלה יציבה פחות ומושפעת מסערות גאומגנטיות.

בשנת 2013 גשושיות Van Allen Probes גילו טבעת קרינה שלישית, שהתקיימה במשך ארבעה שבועות בטרם התפוגגה^[3].

לכל אחת משתי חגורות ואן־אלן מקור משלה. מקורם של הפרוטונים בחגורה הפנימית היא התפרקות של נייטרונים, הנוצרים בפגיעת קרינה קוסמית בשכבות העליונות של האטמוספירה. החגורה החיצונית מקורה בחלקיקים מהשובל המגנטי, אשר נלכדים בחגורה בעת סערות גאומגנטיות. החלקיקים בחגורות נעים בו־זמנית מסביב לקווי השדה המגנטי של כדור הארץ ולאורך קווים אלה, בתנועה דמוית ספירלה. כאשר מתקרבים החלקיקים לכדור הארץ, השדה המגנטי החזק באזור גורם להאטת תנועתם עד לעצירה ותחילת התנועה בכיוון ההפוך. כך נעים החלקיקים בין קצוות החגורה, הנמצאים ליד הקטבים, והם לכודים למעשה בתוך החגורה. הסיבה לקיום הפער בין החגורות היא כנראה גלים בעלי תדירות נמוכה מאוד (מ־3 עד 30 קילו־הרץ), שמפזרים את החלקיקים באזור זה בזוויות הגורמות, בסופו של דבר, לבליעת החלקיקים באטמוספירה. מקורם של גלים אלה אינו ידוע בוודאות, אך לפי מחקר אחרון ייתכן כי מקורם בברקים אשר נוצרים באטמוספירה.

הקרינה בחגורות מסוכנת, גם לאדם וגם לציוד רגיש, כגון תאים סולריים, גלאים ומעגלים משולבים. החלקיקים בחגורות מסוגלים לחדור כ־1 גרם לסמ"ר (g/cm²) של הגנה - למשל, 1 מילימטר של עופרת. בשנת 1962, בעקבות הניסוי הגרעיני האמריקני "Starfish prime", רמת הקרינה בחגורות עלתה זמנית, דבר שהשבית את פעילותם של מספר לוויינים. האסטרונאוטים אשר השתתפו בטיסות המאוישות במסגרת תוכנית אפולו, נמצאו באזור החגורות במשך פרקי זמן קצרים ולכן נחשפו לכמות קרינה מוגבלת, אך אין ספק כי טיסות מאוישות נוספות למרחקים גדולים ידרשו אמצעי מיגון מתוגברים.

האזור בו חגורת ואן אלן הפנימית הכי קרובה לכדור הארץ מכונה "אנומליה דרום־אטלנטית" (South Atlantic Anomaly). באזור זה, נחשפים הלויינים לכמות קרינה גדולה במיוחד, ולכן רבים מהם, כגון טלסקופ החלל האבל, מכבים את הגלאים שלהם בעת המעבר באזור זה.

• השפעת החגורה על הגשושית בראשית

מדיה וקבצים בנושא חגורות ואן אלן בוויקישיתוף

• אלקטרונים קטלניים בחלל, הידען
• חגורות ואן אלן, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)