Van Allenovy pásy jsou nedílnou součástí naší magnetosféry , jde o jakési kapsy nabitých částic zachycených v magnetickém poli Země, které intenzivně vyzařují elektromagnetický signál. Van Allenovy radiační pásy mohou být nebezpečné pro přístroje na družicích, telekomunikační systémy i samotného člověka. Běžně jsou pozorovány dva radiační pásy – vnitřní a vnější. Američtí odborníci z Coloradské univerzity a dalších vědeckých institucí detekovali nyní na základě měření dvojice sond Van Allen vznik třetího pásu (ve vzdálenosti 3 až 3,5 zemského poloměru), který přetrvával v nezměněné podobě přes 4 týdny. Tento objev odborníky překvapil, mechanizmus vzniku třetího pásu není známý a není ani jasné, zda se obdobný jev periodicky opakuje, nebo šlo o výjimečný úkaz.
Zemi obklopují dva obří toroidy nabitých částic (zeleně), kterým říkáme
Van Allenovy radiační pásy. Zdroj: NASA – T. Benesch, J. Carns.
|
Země – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. Van Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O+, He+) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 RZ. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka. Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. |
Pohyby nabitých částic
Nabité částice reagují na elektrická a magnetická pole. Základním pohybem v poli elektrickém je urychlování ve směru siločar. Kolmo na siločáry se částice pohybuje počáteční rychlostí (pole jakoby nepůsobí), podél siločar je pohyb rovnoměrně zrychlený (pole způsobuje konstantní zrychlení). Složením obou pohybů vzniká parabolická trajektorie. V případě relativistických rychlostí nejde o parabolu, ale o hyperbolický kosinus.
V magnetickém poli je situace do jisté míry opačná. Magnetické pole nemění pohyb částice ve směru siločar, ale síla působí kolmo na siločáry a na rychlost částice. Proto se částice pohybují podél siločar po šroubovicích (jde o kombinaci rovnoměrného pohybu podél siločáry a pohybu po kružnici v rovině kolmé na siločáry). Tomuto základnímu pohybu říkáme gyrace (gyrační pohyb nebo také Larmorova rotace). Poloměr pohybu částice se nazývá Larmorův poloměr. Situace se může komplikovat, pokud se magnetické pole prostorově nebo časově mění. V oblastech silnějšího pole (hustších magnetických siločar) může dojít k odrazu nabité částice (tomuto jevu říkáme magnetické zrcadlo).
V případě, že jsou přítomna obě pole – elektrické i magnetické – dochází navíc k driftům. Drifty jsou souhrnným názvem pro skupinu pohybů, při nichž se gyrační střed posouvá kolmo na magnetické pole. V našem případě se gyrující částice vydá kolmo na pole magnetické i elektrické. Jaký k tomu má důvod? Částice se při gyračním pohybu dostává do různých oblastí elektrického potenciálu a podle toho upravuje svou rychlost. Tím se ale mění gyrační poloměr. A zkuste si nakreslit kružnici, u níž měníte její poloměr! Začne se odvalovat do boku. K driftům dochází i v přítomnosti gravitačního pole nebo když jsou magnetické siločáry zakřivené (drift zakřivení). Na jedné otočce částice se pole musí změnit jen málo, jinak by pohyb byl ještě složitější.
|
Pohyby částic v magnetickém dipólu Země. Základním periodickým pohybem je Larmorova rotace (gyrace) nabitých částic kolmo na magnetické siločáry zemského dipólu. Částice se pohybují po šroubovicích podél siločar. V polárních oblastech, kde je pole silnější, se některé z nich odrážejí, a tím dochází k druhému periodickému pohybu – pendlování mezi póly. A je zde ještě třetí periodický pohyb. Částice pomalu driftují v zakřiveném magnetickém poli v azimutálním směru: elektrony na východ a protony na západ. Kresba Ivan Havlíček. |
Pokud protéká vodičem elektrický proud, vytváří se kolem něho magnetické pole. Stejně tak se magnetické pole vytváří i kolem každé pohybující se nabité částice. Pokud tato částice krouží (gyruje), je vzniklé magnetické pole proměnné v čase. A proměnné magnetické pole vytváří vždy proměnné pole elektrické (jev elektromagnetické indukce). Vzájemně provázaná časově proměnná elektrická a magnetická pole nejsou ničím jiným než elektromagnetickou vlnou. Gyrující nabité částice tedy vyzařují elektromagnetické vlny. U pomalu se pohybujících částic hovoříme o cyklotronním záření, u relativistických rychlostí o synchrotronním záření . Nabité částice zachycené zemským magnetickým polem tedy konají gyrační pohyb, pendlují od pólu k pólu, driftují v azimutálním směru a vyzařují elektromagnetické vlny.
Van Allenovy pásy
O tom, že by zemské magnetické pole mohlo zachytit nabité částice, uvažoval na počátku 20. století už norský fyzik Kristian Birkeland. Birkeland také jako první pochopil souvislost polárních září s elektrony slunečního větru a postavil malý model Země, tzv. terrelu, na které tyto jevy zkoumal. Pásy intenzivního záření nalezl americký astrofyzik James van Allen (1914–2006) až v roce 1958, kdy byl možný průzkum blízkého okolí Země z družic. Allen prosadil umístění Geigerových počítačů na družice Explorer I a Explorer III a na základě jejich měření objevil silný radiační pás, kterému dnes říkáme vnitřní Van Allenův pás. Z měření sovětské sondy Luna 1 byl v roce 1959 objeven ještě vnější pás. Intenzivní elektromagnetické záření pochází z nabitých částic slunečního větru a kosmického záření . Zjednodušeně lze říci, že pro vnější pás jsou charakteristické zachycené elektrony s vysokou energií a pro vnitřním pás energetické protony . Nicméně situace je složitější, oba pásy obsahují také elektrony a protony s nižšími energiemi a některé ionty. Poloha pásů se s časem mění, za normální situace jsou od Země ve vzdálenosti 1,2÷7 RZ. Dolní hranice je ve výšce 1 000 km, horní maximálně 50 000 km. Pásy jsou omezeny na zeměpisné šířky menší než 65°. Vnější pás má největší intenzitu ve vzdálenosti 4÷5 RZ. Hlavní složku tvoří elektrony slunečního větru s energiemi 0,1÷10 MeV. Elektrony jsou urychlovány magnetosférickými hvizdy na značné energie, takovým elektronům říkáme zabijácké elektrony. Ve vnějším pásu se nacházejí i protony, alfa částice a ionty kyslíku. Vnitřní pás obsahuje elektrony s energiemi ve stovkách keV a protony s energiemi přes 100 MeV. V Jižní atlantické anomálii se tento pás může přiblížit k povrchu Země až do výšky 200 km (je to způsobeno tím, že zemský magnetický dipól nemá střed přesně ve středu Země). Kosmonauté, kteří proletěli radiačním pásem, popisují světelné záblesky podobné meteorům, které viděli i se zavřenýma očima. Záblesky byly pravděpodobně vyvolány dopadem nabitých částic na sítnici oka. Radiační pásy jsou nebezpečné pro člověka i přístroje, proto se jim vesmírné mise snaží vyhýbat. Dnes jsou známy i radiační pásy u Jupiteru a Saturnu .
|
Na dobové fotografii je tým, který připravoval start první americké družice Explorer 1. Start se uskutečnil dne 1. února 1958. Družice na snímku je model v měřítku 1:1. Zleva doprava jsou William Pickering (ředitel NASA JPL), James Van Allen (Univerzita v Iowě, řídil vývoj přístrojové části) a Wernher von Braun (U.S. Army Ballistic Missile Agency). Zdroj: NASA. |
Objev třetího pásu
V bulletinech AB 39/2009 a AB 34/2011 jsme referovali o výzkumu van Allenových pásů družicí Pamela a o objevu antiprotonů ve vnitřním pásu v roce 2011. V roce 2012 startovala nová dvojice amerických sond určená výhradně k výzkumu Van Allenových radiačních pásů. Sondy měly před startem označení RBSP (Radiation Belt Storm Probes, Sondy k výzkumu bouří v radiačních pásech). Po úspěšném startu dne 30. srpna 2012 byly přejmenovány na sondy Van Allen A a B. Každá ze sond má hmotnost kolem 750 kg, nejnižší bod dráhy je ve výšce 700 km, nejvyšší ve vzdálenosti 5,8 RZ. Satelity jsou vybaveny přístroji pro měření elektrického a magnetického pole, detektory částic, spektrometrem relativistických částic a přístrojem pro detekci iontů. Životnost obou sond se předpokládá dva roky. Satelity létají v tandemu a jejich hlavními cíly je studium urychlování částic, hledání mechanizmů zániku částic a sledování změn radiačních pásů v průběhu geomagnetických bouří. První úspěch se dostavil hned 2. září 2012. Satelity sledovaly neobvyklou dynamiku Van Allenových pásů a na dobu delší než měsíc se mezi oběma pásy objevil třetí ostře ohraničený torus nabitých částic. V novém pásu byly detekovány elektrony s energií vyšší než 2 MeV a pás se nacházel mezi 3÷3,5 RZ. Zdá se, že struktura Van Allenových pásů je mnohem komplikovanější, než se očekávalo, a že zde probíhá řada dosud neprozkoumaných procesů. Můžeme se proto těšit na další výsledky z těchto výjimečných sond.
Třetí radiační pás nalezený dvojicí sond Van Allen A a B. Zdroj: NASA.
Sondy Van Allen A a B. Zdroj NASA.
Logo mise sond Van Allen. Zdroj: NASA.
Odkazy
|
