Van Allenovi sevalni pasovi – definicija, izvori in nevarnosti za satelite

Van Allenov sevalni pas je območje nabitih delcev, ki prihajajo s Sonca kot sončni veter. Zemljino magnetno polje jih zajame in zadrži.

Zemlja ima dva takšna pasova in včasih še druge. Te pasove je odkril James Van Allen. Dva glavna Zemljina pasova se raztezata od približno 500 do 58.000 km (310 do 36.040 milj)

Večina delcev, ki tvorijo pasove, naj bi izvirala iz sončnega vetra, drugi delci pa iz kozmičnih žarkov. Magnetno polje, ki zadržuje sončni veter, te energijske delce odbija in varuje ozračje pred uničenjem.

Pasovi se nahajajo v notranjem delu Zemljine magnetosfere. V njih se zadržujejo energijski elektroni in protoni. Ti pasovi ogrožajo satelite, ki morajo imeti občutljive komponente zaščitene z ustreznimi ščitniki, če se veliko časa zadržujejo v tem območju. Leta 2013 je NASA sporočila, da so sonde Van Allen odkrile tretji sevalni pas, ki so ga opazovali štiri tedne. Uničil ga je močan medplanetarni udarni val iz Sonca.

Struktura in sestava pasov

Van Allenovi pasovi so običajno razdeljeni na notranji in zunanji pas. Notranji pas je bogat predvsem s protoni visokih energij (do nekaj sto MeV), ki izvirajo deloma iz atmosferskih procesov in so zelo prodorni. Zunanji pas je bogat z visokenergijskimi elektroni (do nekaj MeV) in je bolj spremenljiv — njegova gostota se močno spreminja z aktivnostjo Sonca.

Višine so približne in se spreminjajo z magnetosferskimi pogoji: notranji pas se običajno nahaja pri nekaj sto do nekaj tisoč kilometrih nad površjem, zunanjega pa najdemo na višjih razdaljah, včasih do več deset tisoč kilometrov.

Viri in dinamika

• Sončni veter in izbruhi (koronalni izbruhi, CME) pošiljajo tok nabitih delcev in magnetnih motenj, ki lahko pasove ojačajo ali začasno spremenijo njihovo strukturo.
• Kozmični žarki prispevajo nekatere visokoenergijske delce.
• Obstajajo tudi procesi znotraj magnetosfere, kot so valno-delčne interakcije, radialna difuzija in magnetopavzno "senčenje", ki delce premikajo, pospešujejo ali izgubljajo v atmosfero.

South Atlantic Anomaly (SAA)

Na nekaterih lokacijah notranji pas nekoliko "spusti" bližje Zemlji zaradi nepravilnosti zemeljskega magnetnega polja. Najznamenitejša od teh je South Atlantic Anomaly (SAA), kjer se povečajo ravni sevanja v nizkih orbitah (LEO). Sateliti in ISS ob prehodu skozi SAA prejmejo večjo izpostavljenost in včasih izvedejo zaščitne ukrepe, na primer izklop občutljivih instrumentov.

Nevarnosti za satelite

Van Allenovi pasovi predstavljajo več vrst tveganj za vesoljsko opremo:

• Ionizacijska doza — dolgotrajna izpostavljenost povečuje kumulativno škodo na elektroniki in materialih.
• Enkratni dogodki (SEU) — posamezni nabiti delci lahko sprožijo napake v računalniških vezjih in pomnilniku.
• Površinski in dielektrični naboj — nabiranje naboja na zunanji površini ali znotraj izolatorjev lahko povzroči izpust ali okvaro (deep dielectric charging).
• Starost in degradacija — sončne celice, senzorji in drugi materiali se skozi čas slabšajo zaradi sevanja.

Kako se sateliti varujejo

Obstaja več pristopov za zmanjšanje tveganj:

• Fizikalno ohišje — uporaba radijacijsko odpornih ščitov in materialov za zmanjšanje doze.
• Strojna in programska trdnost — rad-hard komponenta, redundanca sistemov, korekcijski in detekcijski mehanizmi za napake (EDAC).
• Načrtovanje orbite — izbira nižjih orbit (LEO) ali takšnih, ki minimalno časa preživijo v najmočnejših delih pasov; pri nekaterih misijah se izvaja manevre za izogibanje ob močnejših pojavih.
• Operativni ukrepi — začasni izklopi občutljivih instrumentov med prehodi skozi SAA ali med geomagnetskimi nevihtami ter spremljanje vesoljskega vremena.

Vpliv na ljudi in raziskave

Astronavti v nizkih orbitah, kot je ISS (~400 km), so na splošno pod glavnino Van Allenovih pasov, vendar ob prehodu skozi SAA ali med močnimi izbruhi Sonca obstaja povečano sevalno breme. Zato so vesoljske agencije pozorne na napovedi vesoljskega vremena in prilagajajo aktivnosti, kot so izhodi v vesolje (EVAs).

NASA-jeve sonde Van Allen (RBSP), izstreljene leta 2012, so pomembno razširile naše razumevanje pasov, vključno z opažanjem začasnega tretjega pasu leta 2013 in boljšim vpogledom v procese, ki delce pospešujejo ali izgubljajo iz pasov.

Zaključek

Van Allenovi sevalni pasovi so ključni del Zemljine magnetosfere in pomemben dejavnik pri načrtovanju vesoljskih misij. Razumevanje njihove strukture, dinamike in učinkov na tehnologijo ter ljudi omogoča učinkovite ukrepe za zaščito satelitov in varno izvajanje vesoljskih dejavnosti.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Van Allenov sevalni pas?

V: Koliko Van Allenovih sevalnih pasov ima Zemlja?

V: Kdo je odkril Van Allenove sevalne pasove?

V: Kako daleč segata dva glavna Zemljina pasova?

V: Kje se nahajajo Van Allenovi sevalni pasovi?

V: Kaj zadržujejo Van Allenovi sevalni pasovi?

V: Zakaj potrebujejo sateliti ustrezno zaščito, če se zadržujejo v Van Allenovem sevalnem pasu?

Išči po črki