Van Alleni kiirgusvöönd

Van Alleni (kiirgus)vöönd (vahel ka lihtsalt kiirgusvöönd) on suure laetud osakeste tihedusega ala kosmilises ruumis Maa ümber. Vöönd asub Maast umbes 200 – 70 000 km kaugusel (vahemik varieerub eri hinnangutes). See ala on omakorda jaotatud kaheks tsooniks: sisemine ja välimine vöö(nd), mis on mõlemad umbkaudu poolkuukujulise läbilõikega ja ümbritsevad ringikujuliselt meie planeeti. Vööndite vahel selgelt eristatavat piiri ei ole, vahepeal toimub lihtsalt kiirguse nõrgenemine, seega iseloomustatakse sisemist ja välimist vööndit kiirgustiheduse maksimumide kõrguste kaudu.

Van Alleni vöönd: sisemine ja välimine vöö

Van Alleni vööndite ruumiline kujutus. Punktiiriga märgitud magnetosfääri jõujooned

Kiirgusvöönd koosneb kosmosest pärit kõrge energiaga laetud osakestest (plasmast), peamiselt prootonitest ja elektronidest, mida hoiavad paigal Maa magnetvälja jõujooned. Prootonite energia varieerub vahemikus 0,01–400 MeV ja fluuens (fikseeritud ristlõikepindalaga elementaarkeha läbivate osakeste arv) vastavalt 10⁸–600 osakest/cm²/s. Elektronide energia on vahemikus 0,4–4,5 MeV ning fluuens vastavalt 4x10⁸–100 osakest/cm²/s.

Vööndid on nimetatud nende avastaja USA füüsiku James Van Alleni järgi, ehkki tegelikult teati nende olemasolu võimalikkusest juba varem.

Kiirgusvööndid kujutavad endast suurt ja pidevat ohtu Maa ümber tiirlevatele satelliitidele, mille elektroonikakomponente võib kõrgenenud kiirgustase rikkuda, aga ka kosmoses viibivatele astronautidele, sest kiirgus kahjustab ka bioloogilist kude.

Vööndite avastamine

James A. van Allen

Magnetvälja poolt kinni püütud ning sellesse tiirlema jäävate laetud osakeste fenomeni uurisid 1895. aastast alates esmalt norra teadlane Kristian O. Birkeland, tema õpetaja, prantsuse matemaatik Henri Poincaré ning Birkelandi sõber, matemaatik Carl Störmer. Birkeland avastas, et vaakumisse asetatud magnet "püüab" tema poole suunatud elektronid "kinni" ning viimased jäävad ümber magnetvälja jõujoonte magneti pooluste vahele tiirlema. Jõujoonte otsteni elektronid päriselt välja ei jõua, sest enne suunab väli nende spiraalikujulise tiirlemise ümber (Magnetic Mirror effect) ning osakesed hakkavad uuesti teise magneti pooluse poole liikuma. Störmer kirjeldas täpsemalt laetud osakeste liikumist dipolaarses magnetväljas ning tegi tulemuste põhjal üldistusi geomagnetilise välja võimalikest mõjudest sellistele osakestele.

Hiljem tegeles osakeste magnetväljas liikumise uurimisega kreeka insener Nicholas Christofilos. Tema pakkus 1957. aastal välja idee tekitada aatomipommi abil atmosfääri kunstlik radiatsioonivöönd. Ainult aasta hiljem, 1958, lendasid USA Explorer-programmi satelliidid läbi loodusliku radiatsioonivööndi, tehes selles Geigeri loenduriga kiirgusmõõtmisi ning tõestades sellega esmakordselt vöö olemasolu. Vööd nimetati toona satelliidiprogrammi juhtinud teadlase J. A. van Alleni järgi.

Sisemine vöö

Sisemise vööndi maksimaalse kiirgustihedusega ala asub umbes 3000 km kõrgusel maapinnast ning koosneb peamiselt prootonitest. Nende energia on enamasti suurusjärgus 10–100 MeV. Kiirgustiheduse tipphetkel võib prootonite fluuens olla kuni umbes 20 000 osakest/cm²/s. Prootonid arvatakse pärinevat kosmilisest kiirgusest, mille kokkupõrkest atmosfääriosakestega tekkivast sekundaarsest kiirgusest osa (prootonid ja elektronid, mis on tekkinud kas neutroni või kosmilise kiirguse ioonide endi lagunemise tulemusena) püütakse magnetvälja poolt kiirgusvöönditesse.

Ehkki Maale saabuva kosmilise kiirguse osakeste hulk ja seega ka kogu saadav energia on väga väike (võrdluseks võiks tuua näiteks tähtedelt saabuva valguse energia), on protsessi väga pika toimumisaja tõttu sisemisse van Alleni vöösse kogunenud siiski arvestatav hulk laetud osakesi, mis saavad vööndist lahkuda vaid mingite väliste jõudude toimel – enamasti üksikute õhuosakestega kokkupõrkel, mis paiskavad jõujoone ümber seotud olnud osakese minema.

Välimine vöö

Välimise vööndi maksimaalne kiirgustihedus asub 15 000–20 000 km kõrgusel maapinnast. Selle osakesed pärinevad nii päikesetuulest, kosmilise kiirguse vastasmõjust atmosfääriosakestega kui ka atmosfäärist endast ning seetõttu on välimise van Alleni vöö koostis suhteliselt varieeruv, sisaldades peamiselt heeliumi tuumasid, madalama energiga ning suurema fluuensiga (võrreldes sisemise vööndiga) prootoneid ning kõrge energiaga (kuni mitusada MeV) elektrone. Teatud geomagnetiliste või Päikese aktiivsusest tingitud häiringute mõjul võib alumisest atmosfäärist osakesi, peamiselt O⁺ ja N⁺ ioone, sattuda van Alleni vöödesse.

Erinevalt suhteliselt stabiilsest sisemisest kiirgusvööndist on välimine palju varieeruvam, olles mõjutatud sellistest magnetosfääri nähtustest nagu näiteks magnettormid ja alamtormid, mis aeg-ajalt paigutavad magnetosfääris laetud osakesi ümber ja segavad välist vööndit.

Laetud osakesed liiguvad enamasti mööda magnetvälja jõujooni, suutes vaid harva kõrvalolevatele jõujoontele üle liikuda. Prootonid (ja teised suuremad laengukandjad) liiguvad seetõttu aeglaselt ümber maakera päripäeva (põhjapooluse poolt vaadatuna), elektronid vastupäeva, ning moodustavad koos ühe magnetosfääri osakeste voo (current) – nn ringvoo (ring current).

Kunstlikud radiatsioonivööd

Looduslikele radiatsioonivöönditele lisaks on inimkond tekitanud Maa ümber orbiidile ka mõned kunstlikud kiirgusvööndid. Võrreldes looduslike vöönditega on kunstlikult loodud piirkonnad väga õhukesed ja nõrga kiirgusega, kuid sellegipoolest võivad nad mõjutada satelliite ning andsid minevikus olulist informatsiooni magnetosfääri poolt laetud osakestele avaldatava mõju kohta.

1957. aastal pakkus N. Christofilos USA õhujõududele välja suurejoonelise projekti lõhata atmosfääris väikeseid aatomipomme, lootes saada kinnitust oma teooriale, et laetud osakesed (peamiselt plahvatuses tekkivad elektronid) jääksid magnetvälja mõjul atmosfääri samale kõrgusele püsiva vööndina. Projekt Argus sai hoogu juurde järgnenud aastal (1958), kui esmakordselt tõendati looduslike kiirgusvööndite olemasolu. Juba samal aastal viidi läbi kolm pommikatsetust atmosfääris 300 km kõrgusel (iga pommi tugevus 1 kt). 1962. aastal katsetati tugevamat, 1,4 Mt pommi 400 km kõrgusel (projekti koodnimi Starfish) ning samast aastast on ka tähelepanekud kolmest uuest vööndist, mille tekitasid arvatavasti Nõukogude Liidu tuumapommikatsetused.

Starfishi pommi lõhkamine tekitas kunstliku radiatsioonivööndi 1000 km kõrgusele, ning selle kahjulikku mõju said tunda mitmed satelliidid, mis selles piirkonnas parasjagu viibisid ning katse tulemusi registreerisid. Plahvatusele järgnenud nädalate jooksul lõpetasid töö mitmed satelliidid, kuna nende energiasüsteemid olid saanud olulisi kahjustusi. Kunstlikult loodud vööndid sisaldasid enim elektrone ning väikeses koguses ka prootoneid. Pärast tuumapommiplahvatusi järel täheldati maakera atmosfääris selliseid nähtusi nagu virmalised ja kosmiline raadiomüra, muutusi ionosfääri koostises jne, mis aitas teha järeldusi nende nähtuste tekkemehhanismide kohta. Samuti sai tolle aja kohta hindamatut infot radiatsioonivööndi tekke ja püsivuse kohta. Tänapäevaks on selliste kunstlike radiatsioonivööndite kiirgustihedus vähenenud vähemalt 10 korda.

Kiirgusvööndid teistel planeetidel

Niinimetatud van Alleni vööde all mõeldakse vaid Maa magnetosfääris paiknevaid kiirgusvööndeid. Siiski leidub sarnaseid nähtusi ka teistel meie Päikesesüsteemi taevakehadel. Neljal suurimal planeedil – Jupiteril, Saturnil, Uraanil ja Neptuunil – on olemas nii magnetosfäär kui ka radiatsioonivöönd (Jupiteri radiatsioonivööndis eristatakse lausa kolme kihti).