Mikä on Van Allenin säteilyvyöhyke? Maan vyöhykkeet selitetty

Tutustu Van Allenin säteilyvyöhykkeisiin: mitä ne ovat, miten Maan magneettikenttä suojaa ilmakehää, vyöiden vaikutus satelliitteihin ja uudet havainnot.

Van Allenin säteilyvyöhyke on varattujen hiukkasten vyöhyke, joka tulee Auringosta aurinkotuulena. Maan magneettikenttä vangitsee ne ja pitää ne paikoillaan. Näitä hiukkasia ovat pääasiassa elektroni ja protonit sekä pienempiä määriä raskaampia ioneja; ne kiertävät maata magneettikentän kenttälinjoja pitkin, kiertyen, pomppien napojen välillä ja hitaasti vaeltaen ympäri Maata.

Maassa on kaksi tällaista vyötä ja joskus muitakin. Vyöt löysi James Van Allen. Maapallon kaksi päävyöhykettä ulottuvat noin 500-58 000 kilometrin (310-36 040 mi) korkeudesta. Näiden vyöhykkeiden tarkat rajat vaihtelevat aurinkoaktiivisuuden ja magneettisen myrskyn mukaan: sisempi vyö voi yleisesti ulottua muutamasta sadasta kilometristä muutamiin tuhansiin kilometreihin ja ulompi vyö kymmeniintuhansiin kilometreihin.

Suurimman osan vöitä muodostavista hiukkasista uskotaan olevan peräisin aurinkotuulesta ja muiden hiukkasten kosmisen säteilyn vaikutuksesta. Auringontuulen vangitsemalla magneettikenttä poikkeuttaa nämä energeettiset hiukkaset ja suojaa ilmakehää tuhoutumiselta. Magnetosfääri toimii ikään kuin suojakilpenä, joka estää suurimman osan korkeaenergisestä hiukkassäteilystä pääsemästä suoraan ilmakehään.

Vyöt ovat Maan magnetosfäärin sisäisellä alueella. Vyöt vangitsevat energeettisiä elektroneja ja protoneja. Vyöt vaarantavat satelliitteja, joiden herkät komponentit on suojattava riittävällä suojauksella, jos ne viettävät paljon aikaa kyseisellä vyöhykkeellä. Vuonna 2013 NASA ilmoitti, että Van Allen -luotaimet olivat löytäneet kolmannen säteilyvyöhykkeen, jota tarkkailtiin neljän viikon ajan. Se tuhoutui Auringosta lähteneen voimakkaan, planeettojen välisen paineaallon vaikutuksesta.

Vyöhykkeiden rakenne ja dynaaminen käyttäytyminen

Perinteisesti Van Allenin vyöhykkeet jaetaan kahteen päävyöhykkeeseen:

• Sisempi vyö: sisältää pääasiassa korkeaintensiteettisia protoneja ja sijoittuu tyypillisesti lähemmäs maata. Se voi aiheuttaa suurta säteilyaltistusta matalalla kiertävissä satelliiteissa tietyillä alueilla, erityisesti Etelä-Atlantin anomalialla (South Atlantic Anomaly), jossa sisempi vyö ulottuu muita lähemmäs maata.
• Ulompi vyö: koostuu pääosin korkeienergiaisista elektroneista ja on usein voimakkaasti muuntuva. Sen etäisyys ja intensiteetti vaihtelevat merkittävästi aurinkotuulen ja geomagneettisten myrskyjen mukaan.

Vyöt eivät ole staattisia; ne voivat tiivistyä, laajeta tai väliaikaisesti muodostaa lisävyöhykkeitä vastauksena Auringon purkauksiin ja magneettikuoren tapahtumiin. Hiukkasten liikkeet — spiraali magneettokentän ympäri, kimpoaminen napojen välillä ja vähittäinen vaellus ympäri maata — määräävät, miten ja missä säteily kertyy.

Miksi vyöt ovat tärkeitä ja miten ne vaikuttavat avaruuslaitteisiin ja ihmisiin

Van Allenin vyöt suojaavat Maata estämällä suuren osan korkeenergistä säteilyä pääsemästä ilmakehään. Samalla ne kuitenkin muodostavat riskin avaruustoiminnalle:

• Säteily voi vaurioittaa elektronisia komponentteja, aiheuttaa virhetiloja muisteissa ja heikentää aurinkopaneeleja.
• Korkeaenergisille hiukkasille altistuneet astronautit tarvitsevat suojautumista, erityisesti pitkillä matkoilla tai silloin, kun alukset kulkevat vyöhykkeiden läpi.
• Matalan kierron satelliitit kohtaavat paikallisesti suuria säteilymuutoksia Etelä-Atlantin anomalian kohdalla.

Riskien hallintaan käytetään mm. seuraavia keinoja:

• Rakenteellinen suojaus: säteilysuojatut rungot ja materiaalit
• Säteilykestävä elektroniikka: kovetetut komponentit ja virheenkorjaustekniikat (esim. ECC-muisti)
• Operatiiviset toimet: ohjaamalla satelliittia välttämään pitkiä oleskeluja kovimmin säteilevillä alueilla tai sammuttamalla herkät laitteet kriittisten vaihteiden ajaksi)

Tutkimus ja mittaukset

Van Allenin vyöhykkeitä on tutkittu lukuisilla avaruusaluksilla ja instrumenteilla. Merkittäviä tehtäviä olivat 1950–60-lukujen Explorer-luotaimet, jotka johtivat Van Allenin vyöhykkeiden löytöön James Van Allenin johdolla. 2012 lähetetyt Van Allen -luotaimet (Radiation Belt Storm Probes, RBSP) mittasivat vyöhykkeiden rakennetta ja dynaamista muutosta yksityiskohtaisesti ja havaitsivat mm. vuonna 2013 tilapäisen kolmannen vyöhykkeen.

Mittaustekniikat sisältävät hiukkaslaskurit, energiaspektrin mittaukset ja magneettikentän havainnot. Näistä tiedoista saadaan käsitys hiukkasten lähteistä, kulkureiteistä ja vuorovaikutuksista magneettokentän ja plasma-alueiden kanssa.

Yhteenveto

Van Allenin säteilyvyöhykkeet ovat Maan magnetosfäärin sisällä olevia, Aurinkoa ja kosmista säteilyä sisältäviä vyöhykkeitä, jotka suojaavat ilmakehää mutta haittaavat avaruuslaitteita ja voivat aiheuttaa terveysriskejä avaruusmatkustajille. Vyöt ovat dynaamisia: niiden voimakkuus ja laajuus vaihtelevat Auringon aktiivisuuden mukaan, ja ne vaativat erityistoimia satelliittien suunnittelussa ja avaruusoperaatioissa.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on Van Allenin säteilyvyöhyke?

Q: Kuinka monta Van Allenin säteilyvyöhykettä Maassa on?

K: Kuka löysi Van Allenin säteilyvyöhykkeet?

K: Kuinka pitkälle Maan kaksi päävyöhykettä ulottuvat?

K: Missä Van Allenin säteilyvyöhykkeet sijaitsevat?

K: Mitä Van Allenin säteilyvyöhykkeet vangitsevat?

K: Miksi satelliitit tarvitsevat riittävän suojan, jos ne viettävät aikaa Van Allenin säteilyvyöhykkeellä?

Hae kirjaimella