پیراسته فر
علمی،تحقیقی و تحلیلیپیراسته فر
علمی،تحقیقی و تحلیلیکمربند ون آلن چیست؟تششعات ومیدان مغناطیسی
«کمربندزمین» به نام کاشفش(جیمز ون آلن)معروف است وبه همین دلیل به آن«کمربندون آلن»می گویند.
درهنگام «طوفان خورشیدی»جریان شدید و یکباره الکترون‌هایی که به محیط پراکنده هستند، از محیط خارجی (منطقه مغناطیسی) وارد کمربند تشعشعی می‌شود و در این فرآیند، الکترونها انرژی بیشتری جذب می‌کنندواین فعل وانفعالات موجب می شودکه «تشعشعات طوفانهای خورشیدی» از «جو»(اتمُسفُر)زمین عبورنکندکه اگراین«کمربند»نبود،امکان زندگی نبود.
مدارهای زمین:مدارثابت(GEO)،مدار متوسط (MEO)و مدار پایین (LEO)زمین.
کمربند وان آلن(کمربند تشعشعی وان آلن)میدان معناطیسی زمین
الکترون ها می توانند برای شرایط بسیار خاص در مگنتوسفر، زمانی که فضا خالی از پلاسما باشد، به انرژی های فوق نسبیتی برسند.
اندازه‌گیری‌های اخیر فضاپیمای ون آلن کاوشگر ناسا نشان داد که الکترونها می‌توانند به انرژی‌های فوق نسبیتی که تقریباً با سرعت نور پرواز می‌کنند، برسند.
هیلی آلیسون، یوری شپریتز و همکارانش از مرکز تحقیقات علوم زمین آلمان نشان داده اند که تحت چه شرایطی چنین شتاب های قوی رخ می دهد.
آنها قبلاً در سال ۲۰۲۰ نشان داده بودند که در «طوفان خورشیدی»(solar storm) امواج پلاسما نقش مهمی در این امر ایفا می کنند.
تاقبل ازاین مشخص نبود که چرا چنین انرژی الکترونی بالایی در همه «طوفان های خورشیدی» به دست نمی آید. در مجله Science Advances، آلیسون، شپریتز و همکارانش نشان دادند که کاهش شدید چگالی پلاسمای پس زمینه بسیار مهم است.
نمودار شرح که« میدان مغناطیسی »را که سیاره زمین را احاطه کرده و به آن نفوذ می کند نشان می دهد. خطوط میدان مغناطیسی از قطب مغناطیسی جنوب بیرون می آیند، در بالای سر خم می شوند و در قطب مغناطیسی شمال همگرا می شوند که ۱۱ درجه از قطب شمال جغرافیایی فاصله دارد. میدانی که شباهت زیادی به میدان آهنربای میله ای دارد
حلقه تشعشعی «کمربند وان آلن»(radiation ring Van Allen belt)
در انرژی های فوق نسبیتی، الکترون ها تقریباً با سرعت نور حرکت می کنند. سپس قوانین نسبیت بسیار مهم می شوند. جرم ذرات ده برابر افزایش می یابد، زمان کاهش می یابد و فاصله کاهش می یابد.
با چنین انرژی‌های بالایی، ذرات باردار حتی برای ماهواره‌هایی که به بهترین شکل محافظت می‌شوند نیز خطرناک‌تر می‌شوند. از آنجایی که تقریبا هیچ محافظی نمی تواند آنها را متوقف کند، شارژ آنها می تواند الکترونیک حساس را از بین ببرد. پیش‌بینی وقوع آنها - برای مثال، به عنوان بخشی از مشاهدات آب و هوای فضایی که در GFZ انجام می‌شود - بنابراین برای زیرساخت‌های مدرن بسیار مهم است.
برای بررسی شرایط شتاب‌های عظیم الکترونها، آلیسون و شپریتز از داده‌های یک مأموریت دوقلوی، "کاوشگر ون آلن" که آژانس فضایی ایالات متحده ناسا در ۳۰ آگوست ۲۰۱۲ (۰۹ شهریور ۱۳۹۱) پرتاب کرده بود، استفاده کردند. هدف این بود که اندازه‌گیری‌های دقیق در تابش انجام شود. کمربند، به اصطلاح کمربند ون آلن، که زمین را به شکل(شیرینی-دوناتی) در فضای زمین احاطه کرده است.
در اینجا - مانند بقیه فضا - مخلوطی از ذرات باردار مثبت و منفی به اصطلاح پلاسما را تشکیل می دهد. امواج پلاسما را می توان به عنوان نوسانات میدان الکتریکی و مغناطیسی، برانگیخته شده توسط طوفان های خورشیدی درک کرد. آنها یک نیروی محرکه مهم برای شتاب الکترون ها هستند.
حلقه‌ای از تشعشعات که قبلاً دیده نشده بود در سپتامبر ۲۰۱۲ ( شهریور ۱۳۹۱) در کمربند ون آلن زمین شکل گرفت و یک ماه بعد ناپدید شد.
این یافته تیمی از محققان در ایالات متحده است که اولین داده های موجود از فضاپیمای دوقلوی ماموریت کاوشگر ون آلن ناسا را تجزیه و تحلیل کردند. حلقه غیرعادی - که از الکترون‌های پرانرژی تشکیل شده است - تا حد زیادی بدون تغییر باقی ماند تا اینکه توسط یک موج شوک بین سیاره‌ای قدرتمند از بین رفت و عملاً از بین رفت. یافته های جدید نشان می دهد که چگونه ما به درک بهتری از مکانیسم های زیربنایی کمربندهای ون آلن نیاز داریم.
«کمربند تشعشعی ون آلن» که ۶۵ سال پیش(۱۹۵۸میلادی) توسط فیزیکدان آمریکایی کشف شد، دو حلقه متحدالمرکز "دونات شکل" هستند که سیاره ما را احاطه کرده اند. آنها توسط میدان مغناطیسی زمین در جای خود نگه داشته شده و با ذرات پر انرژی پر شده اند. حلقه بیرونی عمدتاً از الکترون‌های MeV تشکیل شده است که بسته به باد خورشیدی، شدت آنها در مقیاس زمانی از ساعت‌ها تا روزها متفاوت است. حلقه داخلی از ترکیبی از الکترون های پرانرژی و پروتون های بسیار پرانرژی تشکیل شده است.
این کمربندها در داخل مغناطیس کره زمین قرار دارند و از ارتفاع حدود ۱۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین گسترش می یابند. آنها به مرور زمان متورم و منقبض می شوند زیرا توسط باد خورشیدی و پرتوهای کیهانی هدایت می شوند. مقادیر بالای تشعشعات درون کمربندها آنها را به تهدیدی برای ماهواره‌های موجود در مدار زمین ثابت تبدیل می‌کند، که اگر مدار آنها در داخل کمربند قرار گیرد، باید محافظ کافی داشته باشند.
«مدارهای زمین »کدامند؟
اساساً سه نوع مدار زمین محور وجود دارد که هر کدام قابلیت ها و مزایای خاصی را ارائه می دهند: GEO (مدار زمین ثابت)، MEO (مدار متوسط زمین) و LEO (مدار پایین زمین).
مدار زمین ثابت (GEO)
مدار زمین متوسط (MEO)
یک ماهوارهدرمدار MEO در ارتفاع بیش از ۵۰۰۰ کیلومتر در مدار قرار می گیرد و معمولاً برای برنامه های کاربردی از جمله سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) استفاده می شود.
مدار پایین زمین (LEO)
ماهواره های LEO نسبتاً نزدیک به سطح زمین دور می افتند و معمولاً تا ارتفاع ۲۰۰۰ کیلومتری دارند. تأخیر کمتری نسبت به معادل های فوق دارند و برای خدمات ارتباطی و اینترنتی ایده آل هستند.
توضیح مدیریت سایت-پیراسته فر:«کمربندوان آلن»چیست؟
امواج الکترومغناطیسی طوفان های خورشیدی ،جریان شدید و یکباره الکترون‌های که حاوی تشعشعات مضر است ،جذب کمربندزمین می شوند،این کمربند بنام کاشفش«کمربند ون آلن»معروف شده است.
سه ناحیه امن برای قرار گرفتن ماهواره‌ها :
۱- بین زمین و کمربند تحتانی وان آلن مدار پایین (LEO).
۲- بین کمربند تحتانی و فوقانی مدار متوسط (MEO).
۳- بین کمربند فوقانی تا فاصله ۳۵ هزار کیلومتری زمین، زمین ثابت (GEO).
Geostationary Orbit (GEO)مدار زمین ثابت
تششعات--میدان-مغناطیسی--زمین.PNG)
این دار در ارتفاع بیش از ۳۵۰۰۰ کیلومتری از زمین می چرخد، با چرخش زمین در حین حرکت مطابقت دارد و برای ماموریت های ثابت مانند نظارت بر آب و هوا یا پخش تلویزیونی کار می کند.
Medium-Earth Orbit (MEO)مدار زمین متوسط
مدار متوسط زمین (MEO) (منطقه بین GEO و LEO)
Low-Earth Orbit (LEO)مدار پایین زمین
اگر فضانورد یا فضاپیما در جای درستی نباشند، این شوک‌های بین‌سیاره‌ای در آن، آنها را از بین خواهد برد. در زمان توفان مهیب خورشیدی.
مگنتوسفر...ذرات-باد-خورشیدی.PNG)
«مگنتوسفر» زمین و «لایه پلاسما»کمربند ون آلن
«مگنتوسفر» ناحیه ای از فضا، در اطراف سیاره است که توسط میدان مغناطیسی سیاره کنترل می شود.
شکل مگنتوسفر زمین نتیجه مستقیم انفجار توسط «باد خورشیدی» است.
باد خورشیدی سمت رو به خورشید خود را به فاصله ۶ تا ۱۰ برابر شعاع زمین فشرده می کند. یک موج ضربه ای مافوق صوت در ناحیه خورشید از زمین به نام شوک کمانی ایجاد می شود. بیشتر ذرات باد خورشیدی در اثر ضربه کمانی و انحراف در اطراف زمین در غلاف مغناطیسی گرم شده و کند می شوند. باد خورشیدی مگنتوسفر سمت شب را تا احتمالاً ۱۰۰۰ برابر شعاع زمین می کشاند.
این امتداد مگنتوسفر به عنوان «دم مغناطیسی» شناخته می شود. مرز بیرونی میدان «ژئومغناطیسی» محدود زمین مغناطیسی نامیده می شود.
«مگنتوسفر» زمین یک ساختار بسیار پویا است که به طور چشمگیری به تغییرات خورشیدی پاسخ می دهد.
همچنین در داخل «مگنتوسفر» مناطقی از ذرات باردار به دام افتاده هستند.
«کمربندهای تشعشعی ون آلن» داخلی و خارجی، «پلاسماکره»(میدان پلاسما) و «پلاسما شیت»(لایه پلاسما).
.PNG)
حلقه غیر منتظره
با این حال، وقتی دن بیکر از دانشگاه کلرادو و همکارانش اولین داده‌های این ماموریت را تجزیه و تحلیل کردند، "حلقه ذخیره‌سازی الکتریکی" جدید کاملاً غیرمنتظره و غافلگیرکننده‌ای را یافتند که بین دو حلقه شناخته شده قرار گرفته بود که پس از 2 سپتامبر سال گذشته ظاهر شد.
بر اساس مقاله ای که در مجله Science منتشر شده است، "حلقه متمایز الکترون های بسیار نسبیتی باقی ماند و تنها به تدریج تغییر کرد" تا زمانی که به طور ناگهانی در اول اکتبر ناپدید شد. در حالی که حلقه داخلی کمربند ون آلن و حلقه جدید تغییر بسیار کمی را در طول چهار هفته نشان دادند، به نظر می‌رسید که قسمت دورتر کمربند بیرونی ون آلن به طور قابل توجهی در همان دوره تغییر کرده است. بر اساس حسگرهای روی کاوشگر، در پایان، در مرگ حلقه جدید، تقریباً کل جمعیت الکترون های منطقه بیرونی کاهش یافت.
بیکر توضیح می دهد که محققان هیچ ایده ای ندارند که آیا تشکیل این حلقه سوم چرخه ای است یا به ندرت اتفاق می افتد. این یکی از چیزهایی است که ما واقعاً می خواهیم با کاوشگر ون آلن در دوره های زمانی طولانی به دقت مطالعه کنیم. ما در ماه‌های اخیر شاهد تکرار نبوده‌ایم.» موج ضربه‌ای بین سیاره‌ای، که گمان می‌رود حلقه جدید را از بین برده است، اختلالی است که پیش از یک رویداد «پرتاب جرم تاجی» از سطح خورشید، که بر مغناطیس کره زمین تأثیر گذاشت، حرکت می‌کند. بیکر توضیح می دهد: "این افزایش ناگهانی در سرعت باد خورشیدی، چگالی و قدرت میدان مغناطیسی ایجاد کرد." ما مجذوب خواهیم شد تا ببینیم آیا این نوع رویداد دوباره رخ می دهد یا خیر. ما آن را در پنج ماه گذشته ندیده‌ایم.»
به گفته محققان، مطالعات قبلی نشان داده‌اند که جمعیت‌های الکترونی منطقه بیرونی نسبت به آب و هوای فضا بسیار حساس‌تر هستند و واکنش مستقیمی به تغییرات باد خورشیدی، میدان مغناطیسی بین سیاره‌ای و فعالیت‌های ژئومغناطیسی نشان می‌دهند. در واقع، آنها ادعا می‌کنند که شکل‌گیری «حلقه ذخیره‌سازی» جدید خود می‌تواند منشأ آن از دست دادن دیگری از الکترون‌های کمربند بیرونی باشد که در 3 سپتامبر رخ داد که ناشی از یک موج شوک قبلی بود که به‌عنوان افزایش شدید سرعت باد خورشیدی و تغییر ناگهانی در میدان مغناطیسی بین سیاره ای
الکترون‌های پرانرژی درون کمربندهای تشعشعی زمین به سرعت‌های نزدیک به نور از فرآیندهایی که در خود کمربندها رخ می‌دهند، شتاب می‌گیرند
بخش داخلی مغناطیس کره زمین را نشان می دهد. لبه بیرونی "حباب" VLF ترسیم شده است که امواج شدید را در داخل این مرز نشان می دهد.
تجزیه و تحلیل داده ها با یادگیری ماشینی
مطالعات نشان می‌دهد که اگر شرایط محیط پلاسما - امواج پلاسما و چگالی پلاسما به طور موقت کم - مناسب باشد، می‌توان الکترون‌های موجود در کمربند تابشی زمین را به سرعت به انرژی‌های فوق نسبیتی شتاب داد. ذرات را می توان به عنوان موج سواری بر روی امواج پلاسما در نظر گرفت. در مناطقی با چگالی بسیار پایین پلاسما، آنها فقط می توانند انرژی زیادی از امواج پلاسما بگیرند. یوری اشپریتز، رئیس بخش فیزیک فضا و آب و هوای فضا و پروفسور دانشگاه پوتسدام می‌گوید مکانیسم‌های مشابهی ممکن است در مغناطیس‌کره‌های سیارات بیرونی مانند مشتری یا زحل و سایر اجرام اخترفیزیکی کار کنند.
بنابراین، برای رسیدن به چنین انرژی‌های شدید، تا زمانی که فرض می‌شود، به یک فرآیند شتاب دو مرحله‌ای نیاز نیست - ابتدا از ناحیه بیرونی مگنتوسفر به کمربند و سپس داخل. هیلی آلیسون، پست داک در بخش فیزیک فضایی و آب و هوای فضا، می‌افزاید: این همچنین از نتایج تحقیقات ما در سال گذشته پشتیبانی می‌کند.
تجسم کمربندهای تشعشعی زمین، بر اساس داده هایی که توسط کاوشگرهای دوقلوی ون آلن ناسا جمع آوری شده است. زمین توسط پلاسماپوز (منطقه سبز-آبی) و دو کمربند تشعشعی اصلی دورتر (منطقه چند رنگ) احاطه شده است. مرز بین پلاسماپوز و لبه داخلی کمربند بیرونی مرزی را تشکیل می دهد که از رسیدن الکترون های پرانرژی داخل کمربند بیرونی به سطح زمین جلوگیری می کند.
تحقیقات-فضایی...اندازهگیری-تشعشعات-در-اطراف-زمین1958.PNG)
از مهم‌ترین دستاوردهای سال بین‌المللی ژئوفیزیک (۱۹۵۷ و ۱۹۵۸) ،سال (۱۳۳۶ شمسی) برنامهٔ ماهوارهٔ اکتشافی (explorer) آمریکا بود. در ارتباط با تفسیر داده‌های این ماهواره، جیمز ون آلن کمربند وان آلن یا کمربند تشعشعی وان آلن (Van AllenRadiationBelt)، را در اطراف کره زمین کشف کرد. تابش مورد بحث از تراکم غلیظ الکترونها و پروتون‌های با انرژی زیاد ناشی می‌شود که در دو منطقهٔ هلالی شکل در فاصله‌های ۳۲۰۰ و ۱۶۰۰۰ کیلومتری سطح زمین واقع شده‌اند که توسط میدان مغناطیسی زمین، کره زمین را احاطه کرده‌است.
کمربند وان آلن
خطوط رنگی، شدت تسمه های تشعشع را نشان می دهد. خطوط خاکستری مسیر الکترون های نسبیتی را در کمربندهای تابشی نشان می دهند. خطوط دایره ای متحدالمرکز مسیر ماهواره های که از این منطقه خطرناک در فضا عبور می کنند.
مقطعی از تسمه های تشعشعی ون آلن
این کمربند ذرات کیهانی مضری را که به سوی زمین می‌تابند، جذب می‌کند. پرتوهای جذب شده توسط این حلقه بعضاً برای موجودات زنده مرگبار است و به عبارت دیگر درصورت عدم وجود این دو کمربند هرگز در زمین حیات پدیدار نمی‌شد. هر ماهواره‌ای که در کمربند وان آلن قرار گیرد توسط ذرات باردار از بین می‌رود؛ بنابراین سه ناحیه امن برای قرار گرفتن ماهواره‌ها ایجاد می‌شود:
مدارهای زمین: مدار نزدیک زمین (فیروزه‌ای) و مدار میانی زمین (زرد). خط‌چین سیاه‌رنگ مدار زمین‌آهنگ و خط‌چین سبز مدار ۲۰۲۳۰ کیلومتری است که برای ماهواره‌های سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) به‌کار می‌رود.
سه ناحیه امن برای قرار گرفتن ماهواره‌ها :
۲-مدار متوسط زمین(MEO) بین کمربند تحتانی و فوقانی .
۳-مدار ثابت زمین (GEO) بین کمربند فوقانی تا فاصله ۳۵ هزار کیلومتری زمین.
تشخیص نحوه کار کردن این کمربندها امری بسیار ضروری و حیاتی است. به همین دلیل است که ناسا در ماه اوت ۲۰۱۲ دو کاوشگر «وان آلن» را به مدار زمین فرستاد تا اطلاعات کافی در مورد این کمربندها به دست آورد.
اگر فضانورد یا فضاپیما در جای مناسبی قرارنگیرد، این شوک‌های بین‌سیاره‌ای در زمان وقوع توفان مهیب خورشیدی، آنها را متلاشی می کند.
زمانی که موج شوک به قسمت بیرونی کمربند تشعشعی ضربه میزند، کاوشگر «وان آلن» به یکباره پالس شدیدی از الکترون‌هایی را ثبت کرد که با سرعت‌های شدید در حال حرکت بودند؛ تا حدی که سرعت آنها به سرعت نور بسیار نزدیک شده بود.
این پالس الکترونها،اگرچه عمر بسیار کوتاهی داشت و انرژی آنها در عرض چند دقیقه به صفر رسید. اما این الکترونها در پشت یک محیط دینامیکی در کنار کمربندهای وان آلن قرار گرفتند؛ در حالی که امواج الکترومغناطیسی آنها چند روز دوام داشت.
پنج روز بعد،وقتی اثرات توفان خورشیدی از بین رفت، کاوشگرها افزایش تعداد الکترون‌های جریان‌داری را حتی در سطوح بالاتر ثبت کردند. این افزایش عظیم الکترونها زمانی که توفان خورشیدی در راه است، با سرعت بسیار شدیدی حرکت می‌کنند و جریانات و تشعشعات مضر آن را به راحتی از کار می اندازند و خنثی می‌کنند.
درهنگام طوفانهای مهیب خورشیدی ،جریان شدید و یکباره الکترون‌هایی که به محیط پرکنده هستند، از محیط خارجی (مغناطیس کره زمین)-منطقه مغناطیسی پیرامون یک جرم فضایی- وارد کمربند تشعشعی می‌شود و در این فرآیند، الکترونها انرژی بیشتری جذب می‌کنندواین فعل وانفعالات موجب می شودکه تشعشعات توفان‌های خورشیدی وارد جو زمین نشوند.
توضیح مدیریت سایت-پیراسته فر:«جیمز وان آلن»(James Van Allen)کیست؟
«جیمز ون آلن» فیزیکدان آمریکایی، معروف به دلیل کشف کمربند تشعشعی ون آلن. جیمز ون آلن در ۷ سپتامبر ۱۹۱۴میلادی در آیووا به دنیا آمد و در سال ۱۹۳۹ مدرک دکترای خود را در فیزیک هسته ای گرفت.
در طول جنگ جهانی دوم، ون آلن در آزمایشگاه فیزیک کاربردی دانشگاه جان هاپکینز کار می کرد. پس از جنگ جهانی دوم، ون آلن پیشگام استفاده از موشک های ارتفاع بالا برای مطالعه پرتوهای کیهانی بود. بعداً او مسئول طراحی و ساخت ابزار دقیق علمی در اولین ماهواره آمریکا به نام «اکسپلورر 1» بود دردر سال ۱۹۵۸ پرتاب شد که «کمربندهای تشعشعی ون آلن» را شناسایی می کرد.
«وان آلن» همچنین یکی از همکاران پروژه سفینه گالیله بود که در ۷ دسامبر ۱۹۹۵ به سیاره مشتری فرستاده شد.
«وان آلن» در سال ۱۹۸۵ بازنشسته شد و در ۹ اوت ۲۰۰۶(۱۸ مرداد ۱۳۸۵) درگذشت.
اولین اندازه گیری پرتوهای کیهانی در ارتفاعات بالای جو زمین و همچنین اندازه گیری های دیگر «لایه اُزن اتمسفر»، «نور فرابنفش خورشیدی» و« میدان ژئومغناطیسی» توسط جیمز آ. وان آلن انجام شد.