Радиационните пояси на Ван Алън — какво са и как застрашават спътниците

Радиационните пояси на Ван Алън — какво представляват, как застрашават спътниците и какви протекции са нужни за защита на чувствителна космическа техника.

Радиационният пояс на Ван Алън е зона от заредени частици, които идват от Слънцето като слънчев вятър. Те се улавят и задържат от магнитното поле на Земята.

Земята има два такива пояса, а понякога и други. Поясите са открити от Джеймс Ван Алън. Двата основни земни пояса се простират на височина от около 500 до 58 000 км (310 до 36 040 мили)

Смята се, че повечето от частиците, които образуват поясите, идват от слънчевия вятър, а други частици - от космическите лъчи. Като улавя слънчевия вятър, магнитното поле отклонява тези енергийни частици и предпазва атмосферата от разрушаване.

Поясите се намират във вътрешната област на земната магнитосфера. В тях се задържат енергийни електрони и протони. Поясите застрашават спътниците, чиито чувствителни компоненти трябва да бъдат защитени с подходящи екрани, ако прекарват много време в тази зона. През 2013 г. НАСА съобщи, че сондите "Ван Алън" са открили трети радиационен пояс, който е наблюдаван в продължение на четири седмици. Той е бил унищожен от мощна междупланетна ударна вълна от Слънцето.

Структура и състав

Вътрешен пояс: обикновено простиращ се на няколко стотин до няколко хиляди километра над земната повърхност. Той е богат на високоенергийни (MeV) протони и по-малко електрони. Тези протони могат да проникват дълбоко в материали и са особено опасни за електрониката и човешкото здраве при продължително излагане.

Външен пояс: намира се на по-голяма височина (хиляди до няколко десетки хиляди километра) и е доминиран от енергийни електрони с широк спектър на енергия, вариращ от keV до MeV. Плътността и енергията в този пояс варират значително в зависимост от слънчевата активност и магнитните бури.

Динамика и причинители

Радиационните пояси не са статични: тяхната форма, плътност и енергетично съдържание се променят под въздействието на слънчевата активност и взаимодействията в магнитосферата. При магнитни бури и при пристигане на коронални масови изхвърляния поясите могат:

• да се разширят или свият;
• да се усилят чрез ускорение на частици (например чрез вълно-частична комуникация и радиационна дифузия);
• да се разредят или дори временно да се разрушат, като това беше наблюдавано при откриването на временния трети пояс през 2013 г.

Опасности за спътниците и хората

Радиацията в поясите може да предизвика редица проблеми:

• Електронни повреди: единични сбивания (single-event upsets), повреда на интегрални схеми, деградация на соларни панели и оптични елементи;
• Пасивно натрупване: дългосрочна деградация на материали и електроника от натрупана доза радиация;
• Космическа електростатична зареденост: локално натрупване на заряд, което може да предизвика искри и аномалии;
• Риск за хората: астронавти в орбита или при мисии извън ниска орбита (например в пътуване към Луната) са изправени пред повишен риск при преминаване през пояса, особено при слънчеви изригвания.

Един конкретен проблем за ниските орбити е Южноатлантическата аномалия (SAA) — регион над Южна Америка и Южния Атлантик, където вътрешният пояс се спуска по-близо до земната повърхност, причинявайки по-високи нива на радиация за спътници в LEO.

Как се защитават космическите апарати

За да се намалят рисковете, се прилагат няколко метода:

• Екран (shielding): използване на материали и конструкции, които абсорбират или отклоняват частиците (например алуминий, специални композити);
• Радиционно устойчиви компоненти: избор на електроника с по-висока толерантност към радиация и използване на техники за изготвяне на схемите (radiation hardening);
• Оперативни мерки: планиране на орбити така, че да се избягват най-интензивните зони или да се намали времето в тях, отлагане на критични операции по време на слънчеви бури;
• Мониторинг и прогнозиране: използване на сензори и наземни програми за следене на слънчевата активност и състоянието на магнитосферата за ранно предупреждение;
• Архитектура на системата: резервирани системи, корекция на грешки в паметта, софтуерни механизми за детекция и възстановяване при аномалии.

Наблюдения и изследвания

Откриването на поясите от Джеймс Ван Алън бележи началото на системното изучаване на радиационните пояси. По-късно мисии — включително сондите "Ван Алън" на НАСА (Van Allen Probes) — са предоставили детайлни данни за структурата, динамиката и механиката на ускорение на частиците. Тези наблюдения са ключови за подобряване на прогнозите и мерките за защита на космическите апарати.

Практически съображения за операторите на спътници

Проектирането и експлоатацията на космически апарати изисква вземане предвид на радиационните пояси при:

• избор на орбита (LEO, MEO, GEO и транзитни траектории имат различни изисквания);
• оценка на натрупаната доза през очаквания живот на мисията; и
• включване на процедури за управление при слънчеви бури и предизвестия.

Интересни факти

• Поясите не са уникални за Земята — други планети със силни магнитни полета (напр. Юпитер) също имат радиационни пояси.
• Временен трети пояс, открит през 2013 г., показва колко динамична и чувствителна е системата спрямо събития в Слънцето и в слънчевия вятър.

Разбирането и следенето на радиационните пояси на Ван Алън са критични за безопасността и надеждността на съвременните космически мисии, както и за планирането на бъдещи пилотирани полети извън ниска околоземна орбита.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява радиационният пояс на Ван Алън?

В: Колко радиационни пояса на Ван Алън има на Земята?

Въпрос: Кой е открил радиационните пояси на Ван Алън?

Въпрос: Колко далеч се простират двата основни земни пояса?

В: Къде се намират радиационните пояси на Ван Алън?

В: Какво задържат радиационните пояси на Ван Алън?

В: Защо сателитите се нуждаят от подходяща защита, ако прекарват известно време в радиационния пояс на Ван Алън?

Търсене по буква