Προστατεύοντας τη Γη από τα φονικά ηλεκτρόνια

Από ιστοσελίδα της NASA, 15 Απριλίου 2004 

Φονικά ηλεκτρόνια οι επιστήμονες ονομάζουν τα ηλεκτρόνια που παγιδεύονται στη εξωτερική ζώνη ακτινοβολίας που μπορεί να καταστρέψει "να σκοτώσει" τους δορυφόρους.

Οι δύο ζώνες Van Allen παγιδεύουν την ακτινοβολία πάνω από την ατμόσφαιρα της Γης, αλλά μέσα στη μαγνητόσφαιρα. Πρωτοανακαλύφθηκαν από τον James Van Allen το 1958. Οι ζώνες αυτές χαρτογραφήθηκαν από το αμερικανικό διαστημικό όχημα Explorer I, ένα από τα πρώτα που στάθηκαν στο διάστημα.

Πολλοί δορυφόροι, που έχουν πετάξει μέσα στις ζώνες ακτινοβολίας Van Allen έχουν επιβεβαιώσει την ύπαρξή τους και τις έχουν μετρήσει. Τα φονικά ηλεκτρόνια έχουν κατηγορηθεί για πολλές αποτυχίες διαστημικών σκαφών. Όπως ήταν αναμενόμενο, η κατανόηση τους έχει γίνει μια από τις κορυφαίες προτεραιότητες της NASA.

Επειδή κινούνται με ταχύτητα σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, αυτά τα σωματίδια έχουν μεγάλη ενέργεια, ακόμα και χίλιες φορές περισσότερη ενέργεια από όσο παίρνετε σε μια οδοντική ακτινογραφία Χ. Έτσι καταλαβαίνουμε γιατί μια μεγάλη αύξηση στον αριθμό τους μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ζημιά στα διαστημικά σκάφη.

Τα φονικά ηλεκτρόνια αφού διαπεράσουν εύκολα το παχύ προστατευτικό κάλυμμα των δορυφόρων  βρίσκονται μέσα στα μονωτικά υλικά γύρω από τα ευαίσθητα δορυφορικά ηλεκτρονικά. Ο ηλεκτρισμός τους μπορεί να δημιουργήσει μια εκφόρτιση - μια μικροσκοπική αστραπή - που μπορεί να καταστρέψει έτσι τα ηλεκτρονικά του σκάφους.

Πρέπει λοιπόν να παίρνουμε μέτρα γιατί καταστρέφουν τους δορυφόρους αλλά και εμποδίζουν τις τηλεπικοινωνίες κάθε μορφής.

Ο βαθμός των φαινομένων εξαρτάται από την ισχύ των φονικών ηλεκτρονίων, φυσικά. Καθώς τα τεχνολογικά συστήματα εξαρτώνται ολοένα και περισσότερο από τους δορυφόρους, καταλαβαίνεται τι σημαντικοί είναι για όλους μας.

Πώς φθάνουν εκεί;

Τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια - και ηλεκτρόνια και ιόντα  - έχουν συσσωρευτεί στο μαγνητικό πεδίο του πλανήτη μας, τη μαγνητόσφαιρα. Αυτά τα σωματίδια με διάφορες ενέργειες αποτελούν τις ζώνες ακτινοβολίας. Οι ζώνες αυτές είναι αόρατες σε σχήμα ντόνατς που περιβάλλουν τον ισημερινό πάνω από την ατμόσφαιρα.

Τα ηλεκτρόνια-δολοφόνοι βρίσκονται στο εξωτερικό μέρος των δύο ζωνών (τα ιόντα συλλέγονται συνήθως στην εσωτερική ζώνη και μπορούν επίσης να βλάψουν τα διαστημικά σκάφη).  Η εξωτερική ζώνη είναι πιο ψηλά πάνω από τον ισημερινό, συνήθως σε ένα ύψος 13.000 έως 19.000 km, όπου είναι τοποθετημένα τα περισσότερα δορυφορικά σκάφη. Παραδείγματος χάριν, οι δορυφόροι GPS (Σύστημα Παγκόσμιου Εντοπισμού) βρίσκονται εκεί. Αλλά η έντονη ηλιακή δραστηριότητα μπορεί να τα ωθήσει πολύ πιο κοντά και να εξασθενίσει ακόμη περισσότερους δορυφόρους.

Ο ήλιος μας έχει και ήρεμες και θυελλώδεις εποχές σαν το μεταβαλλόμενο καιρό μας, και επηρεαζόμαστε από πολλές από αυτές τις αλλαγές. Αυτά τα αποτελέσματα στο γήινο περιβάλλον, όπως είναι οι μαγνητικές καταιγίδες, αποτελούν το διαστημικό καιρό.

Το γήινο μαγνητικό πεδίο παγιδεύει τα γρήγορα φορτισμένα σωματίδια μέσα στο μαγνητικό του πεδίο.

Η ηλιακή δραστηριότητα που δημιουργεί αυτές τις θύελλες - Στεφανιαίες Εκρήξεις Μάζας (CME) ή εκλάμψεις που κατευθύνονται προς τη Γη - είναι μια σημαντική πηγή ενέργειας για τα ηλεκτρόνια στην εξωτερική ζώνη.

Αλλά τα νέφη των σωματιδίων από τις στεφανιαίες οπές μπορούν επίσης να αποτελούν μια ακόμα σημαντική πηγή. Οι στεφανιαίες οπές είναι περιοχές από τις οποίες ρεύματα φορτισμένων σωματιδίων μεγάλης ταχύτητας ξεφεύγουν από τον ήλιο μέσω ανοικτών γραμμών του μαγνητικού πεδίου, συνήθως κοντά στον ισημερινό του ήλιου.

Οι στεφανιαίες οπές αυξάνονται γενικά καθώς πλησιάζουμε στο ελάχιστο του 11-ετούς ηλιακού κύκλου, που λέγεται συχνά κύκλος ηλιακών κηλίδων, όταν μειώνεται ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων. Το επόμενο ελάχιστο θα είναι το 2006-2007.

Επειδή το μέγεθος και ο τύπος της ηλιακής δραστηριότητας μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια του χρόνου, ο αριθμός των σωματιδίων στις ζώνες Van Allen αλλάζει συνεχώς κατά τη διάρκεια της ημέρας, ανάλογα με τις εποχές και τον ηλιακό κύκλο.

Παρατηρούμε τους μεγαλύτερους αριθμούς των φονικών ηλεκτρονίων - μερικές φορές να αυξάνονται κατά χίλια - στην αιχμή μιας μαγνητικής καταιγίδας και στις επόμενες ημέρες. Αλλά οι επιστήμονες μπερδεύονται από την απρόβλεπτη απόκριση της εξωτερικής ζώνης στις μαγνητικές θύελλες: ο αριθμός των ηλεκτρονίων μπορεί να αυξηθεί, να μειωθεί, ή και να μην αλλάξει καθόλου.

Μαζί με τον ήλιο, η γήινη ανώτερη ατμόσφαιρα προσφέρει συνεχώς χαμηλής ενέργειας ηλεκτρόνια στην εξωτερική ζώνη. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι τα φονικά ηλεκτρόνια δημιουργούνται αμέσως στη ζώνη, όταν αυτά τα χαμηλής ενέργειας σωματίδια επιταχύνονται σε υψηλές ταχύτητες και επομένως αποκτούν μεγάλη ενέργεια. Δεν ξέρουμε όμως τι προκαλεί αυτή την επιτάχυνση, αλλά η ισχυρή ηλιακή δραστηριότητα μπορεί να ενεργοποιήσει τη μαγνητόσφαιρα αρκετά για να το κάνει.

Τι μπορούμε να κάνουμε για αυτά τα ηλεκτρόνια;

Το 2003 μια από τις ισχυρότερες ηλιακές καταιγίδες που έχουν καταγραφεί, διέκοψε προσωρινά ένα συνδεδεμένο με τον Άρη διαστημικό σκάφος και κατέστρεψε μόνιμα όργανα από δύο άλλα. Μπορεί επίσης να έχει προκαλέσει την πλήρη καταστροφή δύο ιαπωνικών δορυφόρων.

Καθώς τα συστήματα των διαστημικών σκαφών δεν μπορούν να προστατευθούν από αυτά, πρέπει να είναι σε θέση να επιζήσουν από μια επίθεση αυτών των φονικών ηλεκτρονίων. Για να μπορέσουν όμως σχεδιάσουν ανθεκτικούς δορυφόρους, οι μηχανικοί πρέπει να μάθουν περισσότερα για τα αποτελέσματα της ακτινοβολίας από αυτά τα ηλεκτρόνια.

Έτσι, για την καλύτερη κατανόηση του πώς τα φονικά αυτά ηλεκτρόνια επιταχύνονται, επιστήμονες θα συλλέγουν στοιχεία από μια ντουζίνα σημερινά και μελλοντικά διαστημικά σκάφη στη μαγνητόσφαιρα. Επίσης, θα μάθουμε γιατί εμφανίζεται η επιτάχυνση, και πώς τα σωματίδια εξασθενίζουν μακριά μετά από κάθε γεγονός. Υπάρχουν λοιπόν πολλά που πρέπει να μάθουμε.