Βρέθηκε ο κυρίαρχος μηχανισμός της υψηλής ταχύτητας των φονικών ηλεκτρονίων στη ζώνη Van Allen της Γης

Πηγή: PhysOrg, 16 Οκτωβρίου 2007

Τα ηλεκτρόνια που παγιδεύονται στην εξωτερική ζώνη ακτινοβολίας Van Allen, μια περιοχή σε σχήμα ντόνατς από υψηλής ενέργειας σωματίδια που περιβάλλει τη Γη και που διατηρείται στη θέση της από το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη μας, μπορούν να έχουν ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Αλλά ο αριθμός αυτών των ηλεκτρονίων "δολοφόνων " μεταβάλλεται πολύ: λίγα τη μια ημέρα, πολύ περισσότερα την επόμενη. Η αιτία βέβαια είχε μπερδέψει τους επιστήμονες - αλλά μέχρι τώρα. 

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.

Το γιατί μερικά ηλεκτρόνια αποκτούν μεγάλες ταχύτητες έχει συζητηθεί περισσότερο από μια δεκαετία, ενώ δύο θεωρίες θεωρούνται οι πιο βιώσιμες. Τώρα, οι φυσικοί από το Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos (LANL) έχουν ελέγξει τη μία από αυτές τις θεωρίες χρησιμοποιώντας τα στοιχεία που συλλέγονται από διάφορους δορυφόρους. Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερα μοντέλα του διαστημικού καιρού, που μπορούν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να προβλέψουν πότε είναι άφθονα τα ηλεκτρόνια πολύ υψηλής ενέργειας και, επομένως, τα πιο επικίνδυνα.

"Αυτά τα ηλεκτρόνια "δολοφόνοι" μπορούν να βλάψουν τους αστροναύτες και ακόμη και τους επιβάτες στις κανονικές πτήσεις των αερογραμμών που περνούν από τις γήινες πολικές περιοχές", λέει ο επικεφαλής της έρευνας φυσικός Yue Chen. "Επομένως, οι άνθρωποι πρέπει να ξέρουν την πηγή αυτών των ηλεκτρονίων ώστε να μπορούν να προβλέψουν πότε θα είναι τα πιο πολυάριθμα. Η εργασία μας δείχνει τελικά αυτό τον δρόμο."

Η εργασία της ομάδας μπορεί επίσης τελικά να βοηθήσει ώστε να βελτιώσει το σχέδιο και η λειτουργία των δορυφόρων, οι οποίοι είναι πολύ ευαίσθητοι στα αποτελέσματα της ακτινοβολίας και πολύ ακριβοί για να επισκευαστούν ή να αντικατασταθούν. Τα ηλεκτρόνια δολοφόνοι μπορούν να διαπεράσουν τις δορυφορικές ασπίδες της ακτινοβολίας και να προκαλέσουν δυσλειτουργίες στα ηλεκτρονικά στους πίνακες.

Η ομάδα LANL δείχνει ότι η επιτάχυνση των ηλεκτρονίων οφείλεται κυρίως σε ένα φαινόμενο "γυρο-συντονιστικού κύματος" (η περιστροφή ηλεκτρονίων στην ίδια συχνότητα με τα Η/Μ κύματα), το τελικό αποτέλεσμα μιας σύνθετης επίδρασης ντόμινο που αρχίζει όταν εγχέονται σποραδικά σωματίδια από τον ηλιακό άνεμο και της ιονόσφαιρας της Γης (το στρώμα της ατμόσφαιρας που είναι περίπου 50-400 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια και περιέχει μόρια που ιονίζονται από την ηλιακή ακτινοβολία) στη ζώνη ακτινοβολίας. Αυτή η είσοδος - εισροή σωματιδίων, με μια ασταθή κατανομή σωματιδίων, διεγείρει την παραγωγή πολλών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η σχετική κίνηση των κυμάτων και των σωματιδίων κατά μήκος των γραμμών των μαγνητικών πεδίων της ζώνης ακτινοβολίας, προκαλεί μια μετατόπιση Doppler στη συχνότητα των κυμάτων. Ακολούθως, εμφανίζεται μια αλληλεπίδραση συντονισμού μεταξύ των κυμάτων με μετατόπιση Doppler και των ηλεκτρονίων στη ζώνη, τα οποία ηλεκτρόνια περιστρέφονται (κινούμενα σε έναν κύκλο γύρω από τις γραμμές του πεδίου) στην ίδια συχνότητα με τα κύματα - ένα φαινόμενο γνωστό ως γυρο-συντονισμός.

Τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια που εγχέονται στη ζώνη ακολουθούν τις τροχιές που είναι σχεδόν παράλληλες με τις γραμμές των μαγνητικών πεδίων, και χάνουν σύντομα ενέργεια. Αλλά για τα ηλεκτρόνια που εισέρχονται αρχικά υπό γωνία στις γραμμές των πεδίων, το φαινόμενο του γυρο-συντονισμού έχει την αντίθετη επίδραση: μια σοβαρή ενεργειακή ώθηση.

Η προηγούμενη θεωρία, που ήταν η αποδεκτή εξήγηση έως ότου τα δορυφορικά στοιχεία την απέρριψαν στα μέσα της δεκαετίας του '90, ήταν η "ακτινωτή διάχυση." Αυτό σημαίνει ότι οι διακυμάνσεις στα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία της μαγνητόσφαιρας στέλνουν ηλεκτρόνια να διασκορπίζονται προς τα κάτω, στη ζώνη του πλάσματος της Γης, μια περιοχή με ενεργητικά σωματίδια σχετικά χαμηλής ενέργειας, που βρίσκεται πίσω από τη Γη και μακριά από τον ήλιο. Και καθώς τα ηλεκτρόνια κατεβαίνουν προς τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία πιο κοντά στη γη, γι αυτό κα επιταχύνονται.

Ο Chen και οι συνάδελφοί του αφού χρησιμοποίησαν διάφορα όργανα για να συλλέξουν στοιχεία για τα ηλεκτρόνια, οδηγήθηκαν τελικά να αποδεχθούν ότι η αλληλεπίδραση κύματος-σωματιδίων (ο γυρο-συντονισμός) είναι ο κυρίαρχος μηχανισμός της επιτάχυνσης.