Fél évszázados az űrkorszak első nagy tudományos eredménye

A Földet övező sugárzási övezet felfedezése az űrkorszak első nagy tudományos eredménye volt. A Van Allen-öveket közel fél évszázada ismerjük, de sok részlet még ma is feltárásra vár. A tervek szerint a NASA 2011-ben két űrszondát állít pályára a sugárzási övek viharainak tanulmányozására.

A Van Allen-öveknek elnevezett Föld körüli sugárzási övezetet az első amerikai műholdak, az 1958. január 31-én felbocsátott Explorer-1, illetve az ugyanazon esztendő március 26-án útnak indított Explorer-3 mérési adatai alapján fedezték fel. (A világ első mesterséges holdját, a Szputnyik-1-et néhány hónappal korábban, 1957. október 4-én indította a Szovjetunió.) Az Explorer-1 - egy közel 14 kg-os, hengeres szerkezet - a Földet övező sugárzás mérésére 8,3 kilogrammnyi műszert vitt magával.

A műszereket a holland származású James Van Allen (1917-2006), az Iowa Egyetem fizika tanszékének vezetője tervezte a küldetés számára. Közöttük kapott helyet az a kis Geiger-Müller-számláló, amely felfedezte az egész Földet körülvevő, intenzív sugárzást mutató zónákat. (Ezeket a tórusz vagy fánk alakú sugárzási zónákat egy tudóstársa javaslatára nevezték el még abban az évben Van Allen-öveknek.) A következő évben kiderült, hogy a korábban felfedezettnél távolabb még egy sugárzási öv veszi körül a Földet.

Ma már csak tudománytörténeti érdekesség, hogy ha a szovjet politika nem avatkozott volna be a szigorúan szakmai kérdésekbe, akkor a Van Allen-öveket most a világ Van Allen-Vernov-öveknek, esetleg Vernov-Van Allen-öveknek nevezné. Történt ugyanis, hogy 1958 tavaszán az első komolyan felműszerezett műhold, a Szputnyik-3 felbocsátására készültek a szovjet szakemberek. A mérési adatokat rögzíteni hivatott egyik fedélzeti magnetofon a földi próbák során nem működött rendesen, ezért a startot el akarták halasztani.

Az első amerikai műhold, az Explorer-1 sikeres útját népszerűsítő plakát (NASA)

Ekkor maga Hruscsov miniszterelnök és pártfőtitkár adott utasítást a műhold késlekedés nélküli indítására. Hogy miért? Mert az újabb űrsikerrel a néhány nap múlva esedékes olasz parlamenti választásokat akarták befolyásolni. Hruscsovtól ugyanis azt kérték az olasz kommunisták, hogy valamilyen látványos akcióval hasson a választókra. Ám az olasz kommunistákat nem sikerült választási győzelemre segíteni. A helyzet iróniája, hogy az egyik magnetofon regisztrálta ugyan az intenzív sugárzás jeleit, de az adatok hiányosak voltak, s a meglepő jeleket a kutatók mérési hibának vélték. Szergej Vernov professzor így elesett a sugárzási övek felfedezésének dicsőségétől.

A sugárzási övek felépítése

A belső sugárzási öv 700-10 000 kilométer magasságban helyezkedik el a Föld felszíne felett, a külső zóna pedig 13 000-65 000 kilométer magasan található (ebben a zónában a legtöbb részecske 14 500-19 000 kilométer magasságban gyűlik össze). A két zóna nem válik el egymástól élesen. A Föld mágneses tere befogja a Napból felénk tartó részecskéket (elsősorban elektronokat és protonokat), valamint az atmoszférában zajló ütközésekből kifelé tartó részecskéket. A belső zónában erősebb a mágneses tér, itt elsősorban protonokat, a külsőben pedig főleg nagyenergiájú elektronokat találunk.

A töltött részecskék a mágneses erővonalak mentén, az erővonalak körül spirális útvonalat leírva mozognak: oda-vissza repülnek az övezetekben a Föld északi és déli pólusa között, mintha tükrök vernék vissza őket. A pólusoknál a sugárzási övek nyitottak, ezért az elektronok könnyen lejutnak az atmoszféra felső rétegeibe, s ott elnyelődnek. A részecskék száma erősen ingadozik, elsősorban a geomágneses viharok következében. A földi mágneses tér viharait pedig a Nap viharai, vagyis a Nap mágneses terének változásai, a Napból kilökődött plazma állapotú anyag, a napszél változásai idézik elő.

A külső övben 0,1-10 megaelektronvolt energiájú elektronok mozognak; ez az energia elég nagy ahhoz, hogy komoly kockázatot jelentsen az űreszközök és az űrhajósok számára. Nem véletlenül kapták a legnagyobb energiájúak a "gyilkos elektron" nevet. Yue Chen, G. D. Reeves és R. H. W Friedel (Los Alamos Nemzeti Laboratórium, USA) tanulmánya nemcsak az elektronok nagy energiájára, hanem számuk időnkénti radikális megváltozására is magyarázatot adott a közelmúltban.

Elektromágneses viharok idején az elektronok száma helyenként ezerszeresére nőhet a viharmentes időszakhoz képest. A fenti tudósok, akik elméleti számításaikat a NASA műholdjai által gyűjtött adatokkal vetették egybe, több lehetőség kizárása után egyetlen elfogadható magyarázatot találtak a jelenségre: az elektronokat az elektromágneses hullámok és az elektronrészecskék kölcsönhatása gyorsítja fel. A gyorsítás mechanizmusáról egyébként egy évtizede folyik a tudományos vita - most viszont a mért adatok igazolták a számítások helyességét.