밴 앨런 방사선 벨트

Van Allen radiation belt
이 CGI 비디오는 Van Allen 벨트의 단면의 형태와 강도의 변화를 보여줍니다.
Van Allen 방사선 벨트의 단면

밴 앨런 방사선 벨트는 대부분의 경우 태양풍에서 발생하며 행성의 자기권에 의해 포착되어 행성 주위에 유지되는 에너지 하전 입자의 영역입니다.지구에는 두 개의 벨트가 있고, 때때로 다른 벨트가 일시적으로 생성될 수도 있다.벨트의 이름은 [1]발견에 기여한 제임스 반 알렌의 이름을 따서 붙여졌다.지구의 두 개의 주요 벨트는 지표면에서 약 640에서 58,000km(400에서 36,040mi)[2]의 고도에 걸쳐 있으며, 이 지역의 방사선 수준은 다양하다.띠를 형성하는 입자의 대부분은 태양풍과 우주선에 [3]의한 다른 입자들로 생각된다.태양풍을 가둠으로써, 자기장은 그 에너지 입자들을 비껴가게 하고 대기를 파괴로부터.

벨트는 지구 자기장의 안쪽 영역에 있습니다.벨트는 에너지 전자와 양성자를 가둬놓습니다.알파 입자와 같은 다른 핵들은 덜 널리 퍼져있다.벨트는 위성을 위험하게 한다. 위성은 해당 구역 근처에서 상당한 시간을 보낼 경우 민감한 구성요소를 적절한 보호막으로 보호해야 한다.2013년, Van Allen Probes는 4주 [4]동안 지속된 일시적인 세 번째 방사선 벨트를 감지했다.밴 앨런 벨트를 통과하는 아폴로 우주 비행사들은 매우 적은 양의 무해한 방사능을 받았다.

검출

크리스티안 버켈랜드, 칼 스토르메르, 니콜라스 크리스토필로스, 엔리코 메디는 우주 [5]시대 이전에 대전 입자가 갇혔을 가능성을 조사했다.익스플로러 1호와 익스플로러 [1]3호는 1958년 초 아이오와 대학의 제임스 밴 앨런 교수에 의해 벨트의 존재를 확인했다.갇힌 방사선은 익스플로러 4, 파이오니어 3, 그리고 루나 1에 의해 처음 지도화 되었다.

Van Allen belts라는 용어는 특히 지구를 둘러싼 방사선 벨트를 가리킨다. 그러나 비슷한 방사선 벨트는 다른 행성들 주변에서 발견되었다.태양은 안정적인 전지구적 쌍극자장이 없기 때문에 장기적인 방사선 벨트를 지원하지 않는다.지구의 대기는 벨트의 입자를 200–[6]1,000km(124–620마일) 이상의 영역으로 제한하지만 벨트는 8개의 지구 반지름을 [6]넘지E 않습니다.벨트는 천구의 적도 양쪽에서 약 65°[6]로 확장되는 부피로 제한됩니다.

조사.

목성의 가변 방사대

NASA의 반 앨런 탐사선 임무는 (예측가능성까지) 태양 활동과 태양풍의 변화에 대응하여 우주에 있는 상대론적 전자와 이온의 인구가 어떻게 형성되거나 변화하는지 이해하는 것을 목표로 한다.NASA의 고등 개념 연구소가 후원하는 연구들은 지구 반 앨런 벨트에서 자연적으로 발생하는 반물질을 수집하기 위한 자기 스쿠프를 제안했지만, 전체 [7]벨트에 존재하는 안티프로톤은 약 10 마이크로그램에 불과한 것으로 추정되고 있다.

Van Allen Probes 미션은 2012년 8월 30일 성공적으로 발사되었다.주요 임무는 2년 동안 진행될 예정이었고 소모품은 4년 동안 지속될 것으로 예상되었다.탐사선은 연료가 고갈된 후 2019년에 비활성화되었으며 2030년대 [8]동안 궤도 해제될 것으로 예상된다.NASA의 고다드 우주 비행 센터는 태양역학 관측소(SDO)와 함께 Van Allen Probes가 프로젝트인 Living With a Star 프로그램을 관리합니다.Applied Physics Laboratory는 Van Allen [9]Probes의 구현 및 기기 관리를 담당합니다.

방사선 벨트는 태양계의 다른 행성과 달 주위에 존재하며, 이를 지탱할 수 있을 만큼 강력한 자기장을 가지고 있다.지금까지 이 방사선 벨트의 지도는 형편없었다.보이저 프로그램(Voyager 2)은 명목상 천왕성과 해왕성 주변에 유사한 벨트의 존재를 확인했을 뿐이다.

지자기 폭풍은 전자 밀도를 비교적 빠르게 증가시키거나 감소시킬 수 있다(즉, 약 하루 이내).긴 시간 척도의 프로세스에 따라 벨트의 전체적인 구성이 결정됩니다.전자주입이 전자밀도를 높인 후 전자밀도가 기하급수적으로 감소하는 것이 종종 관찰된다.이러한 붕괴 시간 상수를 "수명"이라고 합니다.Van Allen Probe B의 자기 전자 이온 분광계(MagEIS)에서 측정한 결과 내부 벨트의 전자 수명이 길고(즉, 100일 이상), 벨트 사이의 "슬롯"에서 약 1일 또는 2일의 짧은 전자 수명이 관찰되며, 외부에서는 약 5-20일의 에너지 의존 전자 수명이 발견되었습니다.벨트[10]

이너 벨트

지구를 둘러싼 두 개의 방사선 벨트의 절단 그림: 양성자가 지배하는 내부 벨트(빨간색)와 전자가 지배하는 외부 벨트(파란색)입니다.이미지 크레딧: NASA

내부 Van Allen 벨트는 일반적으로 지구 반지름 0.2~2의 고도(1~3의 L 값) 또는 지구 [3][11]상공 1,000km(620mi)~12,000km(7,500mi)까지 확장됩니다.태양 활동이 더 강하거나 남대서양 변칙과 같은 지리적 지역에서 내부 경계가 지구 표면 위로 약 200km까지[12] 떨어질 수 있습니다.내부 벨트는 수백 keV 범위의 고농도의 전자와 에너지가 100 MeV를 초과하는 에너지 양성자를 포함하고 있으며, 이는 (외부 [13]벨트에 비해) 영역의 비교적 강한 자기장에 의해 갇힌다.

낮은 고도에서 낮은 벨트의 50MeV를 넘는 양성자 에너지는 상층 대기의 핵과 우주선이 충돌하여 생성된 중성자의 베타 붕괴의 결과로 여겨진다.낮은 에너지의 양성자는 지자기 폭풍 동안 [14]자기장의 변화로 인해 양성자의 확산으로 여겨진다.

지구의 기하학적 중심에서 벨트가 약간 어긋나기 때문에 내부 Van Allen 벨트는 남대서양 [15]이상 지점에서 지표면에 가장 근접합니다.[16]

2014년 3월, 방사선 벨트 스톰 프로브 이온 구성 실험(RBSPICE)에 의해 방사선 벨트에서 "제브라 줄무늬"와 유사한 패턴이 관찰되었다.2014년에 제안된 초기 이론은 지구의 자기장 축의 기울기로 인해 행성의 자전으로 인해 내부 방사선 [17]벨트 전체에 침투하는 진동하는 약한 전기장이 생성된다는 것이었다.대신 2016년 연구는 얼룩말 줄무늬가 방사선 [18]벨트에 전리층 바람의 흔적이라고 결론지었다.

아우터 벨트

반 앨런 벨트가 태양풍에 미치는 영향에 대한 실험실 시뮬레이션; 이 오로라 같은 버켈랜드 해류는 과학자 크리스티안 버켈랜드가 진공실에 자화된 양극 지구인 테렐라에서 만들었습니다.

외부 벨트는 주로 지구 자기권에 갇힌 고에너지(0.1~10 MeV) 전자들로 구성됩니다.그것은 태양 활동에 의해 더 쉽게 영향을 받기 때문에 안쪽 벨트보다 더 가변적입니다.그것은 지구 반지름 3에서 시작하여 지구 반지름 10까지 확장되는 거의 트로이덜 모양입니다. - 지구 표면에서 13,000에서 60,000 킬로미터 (8E,100에서 37,300 mi)입니다.가장 큰 강도는 보통 4~5R입니다E.외부 전자 방사 벨트는 대부분 휘슬러 모드 플라즈마 파장에서 방사 벨트 전자로의 에너지 전달에 의한 내부 방사[19][20] 확산 및 국부[21] 가속에 의해 생성됩니다.방사선 벨트 전자는 또한 지구 [21]대기와의 충돌, 자기권계면에 대한 손실 및 외부 반경 확산에 의해 지속적으로 제거된다.에너지 양성자의 자이로라디이(gyroradii)는 양성자가 지구 대기와 접촉할 수 있을 만큼 충분히 클 것이다.이 벨트 내에서는 전자가 높은 플럭스를 가지며, 지자기장 라인이 지자기 "꼬리"로 열리는 바깥쪽 가장자리(자기권계면 근처)에서는 에너지 전자의 플럭스가 약 100km(62mi) 이내에 낮은 행성간 레벨로 떨어질 수 있습니다. 이는 1,000배 감소합니다.

2014년에는 외측 벨트의 안쪽 가장자리가 매우 날카로운 천이를 보이는 것이 발견되었는데, 그 아래에서는 상대성이 높은 전자(> 5MeV)가 [22]침투할 수 없다.이 방패 같은 동작의 이유는 잘 알려져 있지 않습니다.

외부 벨트의 갇힌 입자 집단은 전자와 다양한 이온을 포함하는 다양합니다.이온의 대부분은 에너지 양성자의 형태이지만, 특정 비율은 알파 입자와 O+ 산소 이온으로, 전리층과 비슷하지만 훨씬 더 에너지적입니다.이 이온의 혼합은 링 전류 입자가 하나 이상의 소스로부터 발생한다는 것을 나타냅니다.

외측 벨트는 내측 벨트보다 크고 입자 수가 크게 변동합니다.에너지(방사선) 입자속은 태양에 의해 생성된 자기장과 플라즈마 교란으로 인해 발생하는 지자기 폭풍에 반응하여 급격하게 증가하거나 감소할 수 있습니다.이러한 증가는 폭풍과 관련된 주입과 자기권 끝에서 입자의 가속에 기인한다.

2013년 2월 28일 세 번째 방사선 벨트가 발견되었다고 보고되었다. 고에너지 초잠재론적 하전 입자로 구성된 것이다.NASA의 Van Allen Probe 팀의 기자 회견에서, 이 세 번째 벨트는 태양에서 코로나 질량 방출의 산물이라고 언급되었다.외측 벨트를 칼처럼 갈라 한 달 동안 입자 저장 용기로 따로 존재하다가 다시 외측 [23]벨트와 합쳐지는 별개의 창조물로 표현되어 왔다.

이 세 번째 과도 벨트의 비정상적인 안정성은 지구의 자기장이 두 번째 전통적인 외부 벨트에서 초유전성 입자를 잃어버리기 때문에 발생하는 것으로 설명되었습니다.하루 동안 형성 및 소멸되는 외부 영역은 대기와의 상호작용에 따라 변동성이 크지만,[24] 제3대의 초라티비즘 입자는 저위도에서는 대기파와의 상호작용이 불가능하기 때문에 대기 중으로 흩어지지 않을 것으로 생각된다.이러한 산란과 포획의 부재는 그들이 오랫동안 지속될 수 있게 해주며, 마침내 태양으로부터의 충격파와 같은 특이한 사건에 의해서만 파괴된다.

플럭스 값

벨트는 주어진 지점에서 주어진 에너지의 입자 플럭스가 에너지와 함께 급격히 감소한다.

자기적도에서 5000keV(응답 5MeV)를 초과하는 에너지의 전자는 1.2×106(응답 3.7×104)에서 9.4×109(응답)까지의 전방향 플럭스를 가진다.초당 2×107) 입자입니다.

양성자 벨트는 0.6 µm의 납을 투과할 수 있는 약 100 keV에서 143mm의 [25]납을 투과할 수 있는 400 MeV 이상의 운동 에너지를 가진 양성자를 포함한다.

내측 및 외측 벨트에 대해 발표된 대부분의 플럭스 값은 벨트에서 가능한 최대 플럭스 밀도를 나타내지 않을 수 있습니다.이러한 불일치에는 이유가 있습니다. 플럭스 밀도와 피크 플럭스의 위치는 주로 태양 활동에 따라 다르며, 벨트를 실시간으로 관측하는 기구를 갖춘 우주선의 수는 제한되어 있습니다.지구는 캐링턴 사건의 강도와 지속시간의 태양폭풍을 경험하지 못했지만, 적절한 기구를 갖춘 우주선은 그 사건을 관측할 수 있었다.

벨트의 방사선 수치는 장기간 노출되면 사람에게 위험할 수 있다.아폴로호의 임무는 우주선이 갇힌 [15][26][27][28]방사선 벨트의 심장부를 통과하는 아폴로 14호 임무를 제외하고, 우주선을 상부 벨트의 얇은 지역을 통해 고속으로 보내 우주 비행사들의 위험을 최소화했다.

  • 플럭스 값, 정상 태양 조건
  • AP8 MIN omnidirectional proton flux ≥ 100 keV

    AP8 MIN 전방향 양성자 플럭스 100 100 keV

  • AP8 MIN omnidirectional proton flux ≥ 1 MeV

    AP8 MIN 전방향 양성자 플럭스 1 1 MeV

  • AP8 MIN omnidirectional proton flux ≥ 400 MeV

    AP8 MIN 전방향 양성자 플럭스 400MeV 이하

반물질 제한

2011년, 한 연구는 반 앨런 벨트가 반 입자를 가둘 수 있다는 이전의 추측을 확인했습니다.반물질탐사와 광핵천체물리학 실험용 페이로드(Payload for Antematic Experiation and Light-Nuclear Astrophysics, PAMELA)는 남대서양 이상 현상을 통과하는 동안 정상 입자의 붕괴에서 예상한 것보다 훨씬 더 높은 수준의 안티프로톤을 검출했다.이것은 반 앨런 벨트가 지구 상층 대기와 [29]우주선의 상호작용에 의해 생성된 상당한 양의 안티프로톤을 제한한다는 것을 암시한다.안티프로톤들의 에너지는 60~750MeV 범위에서 측정되었다.

NASA의 고등 개념 연구소가 자금을 지원한 연구는 우주선의 추진에 이러한 항로봇을 이용하는 것이 가능할 것이라고 결론지었다.연구자들은 입자를 제 자리에서 수집하면 운송 손실과 비용을 제거할 수 있기 때문에 이러한 접근 방식이 CERN의 반양극 생성 방식보다 유리하다고 생각했습니다.목성과 토성 또한 가능한 원천이지만, 지구대가 가장 생산적이다.목성은 대기의 많은 우주광선으로부터 자기장 차폐로 인해 예상보다 덜 생산적이다.2019년 CMS는 이러한[definition needed] 입자를 수집할 수 있는 장치의 구축이 이미 [dubious – discuss]시작됐다고 발표했다.나사는 이 입자들을 수집하여 더 많은 조사를 위해 전 세계 연구소로 옮기기 위해 이 장치를 사용할 것이다.소위 말하는 "반물질 컨테이너"는 [30]미래에도 산업 목적으로 사용될 수 있다.

우주여행에 미치는 영향

GPS, GLONASS, 갈릴레오, BeiDou-2 및 이리듐 별자리, 국제우주정거장, 허블우주망원경, 정지궤도(및 그 묘지궤도)의 궤도 크기 비교.[a]
달의 궤도는 정지궤도의 [b]약 9배이다.(SVG 파일에서 궤도 또는 그 라벨 위에 마우스를 올려 강조 표시하고 클릭해서 기사를 로드합니다.)

지구 저궤도를 넘어 이동하는 우주선은 밴 앨런 벨트의 방사선 영역에 진입한다.벨트 너머로, 그들은 우주선과 태양 입자 사건으로부터 추가적인 위험에 직면한다.내측과 외측 Van Allen 벨트 사이의 영역은 지구 반지름 2 ~ 4에 있으며 "안전 구역"[31][32]이라고도 합니다.

태양전지, 집적회로, 센서는 방사선에 의해 손상될 수 있다.지자기 폭풍은 때때로 우주선의 전자 부품을 손상시킨다.전자회로와 논리회로의 소형화와 디지털화는 위성을 방사선에 더 취약하게 만들었다. 이러한 회로의 총 전하가 이제 들어오는 이온의 전하와 비교할 수 있을 정도로 작기 때문이다.인공위성의 전자장치는 안정적으로 작동하기 위해 방사선에 대해 경화되어야 한다.다른 위성들 중에서 허블 우주 망원경은 강한 [33]방사선이 방출되는 지역을 통과할 때 센서가 꺼지는 경우가 많다.방사선 벨트를 통과하는 타원 궤도(200x20,000마일(320x32,190km)에서 3mm의 알루미늄으로 차폐된 위성은 연간 약 2,500rem(25Sv)을 받는다(비교 시 전신 선량은 치명적임).내부 [34]벨트를 통과하는 동안 거의 모든 방사선이 수신됩니다.

아폴로호의 임무는 인간이 비행 [35]계획자들에 의해 알려진 여러 방사능 위험들 중 하나인 반 앨런 벨트를 통해 이동한 첫 번째 사건이었다.우주비행사들은 [27][36]밴 앨런 벨트를 통과하는 데 걸리는 시간이 짧았기 때문에 벨트의 노출이 낮았다.

우주 비행사들의 전반적인 노출은 실제로 지구 자기장 밖에 있던 태양 입자에 의해 지배되었다.우주비행사들이 받은 총 방사선은 임무마다 달랐지만 방사능으로 [35]일하는 사람들을 위해 미국 원자력 위원회가 정한 연간 5렘(50mSv)[c]보다 훨씬 적은 0.16~1.14라드(1.6~11.4mGy)로 측정되었다.

원인들

일반적으로 내측 및 외측 Van Allen 벨트는 서로 다른 프로세스로 인해 발생하는 것으로 알려져 있습니다.주로 에너지 양성자로 구성된 내부 벨트는 소위 "알베도" 중성자의 붕괴의 산물이며, 그 자체가 상층 대기에서 우주선이 충돌한 결과이다.외부 벨트는 주로 전자로 구성되어 있습니다.그것들은 지자기 폭풍에 이어 지자기 꼬리에서 주입되고, 그 후에 파동-입자 상호작용을 통해 에너지가 공급된다.

안쪽 벨트에서, 태양에서 유래한 입자들이 지구의 자기장에 갇힙니다.입자는 자속 선을 따라 "위도 방향으로" 이동하면서 나선형으로 회전합니다.입자가 극을 향해 이동함에 따라, 자기장 선 밀도가 증가하고, 입자를 반사하여 지구의 [37]극 사이에서 앞뒤로 튕겨나가게 하면서, 그들의 "위도" 속도는 느려지고 역전될 수 있습니다.플럭스 라인을 따라 나선형으로 움직이는 것 외에 전자는 동쪽 방향으로 천천히 움직이는 반면 이온은 서쪽으로 이동합니다.

안쪽과 바깥쪽 Van Allen 벨트 사이의 간격(안전 영역 또는 안전 슬롯이라고도 함)은 입자를 피치 각도로 산란시키는 VLF(Very Low Frequency) 파동에 의해 발생하며, 이로 인해 입자가 대기로 이동하게 됩니다.태양 폭발은 그 틈으로 입자를 밀어 넣을 수 있지만, 며칠 안에 다시 빠져나갑니다.전파는 원래 방사선 벨트의 난기류에 의해 발생하는 것으로 생각되었지만, 고다드 우주 비행 센터의 제임스 L. 그린(James L. Green)이 최근 연구한 마이크로랩 1 우주선이 수집한 번개 활동 지도를 IMAGE 우주선의 방사선 벨트 간격에 있는 전파 데이터와 비교한 결과, 실제로는 g인 것으로 추정된다.지구 대기권 내에서 번개에 의해 기세가 꺾였다.생성된 전파는 전리층을 정확한 각도로 타격하여 높은 위도에서만 통과하며, 간극의 하단이 상층 대기에 접근한다.이 결과들은 아직도 과학적으로 논의되고 있다.

삭제 제안

밴 앨런 벨트에서 대전된 입자를 배출하는 것은 위성을 위한 새로운 궤도를 열게 하고 우주 비행사들의 여행을 [38]더 안전하게 만들 것이다.

고전압 궤도 롱 테더(HiVOLT)는 러시아 물리학자 V. V. 다니로프가 제안하고 로버트 P.에 의해 더욱 개량된 개념이다. 호이트와 로버트 L. 지구를 [40]둘러싸고 있는 Van Allen 방사선[39] 벨트의 방사선 영역을 배출 및 제거하기 위해 앞으로 이동합니다.

Van Allen 벨트의 배출을 위한 또 다른 제안은 지상에서 Van Allen [41]벨트로 매우 낮은 주파수(VLF)의 전파를 방출하는 것입니다.

예를 들어, 목성의 방사선 [42]벨트 내에서 궤도를 도는 유로파를 탐사하기 전에 다른 행성들 주변의 방사선 벨트를 배수하는 것도 제안되었다.

2014년 현재, 이러한 방사선 [38]벨트를 제거할 때 의도하지 않은 부정적인 결과가 발생하는지 여부는 여전히 불확실하다.

「 」를 참조해 주세요.

설명 메모

  1. ^ 궤도 주기와 속도는 4µR23 = TGM2 및 VR2 = GM 관계를 사용하여 계산한다. 여기서 R은 궤도 반지름(m), T는 궤도 주기(초), V는 궤도 속도, G는 중력 상수, 약 6.673×10−112 Nm/kg2, M은 지구의 질량(약 598×1024 kg)이다.
  2. ^ 그때는 달 가장 가까운 약 8.6배(그,.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw-parser-output.sfrac .den{은( 반지름과 길이에).디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}363,104 km/42,164 km=, 9.6시기 달 가장 먼(그, 405,696 km/42,164 km은).
  3. ^ 베타, 감마 및 X선의 경우 흡수선량(rad)은 렘 당량(rem)과 같다.

인용문

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기타 소스

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외부 링크

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