Ceinture de radiation Van Allen - Van Allen radiation belt

Cette vidéo CGI illustre les changements de forme et d'intensité d'une section transversale des ceintures de Van Allen.
Une coupe transversale des ceintures de radiation de Van Allen

Une ceinture de radiation de Van Allen est une zone de particules chargées énergétiques , dont la plupart proviennent du vent solaire , qui sont capturées et maintenues autour d'une planète par la magnétosphère de cette planète . La Terre a deux de ces ceintures, et parfois d'autres peuvent être temporairement créées. Les ceintures portent le nom de James Van Allen , qui est crédité de leur découverte. Les deux ceintures principales de la Terre s'étendent d'une altitude d'environ 640 à 58 000 km (400 à 36 040 mi) au-dessus de la surface, région dans laquelle les niveaux de rayonnement varient. On pense que la plupart des particules qui forment les ceintures proviennent du vent solaire et d'autres particules des rayons cosmiques . En piégeant le vent solaire, le champ magnétique dévie ces particules énergétiques et protège l'atmosphère de la destruction.

Les ceintures sont dans la région intérieure du champ magnétique terrestre . Les ceintures piègent les électrons et les protons énergétiques . D'autres noyaux, tels que les particules alpha , sont moins répandus. Les ceintures mettent en danger les satellites , qui doivent avoir leurs composants sensibles protégés par un blindage adéquat s'ils passent un temps important à proximité de cette zone. En 2013, la NASA a rapporté que les sondes Van Allen avaient découvert une troisième ceinture de rayonnement transitoire, qui a été observée pendant quatre semaines jusqu'à ce qu'elle soit détruite par une puissante onde de choc interplanétaire du Soleil .

Découverte

Kristian Birkeland , Carl Størmer , Nicholas Christofilos et Enrico Medi avaient étudié la possibilité de piéger des particules chargées avant l' ère spatiale . Explorer 1 et Explorer 3 ont confirmé l'existence de la ceinture au début de 1958 sous James Van Allen à l' Université de l'Iowa . Le rayonnement piégé a été cartographié pour la première fois par Explorer 4 , Pioneer 3 et Luna 1 .

Le terme ceintures de Van Allen fait spécifiquement référence aux ceintures de rayonnement entourant la Terre ; cependant, des ceintures de radiation similaires ont été découvertes autour d'autres planètes . Le Soleil ne supporte pas les ceintures de rayonnement à long terme, car il lui manque un champ dipolaire stable et global. L'atmosphère terrestre limite les particules des ceintures aux régions situées au-dessus de 200 à 1 000 km (124 à 620 milles) tandis que les ceintures ne s'étendent pas au-delà de 8 rayons terrestres R E . Les ceintures sont confinées dans un volume qui s'étend sur environ 65 ° de part et d'autre de l' équateur céleste .

Recherche

Les ceintures de radiations variables de Jupiter

La mission Van Allen Probes de la NASA vise à comprendre (au point de la prévisibilité) comment les populations d' électrons et d'ions relativistes dans l'espace se forment ou changent en réponse aux changements de l'activité solaire et du vent solaire. Des études financées par l' Institute for Advanced Concepts de la NASA ont proposé des écopes magnétiques pour collecter l' antimatière qui se produit naturellement dans les ceintures de Van Allen de la Terre, bien qu'on estime qu'environ 10 microgrammes d' antiprotons existent dans l'ensemble de la ceinture.

La mission Van Allen Probes a été lancée avec succès le 30 août 2012. La mission principale devait durer deux ans et les consommables devraient durer quatre ans. Les sondes ont été désactivées en 2019 après avoir manqué de carburant et devraient se désorbiter au cours des années 2030. Le Goddard Space Flight Center de la NASA gère le programme Living With a Star – dont les sondes Van Allen sont un projet, avec le Solar Dynamics Observatory (SDO). Le laboratoire de physique appliquée est responsable de la mise en œuvre et de la gestion des instruments pour les sondes de Van Allen.

Des ceintures de rayonnement existent autour d'autres planètes et lunes du système solaire qui ont des champs magnétiques suffisamment puissants pour les soutenir. À ce jour, la plupart de ces ceintures de radiations ont été mal cartographiées. Le programme Voyager (à savoir Voyager 2 ) n'a que nominalement confirmé l'existence de ceintures similaires autour d' Uranus et de Neptune .

Les orages géomagnétiques peuvent entraîner une augmentation ou une diminution relativement rapide de la densité électronique (c'est-à-dire environ un jour ou moins). Des processus à plus long terme déterminent la configuration globale des courroies. Après que l'injection d'électrons augmente la densité électronique, on observe souvent une diminution exponentielle de la densité électronique. Ces constantes de temps de décroissance sont appelées « durées de vie ». Les mesures du spectromètre magnétique d'électrons et d'ions (MagEIS) de la sonde Van Allen B montrent de longues durées de vie des électrons (c'est-à-dire plus de 100 jours) dans la ceinture intérieure ; des durées de vie courtes des électrons de l'ordre d'un ou deux jours sont observées dans la « fente » entre les ceintures ; et des durées de vie des électrons dépendantes de l'énergie d'environ cinq à 20 jours se trouvent dans la ceinture extérieure.

Ceinture intérieure

Dessin en coupe de deux ceintures de rayonnement autour de la Terre : la ceinture intérieure (rouge) dominée par les protons et la ceinture extérieure (bleue) par les électrons. Crédit d'image: NASA

La ceinture intérieure de Van Allen s'étend généralement d'une altitude de 0,2 à 2 rayons terrestres (valeurs L de 1 à 3) ou 1 000 km (620 mi) à 12 000 km (7 500 mi) au-dessus de la Terre. Dans certains cas, lorsque l'activité solaire est plus forte ou dans des zones géographiques telles que l' anomalie de l'Atlantique Sud , la limite intérieure peut diminuer à environ 200 km au-dessus de la surface de la Terre. La ceinture intérieure contient de fortes concentrations d'électrons de l'ordre de centaines de keV et de protons énergétiques avec des énergies dépassant 100 MeV - piégés par les champs magnétiques relativement forts de la région (par rapport à la ceinture extérieure).

On pense que les énergies des protons dépassant 50 MeV dans les ceintures inférieures à basse altitude sont le résultat de la désintégration bêta des neutrons créés par les collisions des rayons cosmiques avec les noyaux de la haute atmosphère. On pense que la source des protons de plus faible énergie est la diffusion des protons, due aux changements du champ magnétique pendant les orages géomagnétiques.

En raison du léger décalage des ceintures par rapport au centre géométrique de la Terre, la ceinture intérieure de Van Allen se rapproche le plus de la surface au niveau de l'anomalie de l'Atlantique Sud .

En mars 2014, un motif ressemblant à des « zébrures » a été observé dans les ceintures de radiations par l'expérience de composition ionique des sondes de tempête de la ceinture de radiation (RBSPICE) à bord des sondes Van Allen . La théorie initiale proposée en 2014 était qu'en raison de l'inclinaison de l'axe du champ magnétique terrestre, la rotation de la planète générait un champ électrique oscillant et faible qui imprègne toute la ceinture de rayonnement interne. Une étude de 2016 a plutôt conclu que les zébrures étaient une empreinte des vents ionosphériques sur les ceintures de radiation.

Ceinture extérieure

Simulation en laboratoire de l'influence de la ceinture de Van Allen sur le vent solaire ; ces courants de Birkeland ressemblant à des aurores ont été créés par le scientifique Kristian Birkeland dans sa terrella , un globe anodique magnétisé dans une chambre sous vide

La ceinture extérieure se compose principalement d' électrons de haute énergie (0,1 à 10  MeV ) piégés par la magnétosphère terrestre. Elle est plus variable que la ceinture intérieure, car elle est plus facilement influencée par l'activité solaire. Il est de forme presque toroïdale , commençant à une altitude de 3 rayons terrestres et s'étendant jusqu'à 10 rayons terrestres ( R E ) - 13 000 à 60 000 kilomètres (8 100 à 37 300 mi) au-dessus de la surface de la Terre. Sa plus grande intensité est généralement autour de 4 à 5 R E . La ceinture de rayonnement électronique externe est principalement produite par la diffusion radiale vers l' intérieur et l'accélération locale due au transfert d'énergie des ondes plasma en mode siffleur aux électrons de la ceinture de rayonnement. Les électrons de la ceinture de rayonnement sont également constamment éliminés par les collisions avec l'atmosphère terrestre, les pertes dues à la magnétopause et leur diffusion radiale vers l'extérieur. Les gyroradii des protons énergétiques seraient suffisamment grands pour les mettre en contact avec l'atmosphère terrestre. Au sein de cette ceinture, les électrons ont un flux élevé et au bord extérieur (près de la magnétopause), où les lignes de champ géomagnétique s'ouvrent dans la "queue" géomagnétique , le flux d'électrons énergétiques peut chuter aux bas niveaux interplanétaires dans un rayon d'environ 100 km. (62 mi) - une diminution d'un facteur de 1 000.

En 2014, il a été découvert que le bord interne de la ceinture externe est caractérisé par une transition très nette, en dessous de laquelle les électrons hautement relativistes (> 5MeV) ne peuvent pas pénétrer. La raison de ce comportement semblable à un bouclier n'est pas bien comprise.

La population de particules piégées de la ceinture externe est variée, contenant des électrons et divers ions. La plupart des ions sont sous forme de protons énergétiques, mais un certain pourcentage sont des particules alpha et des ions O + oxygène — similaires à ceux de l' ionosphère mais beaucoup plus énergétiques. Ce mélange d'ions suggère que les particules de courant annulaire proviennent probablement de plus d'une source.

La ceinture extérieure est plus grande que la ceinture intérieure et sa population de particules fluctue considérablement. Les flux de particules énergétiques (radiations) peuvent augmenter et diminuer considérablement en réponse aux orages géomagnétiques , eux-mêmes déclenchés par les perturbations du champ magnétique et du plasma produites par le Soleil. Les augmentations sont dues aux injections liées aux tempêtes et à l'accélération des particules de la queue de la magnétosphère.

Le 28 février 2013, une troisième ceinture de rayonnement, constituée de particules chargées ultrarelativistes à haute énergie , a été découverte. Lors d'une conférence de presse de l'équipe Van Allen Probe de la NASA, il a été déclaré que cette troisième ceinture est le produit d'une éjection de masse coronale du Soleil. Il a été représenté comme une création distincte qui divise la ceinture extérieure, comme un couteau, sur son côté extérieur, et existe séparément en tant que conteneur de stockage de particules pendant un mois, avant de fusionner à nouveau avec la ceinture extérieure.

La stabilité inhabituelle de cette troisième ceinture transitoire a été expliquée comme étant due à un « piégeage » par le champ magnétique terrestre de particules ultrarelativistes lorsqu'elles sont perdues de la deuxième ceinture extérieure traditionnelle. Alors que la zone externe, qui se forme et disparaît en une journée, est très variable en raison des interactions avec l'atmosphère, les particules ultrarelativistes de la troisième ceinture ne se disperseraient pas dans l'atmosphère, car elles sont trop énergétiques pour interagir avec les ondes atmosphériques à basses latitudes. Cette absence de diffusion et de piégeage leur permet de persister longtemps, n'étant finalement détruits que par un événement inhabituel, comme l'onde de choc du Soleil.

Valeurs de flux

Dans les ceintures, en un point donné, le flux de particules d'une énergie donnée diminue fortement avec l'énergie.

A l' équateur magnétique , les électrons d'énergies supérieures à 5000 keV (resp. 5 MeV) ont des flux omnidirectionnels allant de 1,2×10 6 (resp. 3,7×10 4 ) jusqu'à 9,4×10 9 (resp. 2×10 7 ) particules par centimètre carré par seconde.

Les ceintures de protons contiennent des protons avec des énergies cinétiques allant d'environ 100 keV, qui peuvent pénétrer 0,6 µm de plomb , à plus de 400 MeV, qui peuvent pénétrer 143 mm de plomb.

La plupart des valeurs de flux publiées pour les ceintures intérieure et extérieure peuvent ne pas montrer les densités de flux maximales probables possibles dans les ceintures. Il y a une raison à cet écart : la densité de flux et la localisation du pic de flux sont variables, dépendant principalement de l'activité solaire, et le nombre d'engins spatiaux dotés d'instruments observant la ceinture en temps réel a été limité. La Terre n'a pas connu de tempête solaire d' intensité et de durée d' événement Carrington , tandis que des vaisseaux spatiaux dotés des instruments appropriés étaient disponibles pour observer l'événement.

Les niveaux de rayonnement dans les ceintures seraient dangereux pour les humains s'ils étaient exposés pendant une période prolongée. Les missions Apollo ont minimisé les risques pour les astronautes en envoyant des engins spatiaux à grande vitesse à travers les zones les plus minces des ceintures supérieures, en contournant complètement les ceintures intérieures, à l'exception de la mission Apollo 14 où l'engin spatial a traversé le cœur des ceintures de rayonnement piégées.

Confinement de l'antimatière

En 2011, une étude a confirmé les spéculations antérieures selon lesquelles la ceinture de Van Allen pourrait confiner des antiparticules. L' expérience Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) a détecté des niveaux d' antiprotons de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux attendus des désintégrations normales des particules lors de leur passage dans l' anomalie de l'Atlantique Sud . Cela suggère que les ceintures de Van Allen confinent un flux important d'antiprotons produits par l'interaction de la haute atmosphère terrestre avec les rayons cosmiques. L'énergie des antiprotons a été mesurée dans la gamme de 60 à 750 MeV.

Des recherches financées par l' Institute for Advanced Concepts de la NASA ont conclu qu'il serait possible d'exploiter ces antiprotons pour la propulsion des engins spatiaux. Les chercheurs pensaient que cette approche aurait des avantages par rapport à la génération d'antiprotons au CERN, car la collecte des particules in situ élimine les pertes et les coûts de transport. Jupiter et Saturne sont également des sources possibles, mais la ceinture terrestre est la plus productive. Jupiter est moins productif que prévu en raison de la protection magnétique contre les rayons cosmiques d'une grande partie de son atmosphère. En 2019, CMS a annoncé que la construction d'un appareil qui serait capable de collecter ces particules a déjà commencé. La NASA utilisera cet appareil pour collecter ces particules et les transporter vers des instituts du monde entier pour un examen plus approfondi. Ces soi-disant « conteneurs d'antimatière » pourraient également être utilisés à des fins industrielles à l'avenir.

Implications pour les voyages dans l'espace

Comparaison de la taille de l'orbite des constellations GPS , GLONASS , Galileo , BeiDou-2 et Iridium , de la Station spatiale internationale , du télescope spatial Hubble et de l' orbite géostationnaire (et de son orbite de cimetière ), avec les ceintures de rayonnement de Van Allen et la Terre à l'échelle.
L' orbite de la Lune est environ 9 fois plus grande que l'orbite géostationnaire. (Dans le fichier SVG, survolez une orbite ou son étiquette pour la mettre en surbrillance ; cliquez pour charger son article.)

Les engins spatiaux voyageant au-delà de l' orbite terrestre basse entrent dans la zone de rayonnement des ceintures de Van Allen. Au-delà des ceintures, ils sont confrontés à des dangers supplémentaires liés aux rayons cosmiques et aux événements de particules solaires . Une région entre les ceintures de Van Allen intérieure et extérieure se situe à 2 à 4 rayons terrestres et est parfois appelée « zone de sécurité ».

Les cellules solaires , les circuits intégrés et les capteurs peuvent être endommagés par les radiations. Les orages géomagnétiques endommagent parfois les composants électroniques des engins spatiaux. La miniaturisation et la numérisation des circuits électroniques et logiques ont rendu les satellites plus vulnérables aux rayonnements, car la charge électrique totale de ces circuits est désormais suffisamment faible pour être comparable à la charge des ions entrants. L'électronique des satellites doit être durcie contre les radiations pour fonctionner de manière fiable. Le télescope spatial Hubble , entre autres satellites, a souvent ses capteurs éteints lorsqu'il traverse des régions de rayonnement intense. Un satellite protégé par 3 mm d' aluminium sur une orbite elliptique (200 sur 20 000 milles (320 sur 32 190 km)) passant les ceintures de radiation recevra environ 2 500 rem (25  Sv ) par an. (À titre de comparaison, une dose de 5 Sv au corps entier est mortelle.) Presque tous les rayonnements seront reçus lors du passage de la ceinture intérieure.

Les missions Apollo ont marqué le premier événement où des humains ont voyagé à travers les ceintures de Van Allen, qui était l'un des nombreux risques d'irradiation connus par les planificateurs de mission. Les astronautes avaient une faible exposition dans les ceintures de Van Allen en raison de la courte période de temps passée à les traverser. Les trajectoires de vol d'Apollo ont complètement contourné les ceintures intérieures, passant par les zones les plus minces des ceintures extérieures.

L'exposition globale des astronautes était en fait dominée par les particules solaires une fois hors du champ magnétique terrestre. Le rayonnement total reçu par les astronautes variait d'une mission à l'autre, mais a été mesuré entre 0,16 et 1,14 rads (1,6 et 11,4  mGy ), bien moins que la norme de 5 rem (50 mSv) par an fixée par les États-Unis. Commissariat à l'énergie atomique pour les personnes travaillant avec la radioactivité.

Causes

Il est généralement admis que les courroies de Van Allen intérieure et extérieure résultent de processus différents. La ceinture interne — constituée principalement de protons énergétiques — est le produit de la désintégration des neutrons dits « albédo », qui sont eux-mêmes le résultat de collisions de rayons cosmiques dans la haute atmosphère. La ceinture externe est principalement constituée d'électrons. Ils sont injectés à partir de la queue géomagnétique à la suite d'orages géomagnétiques et sont ensuite alimentés par des interactions onde-particule .

Dans la ceinture intérieure, les particules provenant du Soleil sont piégées dans le champ magnétique terrestre. Les particules spiralent le long des lignes de flux magnétiques lorsqu'elles se déplacent « en latitude » le long de ces lignes. Au fur et à mesure que les particules se déplacent vers les pôles, la densité de la ligne de champ magnétique augmente et leur vitesse "latitudinale" est ralentie et peut être inversée - reflétant les particules et les faisant rebondir entre les pôles de la Terre. En plus de la spirale et du mouvement le long des lignes de flux, les électrons se déplacent lentement vers l'est, tandis que les ions se déplacent vers l'ouest.

Un écart entre les ceintures de Van Allen intérieure et extérieure - parfois appelée zone de sécurité ou fente de sécurité - est causé par les ondes à très basse fréquence (VLF), qui diffusent les particules selon l' angle de pas , ce qui entraîne un gain de particules dans l'atmosphère. Les explosions solaires peuvent pomper des particules dans l'espace, mais elles se drainent à nouveau en quelques jours. On pensait à l'origine que les ondes radio étaient générées par la turbulence dans les ceintures de rayonnement, mais les travaux récents de James L. Green du Goddard Space Flight Center — comparant les cartes de l'activité de la foudre collectées par le vaisseau spatial Microlab 1 avec des données sur les ondes radio dans le rayonnement -l'écart de ceinture du vaisseau spatial IMAGE - suggère qu'ils sont en fait générés par la foudre dans l'atmosphère terrestre. Les ondes radio générées frappent l'ionosphère à l'angle correct pour ne la traverser qu'aux hautes latitudes, où les extrémités inférieures de l'espace se rapprochent de la haute atmosphère. Ces résultats font encore l'objet d'un débat scientifique.

Suppression proposée

Le drainage des particules chargées des ceintures de Van Allen ouvrirait de nouvelles orbites pour les satellites et rendrait les voyages plus sûrs pour les astronautes.

High Voltage Orbiting Long Tether, ou HiVOLT, est un concept proposé par le physicien russe VV Danilov et affiné par Robert P. Hoyt et Robert L. Forward pour drainer et éliminer les champs de rayonnement des ceintures de rayonnement de Van Allen qui entourent la Terre.

Une autre proposition pour drainer les ceintures de Van Allen consiste à envoyer des ondes radio à très basse fréquence (VLF) du sol dans les ceintures de Van Allen.

Le drainage des ceintures de radiation autour d'autres planètes a également été proposé, par exemple, avant d'explorer Europe , qui orbite au sein de la ceinture de radiation de Jupiter .

En 2014, on ne sait toujours pas s'il y a des conséquences négatives imprévues à l'élimination de ces ceintures de rayonnement.

Voir également

Remarques

Les références

Sources supplémentaires

  • Adams, L.; Daly, EJ; Harboe-Sorensen, R.; Holmes-Siedle, AG ; Ward, AK ; Bull, RA (décembre 1991). "Mesure de SEU et dose totale en orbite géostationnaire dans des conditions normales et d'éruption solaire". Transactions IEEE sur la science nucléaire . 38 (6) : 1686–1692. Bibcode : 1991ITNS ... 38.1686A . doi : 10.1109/23.124163 . OCLC  4632198117 .
  • Holmes-Siedle, André ; Adams, Len (2002). Manuel des effets des rayonnements (2e éd.). Oxford ; New York : Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850733-8. LCCN  2001053096 . OCLC  47930537 .
  • Shprits, Yuri Y.; Elkington, Scott R.; Meredith, Nigel P.; Subbotin, Dmitriy A. (novembre 2008). « Examen de la modélisation des pertes et des sources d'électrons relativistes dans la ceinture de rayonnement externe ». Journal de physique atmosphérique et solaire-terrestre . 70 (14).Partie I : Transport radial, pp. 1679-1693, doi : 10.1016/j.jastp.2008.06.008 ; Partie II : Accélération et perte locales, pp. 1694-1713, doi : 10.1016/j.jastp.2008.06.014 .

Liens externes