Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 9 – vyšlo 8. března, ročník 11 (2013) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

9/2013

Objev třetího Van Allenova pásu

Petr Kulhánek

Van Allenovy pásy jsou nedílnou součástí naší magnetosféryMagnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 10⁹ A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru., jde o jakési kapsy nabitých částic zachycených v magnetickém poli Země, které intenzivně vyzařují elektromagnetický signál. Van Allenovy radiační pásy mohou být nebezpečné pro přístroje na družicích, telekomunikační systémy i samotného člověka. O výzkumu Van Allenových pásů za pomoci družice Pamela jsme informovali v AB 39/2009 a v AB 34/2011. Běžně jsou pozorovány dva radiační pásy – vnitřní a vnější. Američtí odborníci z Coloradské univerzity a dalších vědeckých institucí detekovali nyní na základě měření dvojice sond Van Allen vznik třetího pásu (ve vzdálenosti 3 až 3,5 zemského poloměru), který přetrvával v nezměněné podobě přes 4 týdny. Tento objev odborníky překvapil, mechanizmus vzniku třetího pásu není známý a není ani jasné, zda se obdobný jev periodicky opakuje, nebo šlo o výjimečný úkaz.

Zemi obklopují dva obří toroidy nabitých částic (zeleně), kterým říkáme
Van Allenovy radiační pásy. Zdroj: NASA – T. Benesch, J. Carns.

Země – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. Van Allenovy pásy – jsou tvořeny nabitými částicemi (elektrony, protony a ionty O+, He+) zachycenými magnetickým polem Země ve vzdálenosti 1,2 až 7 RZ. V polárních oblastech se odrážejí efektem magnetického zrcadla. Pásy existují dva, vnější složený především z elektronů a vnitřní obsahující kromě elektronů i hmotnější částice, především protony s vysokou energií. Částice v pásech pronikavě září. Jejich energie je od 1 keV do 100 MeV. Nejenergetičtější elektrony se nazývají zabijácké elektrony (killer electrones) a mechanizmus jejich vzniku není zcela jasný. Vnitřní pás objevil James Van Allen z Univerzity v Iowě na základě měření družic Explorer 1 a 3, vnější detekovala sonda Luna 1. Oba pásy jsou mimořádným nebezpečím jak pro kosmické sondy, tak pro člověka. Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

Pohyby nabitých částic

Nabité částice reagují na elektrická a magnetická pole. Základním pohybem v poli elektrickém je urychlování ve směru siločar. Kolmo na siločáry se částice pohybuje počáteční rychlostí (pole jakoby nepůsobí), podél siločar je pohyb rovnoměrně zrychlený (pole způsobuje konstantní zrychlení). Složením obou pohybů vzniká parabolická trajektorie. V případě relativistických rychlostí nejde o parabolu, ale o hyperbolický kosinus.

V magnetickém poli je situace do jisté míry opačná. Magnetické pole nemění pohyb částice ve směru siločar, ale síla působí kolmo na siločáry a na rychlost částice. Proto se částice pohybují podél siločar po šroubovicích (jde o kombinaci rovnoměrného pohybu podél siločáry a pohybu po kružnici v rovině kolmé na siločáry). Tomuto základnímu pohybu říkáme gyrace (gyrační pohyb nebo také Larmorova rotace). Poloměr pohybu částice se nazývá Larmorův poloměr. Situace se může komplikovat, pokud se magnetické pole prostorově nebo časově mění. V oblastech silnějšího pole (hustších magnetických siločar) může dojít k odrazu nabité částice (tomuto jevu říkáme magnetické zrcadlo).

V případě, že jsou přítomna obě pole – elektrické i magnetické – dochází navíc k driftům. Drifty jsou souhrnným názvem pro skupinu pohybů, při nichž se gyrační střed posouvá kolmo na magnetické pole. V našem případě se gyrující částice vydá kolmo na pole magnetické i elektrické. Jaký k tomu má důvod? Částice se při gyračním pohybu dostává do různých oblastí elektrického potenciálu a podle toho upravuje svou rychlost. Tím se ale mění gyrační poloměr. A zkuste si nakreslit kružnici, u níž měníte její poloměr! Začne se odvalovat do boku. K driftům dochází i v přítomnosti gravitačního pole nebo když jsou magnetické siločáry zakřivené (drift zakřivení). Na jedné otočce částice se pole musí změnit jen málo, jinak by pohyb byl ještě složitější.

Pohyby částic v magnetickém dipólu Země. Základním periodickým pohybem je Larmorova rotace (gyrace) nabitých částic kolmo na magnetické siločáry zemského dipólu. Částice se pohybují po šroubovicích podél siločar. V polárních oblastech, kde je pole silnější, se některé z nich odrážejí, a tím dochází k druhému periodickému pohybu – pendlování mezi póly. A je zde ještě třetí periodický pohyb. Částice pomalu driftují v zakřiveném magnetickém poli v azimutálním směru: elektrony na východ a protony na západ. Kresba Ivan Havlíček.

Pokud protéká vodičem elektrický proud, vytváří se kolem něho magnetické pole. Stejně tak se magnetické pole vytváří i kolem každé pohybující se nabité částice. Pokud tato částice krouží (gyruje), je vzniklé magnetické pole proměnné v čase. A proměnné magnetické pole vytváří vždy proměnné pole elektrické (jev elektromagnetické indukce). Vzájemně provázaná časově proměnná elektrická a magnetická pole nejsou ničím jiným než elektromagnetickou vlnou. Gyrující nabité částice tedy vyzařují elektromagnetické vlny. U pomalu se pohybujících částic hovoříme o cyklotronním záření, u relativistických rychlostí o synchrotronním zářeníSynchrotronní záření – záření generované relativistickými elektrony rotujícími kolem magnetických siločar nebo elektrony kmitajícími v měnícím se magnetickém poli. Jde o záření s výraznou polarizací, ze které je možné určit směr magnetického pole. Záření je polarizováno v rovině dráhy elektronu, soustředěno do úzkého kužele, vyzařováno v původním směru pohybující se částice a má spojité spektrum.. Nabité částice zachycené zemským magnetickým polem tedy konají gyrační pohyb, pendlují od pólu k pólu, driftují v azimutálním směru a vyzařují elektromagnetické vlny.

Van Allenovy pásy

O tom, že by zemské magnetické pole mohlo zachytit nabité částice, uvažoval na počátku 20. století už norský fyzik Kristian Birkeland. Birkeland také jako první pochopil souvislost polárních září s elektrony slunečního větru a postavil malý model Země, tzv. terrelu, na které tyto jevy zkoumal. Pásy intenzivního záření nalezl americký astrofyzik James Van Allen (1914–2006) až v roce 1958, kdy byl možný průzkum blízkého okolí Země z družic. Allen prosadil umístění Geigerových počítačů na družice Explorer I a Explorer III a na základě jejich měření objevil silný radiační pás, kterému dnes říkáme vnitřní Van Allenův pás. Z měření sovětské sondy Luna 1 byl v roce 1959 objeven ještě vnější pás. Intenzivní elektromagnetické záření pochází z nabitých částic slunečního větruSluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou Sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. a kosmického zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku.. Zjednodušeně lze říci, že pro vnější pás jsou charakteristické zachycené elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. s vysokou energií a pro vnitřním pás energetické protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.. Nicméně situace je složitější, oba pásy obsahují také elektrony a protony s nižšími energiemi a některé ionty. Poloha pásů se s časem mění, za normální situace jsou od ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. ve vzdálenosti 1,2÷7 R_Z. Dolní hranice je ve výšce 1 000 km, horní maximálně 50 000 km. Pásy jsou omezeny na zeměpisné šířky menší než 65°. Vnější pás má největší intenzitu ve vzdálenosti 4÷5 R_Z. Hlavní složku tvoří elektrony slunečního větru s energiemi 0,1÷10 MeV. Elektrony jsou urychlovány magnetosférickými hvizdyHvizdy – nízkofrekvenční elektromagnetické vlny (300 Hz až 30 kHz) šířící se podél magnetických siločar. Charakteristické je krátkodobé trvání s postupně klesající frekvencí vlny. Jde o modifikaci R vln. Poprvé byly pozorovány v kanálech blesků na Zemi Barkhausenem v roce 1919. na značné energie, takovým elektronům říkáme zabijácké elektrony. Ve vnějším pásu se nacházejí i protony, alfa částice a ionty kyslíku. Vnitřní pás obsahuje elektrony s energiemi ve stovkách keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. a protony s energiemi přes 100 MeV. V Jižní atlantické anomálii se tento pás může přiblížit k povrchu Země až do výšky 200 km (je to způsobeno tím, že zemský magnetický dipól nemá střed přesně ve středu Země). Kosmonauté, kteří proletěli radiačním pásem, popisují světelné záblesky podobné meteorům, které viděli i se zavřenýma očima. Záblesky byly pravděpodobně vyvolány dopadem nabitých částic na sítnici oka. Radiační pásy jsou nebezpečné pro člověka i přístroje, proto se jim vesmírné mise snaží vyhýbat. Dnes jsou známy i radiační pásy u JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. a SaturnuSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm⁻³ je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou..

Na dobové fotografii je tým, který připravoval start první americké družice Explorer 1. Start se uskutečnil dne 1. února 1958. Družice na snímku je model v měřítku 1:1. Zleva doprava jsou William Pickering (ředitel NASA JPL), James Van Allen (Univerzita v Iowě, řídil vývoj přístrojové části) a Wernher von Braun (U.S. Army Ballistic Missile Agency). Zdroj: NASA.

Objev třetího pásu

V bulletinech AB 39/2009 a AB 34/2011 jsme referovali o výzkumu Van Allenových pásů družicí Pamela a o objevu antiprotonů ve vnitřním pásu v roce 2011. V roce 2012 startovala nová dvojice amerických sond určená výhradně k výzkumu Van Allenových radiačních pásů. Sondy měly před startem označení RBSP (Radiation Belt Storm Probes, Sondy k výzkumu bouří v radiačních pásech). Po úspěšném startu dne 30. srpna 2012 byly přejmenovány na sondy Van Allen A a B. Každá ze sond má hmotnost kolem 750 kg, nejnižší bod dráhy je ve výšce 700 km, nejvyšší ve vzdálenosti 5,8 R_Z. Satelity jsou vybaveny přístroji pro měření elektrického a magnetického pole, detektory částic, spektrometrem relativistických částic a přístrojem pro detekci iontů. Životnost obou sond se předpokládá dva roky. Satelity létají v tandemu a jejich hlavními cíly je studium urychlování částic, hledání mechanizmů zániku částic a sledování změn radiačních pásů v průběhu geomagnetických bouří. První úspěch se dostavil hned 2. září 2012. Satelity sledovaly neobvyklou dynamiku Van Allenových pásů a na dobu delší než měsíc se mezi oběma pásy objevil třetí ostře ohraničený torus nabitých částic. V novém pásu byly detekovány elektrony s energií vyšší než 2 MeV a pás se nacházel mezi 3÷3,5 R_Z. Zdá se, že struktura Van Allenových pásů je mnohem komplikovanější, než se očekávalo, a že zde probíhá řada dosud neprozkoumaných procesů. Můžeme se proto těšit na další výsledky z těchto výjimečných sond.

Třetí radiační pás nalezený dvojicí sond Van Allen A a B. Zdroj: NASA.

Sondy Van Allen A a B. Zdroj NASA.

Logo mise sond Van Allen. Zdroj: NASA.

Klip týdne: Třetí Van Allenův pás

Van Allenovy radiační pásy byly objeveny před půl stoletím. Po celou dobu panovala představa, že jsou zformovány ze dvou oblastí – vnitřního a vnějšího pásu. V těchto oblastech jsou zemským magnetickým polem zachyceny nabité částice s vysokou energií. Pozorování z dvojice amerických sond Van Allen z roku 2012 ale vedla k objevu třetího pásu nabitých částic, který byl vklíněn mezi oba dva známé pásy po dobu delší než měsíc. Není zřejmé, zda šlo o výjimečný, nebo naopak o běžný jev. Zdroj: NASA/Goddard Space Flight Center. (mp4)

Odkazy