کمربند تشعشعی زمین

دید کلی:

پس از کشف اشعه کیهانی ( جریانات ذره ای ، وارد شده به میدان مغناطیسی زمین از فضا )، پیشرفت در این شاخه بی نهایت مهم و جدید فیزیک تقریبا به طور کامل به ارتفاعی بستگی داشت که دانشمندان دستگاههای پیچیده و شمارنده های خود را در سال به نمایش م ی گذاشتند. در این حال از رصدخانه های کوهستانهای بلند ، آزمایشگاه ها، بالون ، آزمایشات و غیره استفاده می شده است.بنابرین حتی بالاترین ارتفاع حاصل (20 تا 80 کیلومتر ) برای حمل دستگاه ها به آن سوی لایه های نسبتا متراکم جو کافی نبوده و این مسئله تفکیک اشعه کیهانی اولیه (مهم ترین جزء جریان های ذره ای ) را از کل جریان های ذره ای ثبت شده ، مشکل می ساخت.

طبیعی است که قسمت حساسموشک هایی که ابتدا وارد فضای خارجی تر می شوند به طور اساسی شامل وسایل مختلفی جهت مطالعه ذرات باردار باشد. علائمی که از دستگاه های ارسالی ، به طور اتوماتیک و بسیار ابتدایی به زمین می رسید بسیار باعث تعجب دانشمندان گردید. در ارتفاعات معینی ، آزمایشگاه های فضایی خود را درلایه هایی یافتند که به شدت از ذرات باردار پر انرژی اشباع شده بود. این ذرات باردار به طور وسیعی با اشعه کیهانی اولیه و ثانویه تفاوت دارند.

تاریخچه پیدایش:

این پدیده درحین پرواز اقمار مصنوعی روسی و آمریکایی آشکار شد. و برای مدت ها دانشمندان از اختلاف شدید در اطلاعات حاصله متعجب و حیران بودند. بنابرین ، به زودی این معما تفسیر گردید. یک دانشمند روسی ، ورنوف ( vernov) و تقریبا به طور هم زمان فیزیکدان آمریکایی وان آلن ( van Allen ) ثابت کردند که سطح زمین در سطح استوا به وسیله دو کمربند ( مطابق با اطلاعات جدید تر حتی سه کمربند ) نسبتا مجزا «مگنتوسفر ها ) احاطه شده است.

نحوه پی بردن به وجود کمربند تشعشعی زمین:

این کمربند ها بطور غلیظی به وسیله ذرات باردار با بارها ، انرژی ها و جرم های مختلف اشغال شده اند. غلظت ذرات در هر یک از این کمر بند ها از مرزی به مرز دیگر تفاوت دارد، و فضای اطراف قطب ها عملا عاری از ذرات باردار می باشد.

پس از اولین پرتاب موشک و پرواز اقمار مصنو عی ، به کمک اطلاعات حاصله ، معلوم شد که ذرات باردار به وسیله میدان های مغناطیسی زمین جذب شده اند.

هر ذره بارداری که یک مرتبه وارد میدان مغناطیسی زمین شود ، شروع به پیچ خوردن حول خطوط نیرو کرده و به طور مداوم در طول آنها حرکت می کند.

میزان پیچش مارپیچ های اولیه بستگی به سرعت اولیه جرم و بار الکتریکی آنها دارد. علاوه بر آن به شدت میدان مغناطیسی زمین در ناحیه ای از دایره فضایی که ذرات وارد آن شده و تغییر جهت داده اند، نیز بستگی دارد. زیرا میدان مغناطیسی زمین در نواحی مختلف آن یکسان نمی باشد. نزدیک قطب متراکم تر (غلیظ تر )می گردد.

ذره بارداری که در طول خط مغناطیسی به صورت مار پیچ حرکت می کند، از ناحیه نزدیک به استوا حرکت نموده و چون به یکی از قطبین می رسد، با مقاومت در حال افزایشی مواجه شده و متوقف می شود. سپس به طرف استوا برگشته و بیشتر به طرف قطب مخالف ، یعنی در جهت عکس شروع به حرکت می کند. بدین تریب ذره در چیزی به نام تله بزرگ مغناطیسی سرگردان می شود.

موقعیت فضایی کمربندهای تشعشعی زمین:

اولین کمربند از ارتفاعی قریب 500 کیلومتر بالای نیمکره غربی و 1500 بالای نیمکره شرقی زمین شروع می شود. بالاترین غلظت ذرات در این کمربند (هسته اش ) در ارتفاع 2 تا3 هزار کیلومتری زمین قرار دارد. مرز فوقانی این کمر بند به ارتفاع 3 تا 4 هزار کیلو متری سطح زمین می رسد.

دومین کمربند از 11 – 10 هزار کیلومتری زمین شروع شده و تا ارتفاع 60 – 40 هزار کیلومتری ادامه دارد. و در ارتفاع 20 هزار کیلومتری دارای بیش ترین غلظت است.

کمربند خارجی تر (سومین کمربند) از ارتفاع 75 – 60 هزار کیلومتری شروع می شود.

مرز کمربند های مذ کور تا کنون فقط به طور تقریبی تعیین شده اند و در محدوده معینی به طور تناوبی تغییر می کنند. دانشمندان در باره نظم و ترتیب این تغییرات در حال تحقیق اند.

ساختار کمربندهای تشعشعی زمین:

با روانه ساختن سیستماتیک اقماری که وسایلی جهت کشف ذرات پرانرژی در ارتفاعات معین با خود حمل می کنند، کمربند های مذکور در حال مطالعه و بررسی می باشند. ماهیت هر یک از این کمر بند ها نسبت به دیگری متفاوت است.

اولین آن یعنی نزدیک ترین کمربند به زمین ، محتوی پروتون های مثبت حامل انرژی بسیار زیاد است ( بالغ برMev 100 ) فقط متراکم ترین قسمت میدان مغناطیسی زمین آن ها را جذب کرده و نگاه می دارد.

دومین کمر بند اساسا محتوی الکترون های با انرژی 100-30 کیلو الکترون ولت ( Kev ) می باشد.

کمربند سوم که میدان مغناطیسی زمین در آن ضعیف تر است ، محتوی ذراتی با انرژی ev 200 یا بیشتر است.

با توجه به این که اشعه معمولی که در صنعت دارو سازی به کار می رود محتوی انرژی 30 تا 40 کیلو الکترون ولت بوده یا هنگامی که دستگاه های قوی برای تابش به قطعات بزرگ و توده های فلزی ، ذرات اتمی را از Mev 200 تا Mev 2 سرعت می دهند.

خطر بزرگ این کمربند ها( مخصوصا اول و دوم ) برای انسان و جانوران و مسافرانی که در آینده به دیگر سیارات مسافرت می کنند، به سهولت حس می شود. به همین دلیل دانشمندان با کوشش و زحمت هر چه تمام تر ، سعی در تعیین تمر کز دقیق و شکل این کمربند ها و کیفیت پخش ذرات آن دارند. تا کنون فقط یک چیز معلوم شده است .

نواحی نزدیک به قطب های مغناطیسی زمین از ذرات پر انرژی آزاد بوده و می توان از آن ها به عنوان دالان های هدایت کننده کشتی های فضایی حامل سرنشین به سوی دنیاهای دیگر استفاده نمود.

منشا پیدایش کمربندهای تشعشعی زمین:

طبیعی است که این سوال مطرح می شود این ذرات تشکیل دهنده کمربندهای تشعشعی از کجا آمده اند؟ آنها اساسا از اعماق خورشید پرت شده اند. زمین علیرغم فاصله اش با خورشید ، دقیقا در خارجی ترین منطقه اتمسفر آن قرار دارد. زیرا هر زمان که فعالیت خورشیدی زیاد می شود و به تعداد ذرات منتشر شده از خورشید و نیز انرژی آن ها افزوده می گردد. تعداد الکترون ها در کمربند تشعشعی دوم نیز افزایش یافته و کمربند به طرف زمین فشرده تر می شود. و مثل این است که تحت فشار این ذرات ، کمربند پیچ خورده است.

دلیل دیگر آن که ذرات در تله مغناطیسی زمین گیر کرده ، آن دسته از ذراتی هستند که انرژی آنها برای گذشتن از کمربند غیر کافی بوده است. ذراتی که دراثر برخورد اشعه کیهانی اولیه پر انرژی با اتم های بیرونی ترین و بی نهایت رقیق شده لایه های جو ، به وجود می آیند و دراین تله بزرگ قرار می گیرند.

کمربندهای تشعشعی در نقش حفاظهای الکترومغناطیسی زمین:

لایه های جو بیشتر از آن چه که تصور می شد ، تقریبا تا مسافت 150 کیلومتری از سطح زمین توسعه یافته اند. ما حتی تجسم نکرده ایم که جو شفاف و تقریبا غیر محسوس و نیز میدان مغناطیسی کاملا غیر قابل روئت و غیر محسوس سیار ، همان ، سایبان های قابل اطمینانی برای بشر و به طور کلی موجودات زنده می باشند. ماده زنده نیز به طور کاملی در طول صد ها میلیون سال ، خود را به قسمت های کوچکی از تشعشعات نفوذ کرده و از دو زره طبیعی زمین تطبیق داده است مشکل است. تصور کنیم اگر زمین به طور کاملی از تمام انواع تشعشعات کیهانی حفظ نمی شد، زندگی از روی زمین برداشته شده بود.

بشری که در حال پرواز به فضا های خارجی تر است ، به طور اتوماتیک از سایبان های نجات دهنده خویش اتمسفر زمین و میدان مغناطیسی آن ) محروم شده و در نتیجه به طور ناگهانی تحت تاثیر تمام انواع تشعشعات قرار می گیرد. کمربند های تشعشعی زمین به علت غلظت و انرژی زیاد الکترون هایی که درآن به دام افتاده اند، بسیار خطرناک اند. تمام الکترون های با انرژی بالای Kev 10 به دیواره ها و هر ماده فلزی سفینه فضایی ضربه زده و باعث تشعشع ناشی از توقف می شود و اشعه حاصل شبیه به ذرات ، ماده سلول ها و بدن انسان را یونیزه کرده و سبب هلاک وی می گردد.

ساده ترین روش برای حفظ سرنشینان سفینه از تشعشعات مذکور افزایش ضخامت دیواره های سفینه و احاطه کردن آن ، مثلا با یک لایه ضخیم سرب می باشد. و این طور اجتناب ناپذیری کشتی فضایی را سنگین خواهد کرد. به تناسب فشار خارجی ، دانشمندان کوشش می کنند این اشکال را با قرار دادن یک میدان مصنوعی مغناطیسی یا الکتریکی در اطراف سفینه فضایی ، برطرف نمایند (شبیه به زمین ) این میدان آنقدر قوی است که تمام ذرات مهاجم را دفع می کند.

در عین حال دانشمندان در حال تحقیق روش های دیگر حفاظت می باشند. برای مثال دارو هایی که اثرات مضر تشعشع را به روی سلول های ارگانیسم محو کرده و یا به تندی کاهش دهد. بعضی دانشمندان معتقدند که اگر سرنشینان سفینه را در خواب هیپنوتیک فرو برند و یا به حالت آنابیوز سرد نمایند، در آن حال تمامی عوارض حیاتی بدن به مقدار زیادی کند شده و در نتیجه مقدار اکسیژن مصرفی کاهش یافته و ضرر تحمیلی حاصل از تشعشعات یونیزه کننده بر سلول ها کم می شود.