Postaram się wyjaśnić pewną kwestię, będącą osobliwym  fenomenem doby internetowej. Fenomen ten polega na tym, iż od czasu do czasu ktoś „odkrywa Amerykę”, niczym kotlet odgrzewany po raz nie wiadomo który. A na dodatek jest to kotlet schabowy z resztek mielonego. Bodaj ostatnim krzykiem takiej internetowej mody, na który się natknąłem,  jest negowanie zrealizowania programu lotów człowieka na Księżyc, znanego pod nazwą „APOLLO”. Objawem takiej mody stało się zaprzeczanie faktowi zmaterializowania się wspomnianej misji.  Obrazy transmisji telewizyjnej z powierzchni Księżyca  traktowane są jako klasyczny matrixowy fake, czyli że była to li tylko inscenizacja ustawiona dla potrzeb  planu filmowego.  Rolujący po netowych forach ową „sensację” przywołują,  jako kluczowy argument za niemożnością realizacji lotów załogowych na Księżyc, istnienie wokół Ziemi pól radiacji, nazywanych pasami van Allena, w których natężenie szkodliwego promieniowania byłoby zabójcze dla członków takiej ekspedycji.

Powyższe zagadnienie wcale nie należy do najprostszych, nic zatem dziwnego że u wielu „humanistów” wywołuje zamęt w głowie, a u mniej odpornych z nich nawet coś na podobieństwo „kociokwiku”. Spróbuję rzecz rozjaśnić z intencją, że to komuś na coś się przypada.

**************

James Alfred Van Allen (1914 – 2006) był amerykańskim fizykiem, specjalizującym się w badaniach magnetosfery ziemskiej (naukowiec pracujący na uniwersytecie stanowym Iowa w Iowa City i na uniwersytecie Johna Hopkinsa w Baltimore), który w latach 40-tych XX wieku pracował nad budową rakiet, w tym wystrzeliwanych z balonów, które miały wspomóc badanie górnych warstw atmosfery oraz jej obszarów granicznych z przestrzenią kosmiczną. Doświadczenie, które zdobył przy budowie aparatury przeznaczonej do wskazanych celów, spowodowało że na pokładzie pierwszego amerykańskiego sztucznego satelity Explorer 1, wyniesionego na orbitę okołoziemską w styczniu 1958 r. (niecałe 4 miesiące po wyniesieniu na orbitę pierwszego sowieckiego  satelity - Sputnika 1), zostało umieszczone zaprojektowane przez niego urządzenie do badania natężenia promieniowania kosmicznego. Był to licznik Geigera-Mullera o zmodyfikowanym zakresie czułości. Badanie wykazało istnienie wyraźnie zwiększonego natężenia promieniowania w przedziale wysokości mniej więcej od 1000 km do 10 000 km. Kolejny satelita wyniesiony w grudniu tego samego roku, czyli Pionieer 3, również zarejestrował jeszcze inny obszar zwiększonego promieniowania, w przedziale odległości nad Ziemią od 10 000 do 60 000 km. Ww. satelity zebrały pierwsze dane o obszarach radiacji, które nazwano Pasami Van Allena. Wówczas nie znana była jeszcze dokładnie natura, skala i siła ich radiacji, natomiast dane potraktowano jako ostrzeżenie przed ewentualnymi lotami ludzi poza obszar magnetosfery ziemskiej. Należało wcześniej zbadać strukturę i siłę promieniowania w wykrytych pasach radiacji, na ile to tylko będzie możliwe. 

Pasy radiacji van Allena to chmury naładowanych cząsteczek znajdujących się w pobliżu Ziemi. Nie są to szczelne sfery otaczające Ziemię, gdyż występują one tylko w zakresie kąta o rozmiarze ok. 20 stopni w każdą stronę od biegunów magnetycznych, a następnie rozszerzają się. Dobrym przybliżeniem będzie wyobrazić je sobie na kształt opony, w której pustym centrum znajduje się Ziemia. Chmury te nie mają regularnego kształtu - znajdują się pomiędzy 1000 km do 10 tys. km od powierzchni naszej planety dla pasa wewnętrznego i pomiędzy 18 tys. i 60 tys. km dla zewnętrznego.

Wizualizacja:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/firebird-ii-and-nasa-mission-locate-whistling-space-electrons-origins

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/studying-the-van-allen-belts-60-years-after-america-s-first-spacecraft

Zrozumienie środowiska pasa promieniowania i jego zmienności ma praktyczne zastosowanie w obszarach operowania statków kosmicznych, przy projektowaniu systemów elektronicznych tych statków, planowania misji i bezpieczeństwa astronautów było celem programu NASA o nazwie Van Allen Probes. W jej ramach wystrzelono w sierpniu 2012 r. dwie sondy Radiation Belt Storm Probes (RBSP), które przez okres siedmiu lat orbitowały pośród pasów van Allena. W 2019 r. zostały one dezaktywowane z powodu wyczerpania baterii zasilających pracę ich podzespołów. Oszacowano, iż ich orbita za 10 lat (minimum) obniży się na tyle, że znajdą się w ziemskiej atmosferze i w niej spłoną.

Z misją Van Allen Probes współpracowała w okresie od grudnia 2012 r. do stycznia 2013 r. i od grudnia 2013 r. do stycznia 2014 r. misja Balloon Array for Radiation-belt Relatywistic Electron Loss (BARREL). W ramach projektu BARREL uruchomiono serię badań z wykorzys-taniem balonów na dużych wysokościach podczas czterech sesji naukowych: styczeń - luty 2013 i grudzień 2013 - luty 2014 na Antarktydzie, sierpień 2015 i sierpień 2016 w Szwecji. W przeciwieństwie do balonów wielkości boiska piłkarskiego, które wystrzeliwano w kierunku bieguna,  w tych badaniach użyto balonów o mniejszych rozmiarach (27 metrów średnicy). Ostatni balon został wystrzelony 30 sierpnia 2016 r. W ramach programu BARREL przeprowadzono ogółem osiem lotów testowych i 55 lotów naukowych. Każdy balon programu BARREL zawierał przyrządy do pomiaru cząstek wyrzucanych z pasów radiacji, które docierają do atmosfery ziemskiej. Porównanie tych danych z zebranymi przez sondy pozwoliło skorelować zmiany w pasach promieniowania z liczbą wyrzucanych cząstek.

W tle eksploracji kosmosu powinniśmy pamiętać okoliczność, iż wraz z wystrzeleniem na orbitę pierwszego sowieckiego satelity rozpoczął się „kosmiczny wyścig”  kto pierwszy poleci dalej. Gdy w początkach stycznia 1959 r. Sowieci wystrzelili w stronę Księżyca pierwszą sondę o poetyckim imieniu „Marzenie” (Mieczta), u nas znaną pod sygnaturą Łuna 1, Amerykanie serio wzięli się do roboty i na dzisiaj odstawili wszelką konkurencję o wiele długości. I chociaż to konkretne „marzenie” nie spełniło się, gdyż sonda Mieczta nie trafiła w Księżyc, tylko minęła go o 6 000 km, stając się, co prawda „niechcący”, pierwszym sztucznym obiektem wysłanym przez ludzkość  w przestrzeń międzyplanetarną. Sygnał od sondy zanikł po przekroczeniu dystansu 600 000 km od Ziemi, gdyż pojemność jej baterii nie była przewidziana na lot o tyle dłuższy.
Kolejny problem powstał wówczas, gdy aktywność pasów van Allena zwiększyła się w wyniku realizacji testu Starfish Prime  (Pierwsza rozgwiazda) w 1962 r., czyli eksplozji amerykańskiego ładunku termojądrowego o mocy 1,4 megatony na wysokości 400 km nad środkowym Pacyfikiem. W jej wyniku radiacja pasów została dodatkowo zasilona ogromną ilością substancji radioaktywnych, które nawet czasowo utworzyły nowy, sztuczny pas. Oszacowano, że wysokoenergetyczne elektrony, jako skutek wybuchu, będą uwięzione w tym obszarze przez około 5 lat, czyli realizacja lotów poza ziemską magnetosferę (czyli loty na Księżyc) została przesunięta na czas po 1967 r. Dopiero wtedy zagrożenie radiacyjne nie powinno było być już groźne.

W 1968 r. sowiecki próbnik Sonda 5 przeleciał przez Pasy Van Allena z kilkoma zwierzętami na pokładzie. Wróciły one bez szkód na zdrowiu. Eksperyment ten stanowił potwierdzenie przewidywań teoretycznych.

Przy planowaniu lotów poza orbitę okołoziemską (głównie program  APOLLO) wiedziano o zagrożeniu, ale ustalono, że nie jest ono znaczące, zaś jego skutki będą możliwe do zminimalizowania za pomocą ekranowania. Wysłana w 1968 r. misja bezzałogowego statku Apollo 6 miała za zadanie zmierzenie poziomu rzeczywistej radiacji. Był on zgodny z przewidywaniami i porównywalny z dawkami jakie otrzymuje się w trakcie medycznych prześwietleń.

Pierwszymi ludźmi, którzy przelecieli przez Pasy van Allena, byli astronauci misji Apollo 8  zrealizowanej w grudniu 1968 r., tuż przed świętami Bożego Narodzenia. Wg raportu opublikowanego przez NASA zakumulowana dawka promieniowania, jaką otrzymali członkowie załogi tej ekspedycji, wynosiła1,6 milisiwertów (mSv).

[milisiwert to tysięczna część siwerta. Siwert jest jednostką układu SI określającą dozę promieniowania jonizującego (gamma) wchłanianą przez organizm żywy. Wielkość dawki tego promieniowania dla organizmów żywych określił Rolf Maximilian Sievert (1896 – 1966), szwedzki fizyk medyczny. Siwert to odpowiednik 1 dżula (J) na cm kwadratowy (dżul – jednostka energii)]

To była dawka dodatkowa ponad poziom promieniowania naturalnego na powierzchni naszej planety, która „obdarza” każdego z jej mieszkańców  rocznym przydziałem wielkości ok. 6,2 mSv rocznie.

A czy wymienione wielkości dawek można porównać i z czym.

1,6 milisiwerta to np. dodatkowa dawka którą otrzymują w ciągu roku stewardessy - pracownice linii lotniczych (przebywające sporo czasu wysoko ponad powierzchnią Ziemi ). Podczas komputerowej tomografii całego ciała otrzymuje się dawkę o wielkości od 10 do 30 mSv. Z kolei 80 mSv to dawka, którą otrzymują astronauci, którzy przebywają na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przez cały rok. I choć są to dawki niezerowe, mające wpływ na ludzki organizm, to nie powodują większego ryzyka dla zdrowia.

Dawka śmiertelna wiąże się z  wchłonięciem dawki powyżej 2,5 siwerta (2500 mSv), która doprowadza do śmierci w ciągu miesiąca. Chorobę popromienną wywołuje wchłonięcie już 1 siwerta (1000 mSv), która nieleczona na ogół zakończy się śmiercią.

W jedynym znanym przypadku naświetlenia dawką 100 siwertów śmierć nastąpiła po 38 godzinach, ale ofiara straciła przytomność już w ciągu pierwszych kilku minut.

Trajektoria misji Apollo 11 (która zrealizowała lądowanie na Księżycu) została dobrana tak, aby zminimalizować wpływ Pasów van Allena. Przelot przez nie trwał łącznie 90 minut, w tym tylko 10 minut przez warstwę o maksymalnej intensywności. Podczas tej misji astronauci nosili dozymetry. Odczyt z urządzeń wykazał, że lot w obie strony zakumulował w ich organizmach dawkę nie większa niż 2,8 mSv.
 
Obecnie ludzie przelatują przez Pasy van Allena dość częstopodczas pobytu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) , która przecina anomalię Pasów nad południowym Atlantykiem, znajdującą się na tyle blisko powierzchni Ziemi, że trajektoria stacji musi na nią zachodzić. Oczywiście ekipę stacji chronią przed zwiększoną radiacją skuteczne osłony.

Wiemy dziś, że w pasach radiacyjnych są wysokoenergetyczne cząstki, uwięzione przez ziemskie pole magnetyczne. Nadal nie jest jasne ich szczegółowe oddziaływanie z wiatrem słonecznym i zmianami w magnetosferze – kontynuowane są i uruchamiane międzynarodowe programy badania pogody kosmicznej, aby lepiej chronić satelity i astronautów, ponieważ przelot przez pasy radiacji może uszkadzać elektronikę.

Otóż oś obrotu Ziemi oraz jej oś magnetyczna (w przybliżeniu reprezentowana przez oś dipola magnesu sztabkowego) nie pokrywają się, ale są przesunięte względem siebie o około 10 stopni. Z tego względu Pasy Van Allena, które są symetryczne względem równika geomagnetycznego, nie znajdują się w równej odległości od każdego miejsca na planecie. Zawsze z jednej strony będą bardziej przybliżać się do Ziemi. Taka konfiguracja występuje na terytorium Brazylii oraz na południowym Atlantyku, gdyż tam granica wewnętrznego pasa Van Allena znajduje się najbliżej powierzchni naszej planety. Rejon ten nazywa się Anomalią Południowoatlantycką. Wszystko to razem tworzy skomplikowany układ  przestrzenny na który oddziaływają zarówno ruchy w płynnym wnętrzu Ziemi (zmiany prędkości obrotu jądra planetarnego), jak i oddziaływanie wiatru słonecznego. Dodatkowo, do ostatecznego kształtu ziemskiego pola magnetycznego dokładają swój udział prądy płynące w jonosferze, a także przewodność oceanów.

Wiedzę na ten temat uzyskaliśmy  w ramach projektu SWARM, zrealizowanego  przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), tj. pomiarów satelitarnych (trzy satelity) w okresie od stycznia do czerwca 2014 r. Zebrane dane pozwoliły na wyliczenie uśrednionej wartości pola magnetycznego na całej powierzchni Ziemi.
https://scitechdaily.com/listen-to-the-scary-sounds-of-earths-magnetic-field-captured-by-swarm-satellite-mission/#google_vignette

Ale zagrożenia radiacyjne w przestrzeni kosmicznej  wcale nie kończą się na Pasach Van Allena.

Inną i to dużo poważniejszą groźbę stanowi promieniowanie jonizujące Słońca, a zwłaszcza skumulowana radiacja niesiona wybuchami materii słonecznej wyrzucanej w przestrzeń międzyplanetarną oraz jej konsekwencje, zwłaszcza dla długotrwałych lotów załogowych (np. ekspedycji na Marsa).

A to ewentualny temat na odrębną notkę.

********

Wykaz moich notek na portalu "Szkoła Nawigatorów" pod linkiem:

http://stanislaw-orda.szkolanawigatorow.pl/troche-prywaty

 

 

 

 

 

 

 

 

---

tagi: pasy radiacji van allena 

	stanislaw-orda
	18 lutego 2023 16:53

14     1313    9 zaloguj sie by polubić