Ia adalah fakta yang diketahui bahawa lapisan ozon Bumi melindungi kita daripada banyak sinaran ultra ungu Matahari. Jika bukan kerana halangan pelindung di sekeliling planet kita ini, kemungkinan permukaan kita akan serupa dengan landskap lasak dan tidak bermaya yang kita perhatikan di Marikh.
Di sebalik halangan ini terletak satu lagi - satu siri perisai yang dibentuk oleh lapisan zarah bercas bertenaga yang dipegang oleh medan magnet Bumi. Dikenali sebagai tali pinggang sinaran Van Allen, dinding ini menghalang elektron terpantas dan paling bertenaga daripada sampai ke Bumi.
Dan menurut penyelidikan baru dari probe Van Allen NASA, kini nampaknya tali pinggang ini mungkin hampir tidak dapat ditembusi, satu penemuan yang boleh mempunyai implikasi serius untuk penerokaan dan penyelidikan angkasa lepas.
Kewujudan tali pinggang zarah bercas yang terperangkap oleh magnetosfera Bumi telah menjadi subjek penyelidikan sejak awal abad ke-20. Walau bagaimanapun, hanya pada tahun 1958 kapal angkasa Explorer 1 dan Explorer 3 mengesahkan kewujudan tali pinggang itu, yang kemudiannya akan dipetakan oleh misi Explorer 4, Pioneer 3, dan Luna 1.
Dua jalur sinaran gergasi mengelilingi Bumi. Sabuk dalam dikuasai oleh proton dan yang luar oleh elektron. Kredit: NASA
Sejak masa itu, saintis telah menemui banyak tentang tali pinggang ini, termasuk bagaimana ia berinteraksi dengan medan lain di sekeliling planet kita untuk membentuk penghalang yang hampir tidak dapat ditembusi kepada elektron masuk.
Penemuan ini dibuat menggunakan Probes Van Allen NASA, yang dilancarkan pada Ogos 2012 untuk mengkaji rantau ini. Menurut pemerhatian yang dibuat oleh probe, rantau ini boleh menjadi lilin dan berkurangan sebagai tindak balas kepada tenaga yang masuk dari matahari, kadangkala membengkak cukup untuk mendedahkan satelit di orbit Bumi rendah kepada radiasi yang merosakkan.
'Penghalang untuk elektron ultra-laju ini adalah ciri yang luar biasa bagi tali pinggang,' kata Dan Baker, seorang saintis angkasa lepas di Universiti Colorado di Boulder dan pengarang pertama kertas itu. 'Kami dapat mengkajinya buat kali pertama, kerana kami tidak pernah mempunyai pengukuran yang tepat bagi elektron tenaga tinggi ini sebelum ini.'
Memahami perkara yang memberikan bentuk tali pinggang sinaran dan perkara yang boleh menjejaskan cara ia membengkak atau mengecut membantu saintis meramalkan permulaan perubahan tersebut. Ramalan sedemikian boleh membantu saintis melindungi satelit di kawasan itu daripada sinaran.
Dalam beberapa dekad sejak ia pertama kali ditemui, saintis telah mengetahui bahawa saiz dua tali pinggang boleh berubah - atau bergabung, atau bahkan berpisah menjadi tiga tali pinggang sekali-sekala. Tetapi secara amnya tali pinggang dalam terbentang dari 644 km hingga 10,000 km (400 – 6,000 mi) di atas permukaan Bumi manakala tali pinggang luar terbentang dari 13,500 t0 58,000 km (8,400 – 36,000 batu).
Penyampaian artis Van Allen Probes A dan B di orbit Bumi. Kredit: NASA
Sehingga kini, saintis tertanya-tanya mengapa kedua-dua tali pinggang ini wujud secara berasingan. Mengapa, mereka tertanya-tanya, adakah terdapat ruang yang agak kosong antara kedua-duanya yang kelihatan bebas daripada elektron? Di situlah halangan yang baru ditemui masuk.
Data Van Allen Probes menunjukkan bahawa pinggir dalam tali pinggang luar, sebenarnya, sangat jelas. Untuk elektron terpantas, tenaga tertinggi, pinggir ini adalah sempadan tajam yang, dalam keadaan biasa, tidak boleh ditembusi.
'Apabila anda melihat elektron yang benar-benar bertenaga, ia hanya boleh sampai dalam jarak tertentu dari Bumi,' kata Shri Kanekal, timbalan saintis misi untuk Probes Van Allen di Pusat Penerbangan Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland, dan rakan sekerja. pengarang pada kertas Nature. “Ini benar-benar baharu. Kami pastinya tidak menjangkakan itu.”
Pasukan itu melihat kemungkinan punca. Mereka menentukan bahawa penghantaran yang dijana manusia bukanlah punca halangan. Mereka juga melihat punca fizikal, bertanya sama ada bentuk medan magnet Bumi boleh menjadi punca sempadan. Walau bagaimanapun, saintis NASA mengkaji dan menghapuskan kemungkinan itu dan menentukan bahawa kehadiran zarah angkasa lain nampaknya menjadi punca yang lebih berkemungkinan.
Awan gas bercas yang sejuk mengelilingi Bumi yang dipanggil plasmasfera (dilihat di sini dalam warna ungu), berinteraksi dengan zarah dalam sabuk sinaran Bumi (ditunjukkan dalam warna kelabu). Kredit Gambar: NASA/Goddard
Sabuk sinaran bukanlah satu-satunya struktur zarah yang mengelilingi Bumi. Awan gergasi zarah bercas yang agak sejuk yang dipanggil plasmasfera memenuhi kawasan paling luar atmosfera Bumi, bermula pada kira-kira 600 batu ke atas dan memanjang sebahagiannya ke luar tali pinggang Van Allen. Zarah-zarah di sempadan luar plasmasfera menyebabkan zarah dalam tali pinggang sinaran luar berselerak, mengeluarkannya dari tali pinggang.
Kesan serakan ini agak lemah dan mungkin tidak mencukupi untuk mengekalkan elektron pada sempadan tetap pada tempatnya, kecuali untuk kelainan geometri - elektron tali pinggang sinaran bergerak dengan sangat pantas, tetapi tidak ke arah Bumi. Sebaliknya, mereka bergerak dalam gelung gergasi mengelilingi Bumi.
Data Van Allen Probes menunjukkan bahawa dalam arah ke arah Bumi, elektron yang paling bertenaga mempunyai pergerakan yang sangat sedikit - hanya hanyutan lembut dan perlahan yang berlaku sepanjang beberapa bulan. Pergerakan ini sangat perlahan dan lemah sehingga ia boleh ditolak oleh penyebaran yang disebabkan oleh plasmasfera.
Ini juga membantu menjelaskan mengapa - dalam keadaan yang melampau, apabila angin suria yang sangat kuat atau letusan suria gergasi seperti letusan jisim koronal menghantar awan bahan ke angkasa dekat Bumi - elektron dari tali pinggang luar boleh ditolak ke dalam biasanya- kawasan slot kosong antara tali pinggang.
'Penyebaran disebabkan oleh plasmapause cukup kuat untuk mencipta dinding di pinggir dalam Belt Van Allen luar,' kata Baker. 'Tetapi kejadian angin suria yang kuat menyebabkan sempadan plasmasfera bergerak ke dalam.'
Aliran masuk besar-besaran jirim dari matahari boleh menghakis sfera plasma luar, menggerakkan sempadannya ke dalam dan membenarkan elektron daripada tali pinggang sinaran bergerak lebih jauh ke dalam juga.
Makmal Fizik Gunaan Johns Hopkins di Laurel, Maryland, membina dan mengendalikan Probes Van Allen untuk Direktorat Misi Sains NASA. Misi ini adalah yang kedua dalam program Living With a Star NASA, yang diuruskan oleh Goddard.
Kertas kerja mengenai keputusan ini muncul dalam keluaran 26 Nov. 2014 alam semula jadi majalah. Dan pastikan anda menonton video animasi ini yang dihasilkan oleh Pusat Angkasa Goddard yang menerangkan tali pinggang Van Allen secara ringkas:
Bacaan lanjut: NASA