Quel était le nom du scientifique qui a découvert des ceintures de radiations autour de la Terre à une altitude d'environ 10 000 milles ?
James Van Allen
Une ceinture de radiations est une couche de particules énergétiques chargées qui est maintenue en place autour d'une planète magnétisée, telle que la Terre, par le champ magnétique de la planète. La Terre possède deux de ces ceintures et parfois d'autres peuvent être créées temporairement. La découverte des ceintures est attribuée à James Van Allen et, par conséquent, les ceintures terrestres sont connues sous le nom de ceintures de Van Allen. Les ceintures principales s'étendent d'une altitude d'environ 1 000 à 60 000 kilomètres 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 provenant des rayons cosmiques. Les ceintures sont situées dans la région interne de la magnétosphère terrestre. Les ceintures contiennent des électrons et des protons énergétiques. D'autres noyaux, comme les particules alpha, sont moins répandus. Les ceintures mettent en danger les satellites, qui doivent protéger leurs composants sensibles avec un blindage adéquat s'ils passent beaucoup de temps dans les ceintures de radiations. 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 provenant du Soleil. Kristian Birkeland, Carl Størmer et Nicholas Christofilos avaient étudié la possibilité de particules chargées piégées avant l'ère spatiale. Explorer 1 et Explorer 3 ont confirmé l'existence de la ceinture au début de 1958 sous la direction de James Van Allen de l'Université de l'Iowa. Le rayonnement piégé a été cartographié pour la première fois par Explorer 4, Pioneer 3 et Luna 1.
Une ceinture de radiations est une couche de particules énergétiques chargées qui est maintenue en place autour d'une planète magnétisée, telle que la Terre, par le champ magnétique de la planète. La Terre possède deux de ces ceintures et parfois d'autres peuvent être créées temporairement. La découverte des ceintures est attribuée à James Van Allen et, par conséquent, les ceintures terrestres sont connues sous le nom de ceintures de Van Allen. Les ceintures principales s'étendent d'une altitude d'environ 1 000 à 60 000 kilomètres 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 provenant des rayons cosmiques. Les ceintures sont situées dans la région interne de la magnétosphère terrestre. Les ceintures contiennent des électrons et des protons énergétiques. D'autres noyaux, comme les particules alpha, sont moins répandus. Les ceintures mettent en danger les satellites, qui doivent protéger leurs composants sensibles avec un blindage adéquat s'ils passent beaucoup de temps dans les ceintures de radiations. 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 provenant du Soleil.

Découverte

Kristian Birkeland, Carl Størmer et Nicholas Christofilos avaient étudié la possibilité de particules chargées piégées avant l'ère spatiale. Explorer 1 et Explorer 3 ont confirmé l'existence de la ceinture au début de 1958 sous la direction de James Van Allen de 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 radiations entourant la Terre ; cependant, des ceintures de radiations similaires ont été découvertes autour d’autres planètes. Le Soleil lui-même ne supporte pas les ceintures de rayonnement à long terme, car il lui manque un champ dipolaire global stable. L'atmosphère terrestre limite les particules des ceintures aux régions situées au-dessus de 200 à 1 000 km, tandis que les ceintures ne s'étendent pas au-delà de 7 rayons terrestres RE. Les ceintures sont confinées à un volume qui s'étend à environ 65° de l'équateur céleste.

Recherche

La mission Van Allen Probes de la NASA vise à comprendre (dans la limite 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'Institut des concepts avancés de la NASA ont proposé des sondes magnétiques pour collecter l'antimatière naturellement présente dans les ceintures de Van Allen sur Terre, même si l'on estime qu'il n'existe qu'environ 10 microgrammes d'antiprotons dans l'ensemble de la ceinture.

La mission Van Allen Probes a été lancée avec succès le 30 août 2012. La mission principale devrait durer deux ans et les consommables devraient durer quatre ans. Le Goddard Space Flight Center de la NASA gère le programme global Living With a Star, dont les sondes Van Allen sont un projet, avec l'Observatoire de la dynamique solaire (SDO). Le Laboratoire de Physique Appliquée est responsable de la mise en œuvre globale et de la gestion des instruments des sondes Van Allen.

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

Ceinture extérieure

La ceinture externe est principalement constituée d'électrons de haute énergie (0,1 à 10 MeV) piégés par la magnétosphère terrestre. Il est de forme presque toroïdale, s'étendant d'une altitude d'environ trois à dix rayons terrestres (RE) ou 13 000 au-dessus de la surface de la Terre. Sa plus grande intensité se situe généralement autour de 4 à 5 RE. 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 de plasma en mode siffleur vers les électrons de la ceinture de rayonnement. Les électrons de la ceinture de rayonnement sont également constamment éliminés par les collisions avec les neutres atmosphériques, les pertes dues à la magnétopause et la diffusion radiale vers l'extérieur. Les rayons gyroscopiques des protons énergétiques seraient suffisamment grands pour les mettre en contact avec l'atmosphère terrestre. Les électrons ici ont un flux élevé et au bord extérieur (près de la magnétopause), là où les lignes de champ géomagnétique s'ouvrent dans la « queue » géomagnétique, les flux d'électrons énergétiques peuvent chuter jusqu'aux niveaux interplanétaires bas dans un rayon d'environ 100 km, soit une diminution de un facteur 1 000.

En 2014, il a été découvert que le bord intérieur de la ceinture extérieure se caractérise par un bord très pointu, en dessous duquel les électrons hautement relativistes (> 5MeV) ne peuvent pas pénétrer. La raison de ce comportement semblable à celui d’un bouclier n’est pas bien comprise.

La population de particules piégées dans la ceinture externe est variée et contient 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 oxygène O+, similaires à ceux de l'ionosphère mais beaucoup plus énergétiques. Ce mélange d'ions suggère que les particules de courant annulaire proviennent probablement de plusieurs sources.

La ceinture externe est plus grande que la ceinture interne et sa population de particules fluctue considérablement. Les flux de particules énergétiques (rayonnement) peuvent augmenter et diminuer considérablement en raison des tempêtes géomagnétiques, elles-mêmes déclenchées 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 provenant de la queue de la magnétosphère.

Le 28 février 2013, une troisième ceinture de rayonnement, constituée de particules chargées ultrarelativistes de haute énergie, aurait 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 générée lorsqu'une éjection coronale massive est créée par le Soleil. Elle a été représentée comme une création distincte qui divise la ceinture extérieure, comme un couteau, sur son côté extérieur, et existe séparément comme conteneur de stockage 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 au fur et à mesure qu'elles disparaissent de la deuxième ceinture extérieure traditionnelle. Alors que la zone extérieure, qui se forme et disparaît au cours d'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, pour finalement n'être détruits que par un événement inhabituel, comme l'onde de choc du soleil qui a fini par les détruire.

Ceinture intérieure

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 de 600 milles (1 000 km) à 3 700 milles (6 000 km) 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 (ASA), la limite intérieure peut descendre jusqu'à environ 200 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre. La ceinture interne contient de fortes concentrations d'électrons de l'ordre de centaines de keV et de protons énergétiques dont les énergies dépassent 100 MeV, piégés par les champs magnétiques puissants (par rapport aux ceintures externes) de la région.

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 créée par les collisions de rayons cosmiques avec les noyaux de la haute atmosphère. On pense que la source de protons de plus faible énergie est la diffusion de protons due aux changements du champ magnétique lors des tempêtes 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 « rayures zébrées » a été observé dans les ceintures de rayonnement par l'expérience de composition ionique des sondes de tempête de ceinture de radiation (RBSPICE) à bord des sondes Van Allen. La raison évoquée était qu’en raison de l’inclinaison de l’axe du champ magnétique terrestre, la rotation de la planète générait un champ électrique faible et oscillant qui imprègne toute la ceinture de radiation interne. Il a été démontré plus tard que les rayures zébrées étaient en fait une empreinte des vents ionosphériques sur les ceintures de radiations.

Valeurs de flux

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

À l'équateur magnétique, les électrons d'énergies supérieures à 500 keV (resp. 5 MeV) ont des flux omnidirectionnels allant de 1,2×106 (resp. 3,7×104) jusqu'à 9,4×109 (resp. 2×107) particules par centimètre carré par seconde. .

Les ceintures de protons contiennent des protons avec des énergies cinétiques allant d'environ 100 keV (pouvant pénétrer 0,6 µm de plomb) à plus de 400 MeV (pouvant 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 l'emplacement du flux maximal sont variables (en fonction 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 de l'intensité et de la durée de l'événement Carrington alors que des vaisseaux spatiaux dotés des instruments appropriés étaient disponibles pour observer l'événement.

Indépendamment des différences de niveaux de flux dans les ceintures de Van Allen intérieure et extérieure, les niveaux de rayonnement bêta 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 vaisseaux spatiaux à grande vitesse à travers les zones les plus minces des ceintures supérieures, contournant complètement les ceintures intérieures.

Fichier:Ap8-omni-0.100MeV.png|AP8 MIN flux de protons omnidirectionnel ≥ 100 keV
Fichier:Ap8-omni-1.000MeV.png|AP8 MIN flux de protons omnidirectionnel ≥ 1 MeV
Fichier:Ap8-omni-400.0MeV.png|AP8 MIN flux de protons omnidirectionnel ≥ 400 MeV

Confinement de l'antimatière

En 2011, une étude a confirmé les spéculations antérieures selon lesquelles la ceinture de Van Allen pourrait confiner les antiparticules. L'expérience PAMELA a détecté des niveaux d'antiprotons d'un ordre de grandeur plus élevés que ceux attendus par la désintégration normale des particules lors de leur passage à travers le SAA. Cela suggère que les ceintures de Van Allen confinent un flux important d'antiprotons produit par l'interaction de la haute atmosphère terrestre avec les rayons cosmiques. L'énergie des antiprotons a été mesurée dans la plage de 60 à 750 MeV.

Implications pour les voyages spatiaux

Les engins spatiaux voyageant au-delà de l'orbite terrestre basse quittent la protection du champ géomagnétique terrestre et transitent par les ceintures de Van Allen. Au-delà de ces dangers, ils sont confrontés à des dangers supplémentaires liés aux rayons cosmiques et aux éruptions solaires. Une région située entre les ceintures de Van Allen intérieure et extérieure s'étend sur deux à quatre 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 tempêtes 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 renforcée contre les radiations pour fonctionner de manière fiable. Le télescope spatial Hubble, entre autres satellites, voit 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 by) passant par les ceintures de rayonnement recevra environ 2 500 rem (25 Sv) par an (à titre de comparaison, une dose de 5 Sv dans tout le corps est mortelle). Presque tous les rayonnements seront reçus lors du passage de la ceinture intérieure.

Les missions Apollo ont marqué le premier événement au cours duquel des humains ont traversé les ceintures de Van Allen, ce qui constituait l'un des nombreux risques de radiation connus des planificateurs de mission. Les astronautes étaient peu exposés aux ceintures de Van Allen en raison de la courte période de temps passée à les traverser. Les trajectoires de vol d'Apollo contournaient complètement les ceintures intérieures pour envoyer le vaisseau spatial uniquement à travers 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 était compris entre 0,16 et 1,14 rads (1,6 et 11,4 mGy), bien inférieur à la norme de 5 rem (50 mSv) par an fixée par l'Agence américaine de l'énergie atomique. Commission pour les personnes travaillant avec la radioactivité.

Causes

Il est généralement admis que les courroies Van Allen intérieures et extérieures résultent de processus différents. La ceinture interne, constituée principalement de protons énergétiques, est le produit de la désintégration de neutrons dits « d'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 de tempêtes 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 non linéaire de la Terre. Les particules tournent et se déplacent le long des lignes de champ. Lorsque les particules rencontrent des régions de plus grande densité de lignes de champ magnétique, leur vitesse « longitudinale » est ralentie et peut être inversée, reflétant la particule. Cela provoque le rebond des particules entre les pôles terrestres. Globalement, le mouvement de ces particules piégées est chaotique.

Un espace entre les ceintures de Van Allen intérieure et extérieure, parfois appelé zone de sécurité ou fente de sécurité, est provoqué par les ondes à très basse fréquence (VLF) qui diffusent les particules selon un angle de tangage, ce qui entraîne un gain de particules dans l'atmosphère. Les explosions solaires peuvent pomper des particules dans la brèche, mais elles s'écoulent 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 des 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 qu’elles génèrent frappent l’ionosphère à angle droit pour la traverser uniquement aux hautes latitudes, là 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

High Voltage Orbiting Long Tether, ou HiVOLT, est un concept proposé par le physicien russe V. V. 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 configuration proposée consiste en un système de cinq attaches conductrices de 100 km de long déployées à partir de satellites et chargées à une tension élevée. Cela entraînerait une modification de l'angle de pas des particules chargées qui rencontrent les attaches, dissolvant ainsi, au fil du temps, les ceintures internes. La société de Hoyt et Forward, Tethers Unlimited, a effectué une simulation d'analyse préliminaire en 2011 et a produit un graphique illustrant une réduction théorique du flux de rayonnement, à moins de 1 % des niveaux actuels en deux mois pour les ceintures internes qui menacent les objets LEO.