Algemene omschrijving
De Van Allen gordels zijn twee zones van elektrisch geladen deeltjes die de aarde omvatten. De gordels zijn genoemd naar hun ontdekker (1958): James Van Allen. Hij baseerde zich op waarnemingen van de Explorer I satelliet. De naam stralingsgordel is eigenlijk niet goed gekozen aangezien het gaat om deeltjes (daarom beter deeltjesgordels). De stralingsintensiteit is maximaal in twee gebieden: de binnengordel en de buitengordel. De binnengordel is een ring die zich bevindt tussen 2000 en 5000 km boven het aardoppervlak, in het evenaarsvlak . In de binnengordel komen protonen voor met energieën tot 100 MeV en elektronen tot 100 KeV. Die deeltjes zijn afkomstig uit de aardatmosfeer, waar ze werden vrijgesteld door kosmische straling. (Redelijk constante intensiteit --> omvang binnengordel ook redelijk constant). De buitengordel bevindt zich tussen 15000 km en 25000 km boven het aardoppervlak. In de buitengordel komen vooral elektronen voor. Ze zijn afkomstig van de zonnewind. De buitengordel is veel dynamischer dan de binnengordel. Zijn omvang varieert voortdurend doordat de zonneactiviteit niet constant is. Bij een "zonnestorm" kan de aanvoer van deeltjes zo groot zijn dat de buitengordel als het ware overloopt. Zo ontstaat er poollicht. Al deze deeltjes bewegen met een zeer hoge snelheid rond de veldlijnen van het aardveld. Ondertussen reizen ze van pool tot pool. De stralingsgordels kunnen gevaarlijk zijn voor satellieten en astronauten. Ook sommige andere planeten hebben deeltjesgordels (o.a. Jupiter en Saturnus).
Geschiedenis en ontdekking
Op 3 november 1957 werd Sputnik 2 gelanceerd. De satelliet had, in tegenstelling met Sputnik 1, een stralingsmeter aan boord. Boven de 500-700 km werd een stijging in stralingsintensiteit gemeten. Er werd weinig aandacht aan deze waarneming besteed. Sputnik's apogeum bevond zich op 1680 km, boven Australië. De Russen konden dus in het apogeum geen contact maken met hun Sputnik. De Australiërs, die de satelliet volgden, vroegen de sleutel om Sputniks signalencode te ontcijferen. De Russen weigerden. Jammer voor hen, want zo bleven de stralingsgordels nog een tijdje onbekend.
31 januari 1958: Explorer I, de eerste Amerikaanse satteliet wordt gelanceerd. (Explorer satelliet: zie links) De Explorer had een stralingsdetector (Geiger teller) aan boord (op vraag van Van Allens team). De teller was eigenlijk bedoeld om de kosmische straling te meten. De Explorer I had zijn apogeum op 2500 km, midden in de stralingsgordels. Onder de 600 km werd een normale stralingsintensiteit gemeten. Rond de 1200 km en erboven werd helemaal geen straling gemeten. LcIlwain (behoorde ook tot Van Allens team) toonde experimenteel aan dat dit verschijnsel werd veroorzaakt doordat de detector 'overspoeld' werd met geladen deeltjes. De deeltjes volgden mekaar zo snel op, dat ze niet meer geteld konden worden. Stations op aarde konden enkel data verzamelen gedurende de weinige minuten dat de satelliet erboven passeerde. Hierdoor was het moeilijk om een goed beeld van de stralingsgordels te krijgen. Er was veel onzekerheid, de stralingsgordels bleven nog altijd onontdekt.
Explorer 3 had een bandrecorder aan boord. Nu konden de gegevens van de hele vlucht ontvangen worden. Op lage hoogte werd alleen kosmische straling gedetecteerd. Als de satelliet steeg, steeg ook de stralingsintensiteit tot de hoogste meetbare waarde. Op een nog grotere hoogte viel de intensiteit abrupt terug tot nul (meter 'slaat tilt'). Tijdens het dalen volgde de intensiteit hetzelfde patroon (maar dan omgekeerd) als tijdens het stijgen. (Zie grafiekje rechts) Zo werden de deeltjesgordels ontdekt. Over welke deeltjes het ging bleef echter nog een tijdje onduidelijk.
Ernie Ray's commentaar: "My God, space is radioactive"
Kort daarna werd de buitengordel ontdekt door Pioneer 3. In 1973 ontdekt Pioneer 10 dat er tussen de twee deeltjesgordels nog een stralingszone bestaat met hoog energetische deeltjes (C,N,O,Ne). (bevestigd door SAMPEX satelliet in 1992). Deze gordel kan verdwijnen tijdens hoge zonneactiviteit. (binnen- en buitengordel overlappen)
Ontstaan van de Van Allen gordels
De aarde gedraagt zich als een magneet, waarvan de noordpool (zuidpool) zich bevindt in de omgeving van de geografische zuidpool (noordpool). De plaats van de noordpool varieert voortdurend. Soms slaat de polariteit zelfs om. Bij een magneet hoort een magnetisch veld. Het magnetisch veld van de aarde noemen we het aardveld. In vergelijking met de andere planeten is het aardveld zeer krachtig. Het aardveld wordt doorlopen door veldlijnen (= lijn die in elk van haar punten raakt aan de magnetische inductievector). De veldlijnen hebben een noord-zuid gerichte zin. Ze staan dus recht op zon-aarde richting.De zon blaast grote hoeveelheden geladen deeltjes richting aarde. De meesten gaan rond het aardveld, sommige dringen toch in het aardveld binnen. Die deeltjes maken een hoek met de veldlijnen. Geladen deeltjes in beweging, die een hoek maken met de magnetische inductie ondervinden een kracht (Lorentzkracht: F = v . B . Q). Die kracht zorgt ervoor dat de deeltjes een cirkel gaan beschrijven rond de veldlijnen. (Denk aan de kurketrekker of uw linker( - of rechter) hand.) Zo wordt verhinderd dat de deeltjes op de aarde terecht komen en worden wij beschermd.
Door ingewikkelde processen in het elektromagnetische veld van de magnetosfeer kan de snelheid van de geladen deeltjes steeds groter worden; vandaar de grote energie. Door de grote snelheid, die de lichtsnelheid benadert, vertegenwoordigen de protonen en elektronen in de stralingsgordels een grote flux. De telbuizen in de ruimtevoertuigen tellen tussen 100 en 1000000 ontmoetingen per cm² en per seconde, hoewel het aantal van deze snelle deeltjes niet groter is dan 1 per cm³.
Verschillen tussen de buiten- en binnengordel
Naast deze twee 'hoofdgordels' kan er soms ook nog een tijdelijke gordel tussenin (zogenaamde 'slot regio') ontstaan. Dit gebeurde o.a. in mei 1998, na een krachtige zonnestorm.
BINNENGORDEL BUITENGORDEL Vooral elektronen en protonen afkomstig uit de hoge aardatmosfeer. De elektronen en protonen zijn afkomstig van neutronen die uiteenvallen. De neutronen ontstaan door bestraling van zuurstof en stikstof uit de atmosfeer met kosmische straling. De protonen hebben energieën boven de 10 MeV. De maximale stralingsintensiteit wordt bereikt op een hoogte van ongeveer 3000 km. Boven het zuiden van de Atlantische Oceaan daalt de hoogte tot ongeveer 400 km. Vooral elektronen afkomstig uit de zonnewind. De elektronen hebben energieën tot 10 MeV. De maximale stralingsintensiteit komt voor op een hoogte van ongeveer 19000 km boven de (geomagnetische)evenaar. De hoogte daalt naar de polen toe. De "horens" buigen scherp naar de polen toe. Hier kunnen ze poollicht veroorzaken.
Gevaar voor de mens en de ruimtevaart
De studie van de stralingsgordels is vooral van belang omwille van de schadelijke effecten voor de mens en elektronica. De straling zorgt ervoor dat componenten uit satellieten een kortere levensduur krijgen. Vooral halfgeleiders en optische toestellen. De straling veroorzaakt ruis in detectors, fouten in digitale circuits en kan isolators elektrostatisch opladen. En natuurlijk is de straling ook schadelijk voor de mens. Dit was een van de problemen voor het Apollo programma. Men wist niet goed, hoe schadelijk de straling was. Het dosisequivalent voor de astronauten was ongeveer 20 mSv. Toch zijn er ook voordelen aan de stralingsgordels. Waren ze er niet geweest, dan zouden de deeltjes, uitgestoten door de zon, het aardoppervlak gemakkelijker kunnen bereiken.