ヴァン・アレン放射線帯

ヴァン・アレン放射線帯は、太陽風に由来する高エネルギー 荷電粒子の帯で、惑星の磁気圏に捕らえられ、惑星の周囲に保持される。地球にはこのような帯が 2 つあり、他の帯が一時的に形成されることもある。この帯は、1958 年にこの帯について論文を発表したジェームズ・ヴァン・アレンにちなんで名付けられた。 ^{[1] [2]}

地球の2つの主なベルトは、地表から約640〜58,000 km（400〜36,040マイル）^[3]の高度まで伸びており、この領域では放射線レベルが異なります。ベルトは地球の磁場の内側の領域にあります。ベルトはエネルギーの高い電子と陽子を捕らえます。アルファ粒子などの他の原子核はあまり一般的ではありません。ベルトを形成する粒子のほとんどは太陽風から来ると考えられていますが、他の粒子は宇宙線として到達します。^[4]磁場は太陽風を捕らえることでこれらのエネルギーの高い粒子を偏向させ、大気を破壊から守ります。

この帯は衛星を危険にさらすため、衛星がこの帯の近くで長時間過ごす場合は、敏感な部品を適切な遮蔽物で保護する必要があります。ヴァン・アレン帯を通過したアポロ宇宙飛行士は、非常に低線量の無害な放射線を浴びました。^{[5] [6]}

2013年、ヴァン・アレン探査機は一時的な第3の放射線帯を検出し、それは4週間続いた。^[7]

クリスチャン・ビルケランド、カール・ストーマー、ニコラス・クリストフィロス、エンリコ・メディは1895年に捕捉された荷電粒子の可能性を調査し、放射線帯形成の理論的基礎を形成した。^[8]セルゲイ・ベルノフが設計した検出器を搭載した2番目のソ連の衛星スプートニク2号^[9]と、それに続いた米国の衛星エクスプローラー1号とエクスプローラー3号^[10]により、1958年初頭にこの帯の存在が確認され、後にアイオワ大学のジェームズ・ヴァン・アレンにちなんで命名された。^[2]捕捉された放射線は、エクスプローラー4号、パイオニア3号、ルナ1号によって初めてマッピングされた。

ヴァン・アレン帯という用語は、特に地球を取り巻く放射線帯を指しますが、同様の放射線帯が他の惑星の周囲でも発見されています。太陽は安定した全球双極子場を欠いているため、長期的な放射線帯は形成されません。地球の大気は、放射線帯の粒子を高度200～1,000 km ^{[11] (124～620マイル) 以上の領域に制限し、放射線帯は}地球半径の8 _倍を超えて広がることはありません。^{[11]放射線帯は、}天の赤道の両側に約65 ° ^[11]広がる体積に限定されています。

NASAのヴァン・アレン探査機ミッションは、太陽活動と太陽風 の変化に応じて宇宙の相対論的電子とイオンの集団がどのように形成または変化するかを（予測可能な程度まで）理解することを目指しています。NASA先端概念研究所が資金提供した研究では、地球のヴァン・アレン帯に自然に発生する反物質を収集するための磁気スクープが提案されていますが、帯全体に存在する反陽子はわずか10マイクログラム程度と推定されています。 ^[12]

ヴァン・アレン探査機のミッションは2012年8月30日に無事に打ち上げられた。主ミッションは2年間の予定で、消耗品は4年間持続すると予想されていた。探査機は燃料切れのため2019年に停止され、2030年代に軌道から外れる予定である。 ^[13] NASAのゴダード宇宙飛行センターは、太陽観測衛星（SDO）とともにヴァン・アレン探査機を含むLiving With a Starプログラムを管理している。応用物理学研究所は、ヴァン・アレン探査機の実装と機器管理を担当した。^[14]

放射線帯は、太陽系の他の惑星や衛星の周囲に存在し、その周囲には放射線帯を維持するのに十分な磁場がある。現在まで、こうした放射線帯のほとんどは十分には測量されていない。ボイジャー計画（ボイジャー2号）は、天王星と海王星の周囲に同様の放射線帯が存在することを名目上確認しただけである。

磁気嵐は、電子密度を比較的急速に増加または減少させる可能性がある（つまり、約 1 日以内）。より長い時間スケールのプロセスが、ベルトの全体的な構成を決定します。電子注入によって電子密度が増加した後、電子密度は指数関数的に減少することがしばしば観察されます。これらの減衰時間定数は「寿命」と呼ばれます。ヴァン アレン プローブ B の磁気電子イオン分光計 (MagEIS) による測定では、内側のベルトでは長い電子寿命 (つまり、100 日以上) が示されています。ベルト間の「スロット」では約 1 日または 2 日の短い電子寿命が観察されています。外側のベルトでは、エネルギーに依存する約 5 日から 20 日の電子寿命が見られます。^[15]

内側のヴァン・アレン帯は、通常、高度0.2～2地球半径（L値は1.2～3）、または地球から1,000 km（620マイル）～12,000 km（7,500マイル）まで広がっています。^{[4] [16]}太陽活動が活発な場合や、南大西洋異常帯などの地理的領域では、内側の境界が地球表面からおよそ200 km ^{[17]まで下がることがあります。内側のベルトには、数百}keVの範囲の電子と100MeVを超えるエネルギーの陽子が集中しており、この地域の比較的強い磁場（外側のベルトと比較して）に捕捉されています。^[18]

低高度の下部帯における50MeVを超える陽子エネルギーは、宇宙線が上層大気の原子核と衝突して生じた中性子のベータ崩壊の結果であると考えられている。低エネルギー陽子の発生源は、地磁気嵐時の磁場の変化による陽子拡散であると考えられている。^[19]

地球の幾何学的中心からベルトがわずかにずれているため、内側のヴァン・アレン帯は南大西洋異常帯で地表に最も近づきます。^{[20] [21]}

2014年3月、ヴァン・アレン探査機に搭載された放射線帯嵐探査イオン組成実験（RBSPICE）によって、放射線帯に「ゼブラストライプ」に似た模様が観測された。2014年に最初に提唱された理論は、地球の磁場軸の傾きにより、惑星の自転によって振動する弱い電場が生成され、それが放射線帯全体に浸透するというものだ。^[22] 2016年の研究では、ゼブラストライプは放射線帯に残った電離層風の痕跡であると結論付けられた。 ^[23]

外帯は主に、地球の磁気圏に捕捉された高エネルギー（0.1～10  MeV ）電子からなる。内帯よりも太陽活動の影響を受けやすいため、内帯よりも変動が大きい。ほぼトロイダル形状で、高度3地球半径から始まり、地球表面から10地球半径（R _E）つまり13,000～60,000キロメートル（8,100～37,300マイル）上空まで広がる。^[要出典]最大強度は通常4～5 R _E程度である。外帯電子放射線は、主にホイッスラーモードプラズマ波から放射線帯電子へのエネルギー移動による内向きの放射状拡散^{[24] [25]}と局所的な加速^[26]によって生成される。放射線帯電子は、地球の大気との衝突^{[26] 、}磁気圏界面への損失、および外向きの放射状拡散によっても絶えず除去されている。エネルギーの高い陽子のジャイロ半径は、地球の大気と接触するほど大きい。このベルト内では電子の流束が高く、地磁気の磁力線が地磁気の「尾」に開く外縁部（磁気圏界面に近い）では、エネルギーの高い電子の流束が約 100 km (62 マイル) 以内の低い惑星間レベルまで低下する可能性があり、これは 1,000 分の 1 の減少である。

2014年に、外帯の内縁は非常に急激な遷移を特徴とし、それ以下の高相対論的電子（> 5MeV）は透過できないことが発見されました。^[27]このシールドのような動作の理由はよくわかっていません。

外帯に閉じ込められた粒子の集団は多様で、電子とさまざまなイオンが含まれています。イオンのほとんどは高エネルギーの陽子の形をしていますが、一定の割合でアルファ粒子と O ⁺酸素イオンがあります。これらは電離層のものと似ていますが、はるかに高エネルギーです。このイオンの混合は、リング電流粒子がおそらく複数の発生源から発生している ことを示唆しています。

外帯は内帯よりも大きく、粒子数は大きく変動する。エネルギー（放射）粒子のフラックスは、太陽によって生成される磁場とプラズマの乱れによって引き起こされる磁気嵐に応じて劇的に増減することがある。粒子の増加は、磁気嵐に関連した注入と磁気圏尾部からの粒子の加速によるものである。外帯粒子数の変動のもう一つの原因は、広範囲の周波数における様々なプラズマ波との波動粒子相互作用である。 ^[28]

2013年2月28日、高エネルギーの超相対論的荷電粒子からなる第3の放射線帯が発見されたと報告された。NASAのヴァン・アレン探査チームによる記者会見では、この第3の放射線帯は太陽からのコロナ質量放出の産物であると述べられた。これは、外側でナイフのように外帯を分割し、1か月間粒子の貯蔵容器として別々に存在する別の創造物として表現され、その後再び外帯と融合する。^[29]

この第3の一時的なベルトの異常な安定性は、第2の従来の外側のベルトから失われた超相対論的粒子が地球の磁場に「捕らえられる」ためだと説明されている。1日かけて形成され消滅する外側のゾーンは大気との相互作用により大きく変化するが、第3のベルトの超相対論的粒子は低緯度では大気波と相互作用するにはエネルギーが強すぎるため、大気中に散乱しないと考えられている。^[30]この散乱がなく捕らえられているため、粒子は長期間存続することができ、最終的には太陽からの衝撃波などの異常な出来事によってのみ破壊される。

ベルト内の特定の地点では、特定のエネルギーの粒子の流束はエネルギーとともに急激に減少します。

磁気赤道では、5000 keV（それぞれ5 MeV）を超えるエネルギーの電子は、毎秒1平方センチメートルあたり1.2×10 ^{6 個}（それぞれ3.7×10 ^{4 個}）から最大9.4×10 ^{9 個}（それぞれ2×10 ^{7 個}）の粒子の全方向性フラックスを持ちます。

陽子ベルトには、鉛の厚さ0.6μmを貫通できる約100keVから、鉛の厚さ143mmを貫通できる400MeV以上の運動エネルギーを持つ陽子が含まれています。^[31]

内帯と外帯について公表されているフラックス値のほとんどは、ベルト内で起こり得る最大フラックス密度を示していない可能性があります。この食い違いには理由があります。フラックス密度とピークフラックスの位置は主に太陽活動によって変化し、ベルトをリアルタイムで観測する機器を備えた宇宙船の数は限られています。地球はカリントン イベントの強度と持続時間を持つ太陽嵐を経験していませんが、適切な機器を備えた宇宙船はイベントを観測できます。

ベルト内の放射線レベルは、人間が長期間さらされると危険である。アポロ計画では、宇宙船を上部ベルトの薄い部分に高速で送り込み、内側のベルトを完全に迂回することで、宇宙飛行士への危険を最小限に抑えた。ただし、アポロ14号のミッションでは、宇宙船が閉じ込められた放射線ベルトの中心部を通過した。^{[20] [32] [5] [33]}

• フラックス値、通常の太陽条件
• 
  AP8 MIN 全方向性陽子束 ≥ 100 keV
• 
  AP8 MIN全方向陽子束 ≥ 1 MeV
• 
  AP8 MIN全方向陽子束 ≥ 400 MeV

2011年、ヴァン・アレン帯が反粒子を閉じ込める可能性があるという以前の推測が研究によって確認された。反物質探査および光核天体物理学のためのペイロード（PAMELA）実験では、南大西洋異常帯を通過する際に、通常の粒子崩壊から予想されるよりも桁違いに高いレベルの反陽子を検出した。これは、ヴァン・アレン帯が、地球の上層大気と宇宙線の相互作用によって生成された反陽子のかなりの量の流れを閉じ込めていることを示唆している。^[34]反陽子のエネルギーは、60～750 MeVの範囲で測定されている。

反物質の消滅で放出される非常に高いエネルギーは、これらの反陽子を宇宙船の推進力として利用するという提案につながった。このコンセプトは、反物質収集装置と容器の開発に依存している。^[35]

低地球軌道を越えて移動する宇宙船は、ヴァン・アレン帯の放射線帯に入る。この帯を越えると、宇宙線や太陽粒子現象によるさらなる危険に直面する。内側ヴァン・アレン帯と外側ヴァン・アレン帯の間の領域は、地球半径の2～4倍に位置し、「安全地帯」と呼ばれることもある。^{[36] [37]}

太陽電池、集積回路、センサーは放射線によって損傷を受ける可能性がある。磁気嵐は宇宙船の電子部品を損傷することがある。電子回路や論理回路の小型化とデジタル化により、衛星は放射線に対してより脆弱になっている。これらの回路の総電荷が、入射するイオンの電荷と同程度に小さくなったためである。衛星の電子機器は、確実に作動するために放射線に対して強化する必要がある。ハッブル宇宙望遠鏡などの衛星は、放射線が強い地域を通過するときにセンサーをオフにすることが多い。^[38]放射線帯を通過する楕円軌道（200 x 20,000マイル（320 x 32,190 km））上の3 mmのアルミニウムで遮蔽された衛星は、年間約2,500レム（25  Sv）の放射線を浴びる。（比較のために、全身への被ばく量が5 Svで致死的である。）放射線のほぼすべては、内側のベルトを通過するときに受ける。^[39]

アポロ計画は、人類がヴァン・アレン帯を通過した最初の出来事であり、これはミッション計画者が知っていたいくつかの放射線の危険の1つでした。^[40]宇宙飛行士は、ヴァン・アレン帯を飛行する時間が短かったため、被ばく量は少なかった。^{[5] [6]}

宇宙飛行士が受ける総被曝量は、実際には地球の磁場外に出た後の太陽粒子によるものが大部分を占めていた。宇宙飛行士が受ける総放射線量はミッションごとに異なっていたが、0.16～1.14ラド（1.6～11.4mGy  ）と測定され、米国原子力委員会が放射能を扱う人々に対して設定した年間5レム（50mSv）^[c]の基準よりはるかに低かった。^[40]

一般的に、内側ヴァン・アレン帯と外側ヴァン・アレン帯は異なるプロセスから生じると考えられています。内側の帯は、いわゆる中性子の崩壊から生成された高エネルギー陽子で主に構成されています。中性子自体も、上層大気での宇宙線の衝突の結果です。外側ヴァン・アレン帯は、主に電子で構成されています。電子は、磁気嵐に続いて磁気尾部から注入され、その後、波動粒子相互作用によってエネルギーを与えられていきます。

内帯では、太陽から発生した粒子が地球の磁場に閉じ込められている。粒子は磁力線に沿って螺旋を描きながら、磁力線に沿って「緯度方向」に移動する。粒子が極に向かって移動すると、磁力線の密度が増加し、「緯度方向」の速度が遅くなり、逆転して粒子を赤道地域に戻して、地球の極の間を行ったり来たりさせる。^[41]磁力線の周りを螺旋を描きながら移動するだけでなく、電子はゆっくりと東方向に漂い、陽子は西方向に漂う。

内側のヴァン・アレン帯と外側のヴァン・アレン帯の間の隙間は、「安全地帯」または「安全スロット」と呼ばれることもあり、中軌道の位置にあります。この隙間はVLF 電波によってピッチ角で粒子が散乱し、大気に新しいイオンが追加されます。太陽の爆発によってもこの隙間に粒子が放出されますが、数日のうちに排出されます。VLF 電波は以前は放射線帯の乱流によって生成されると考えられていましたが、ゴダード宇宙飛行センターのJL グリーンによる最近の研究^{[要出典]では、}マイクロラボ 1宇宙船によって収集された雷活動のマップと、 IMAGE宇宙船からの放射線帯の隙間の電波データを比較しました。その結果、電波は実際には地球の大気圏内の雷によって生成されたことが示唆されました。生成された電波は、隙間の下端が上層大気に近づく高緯度でのみ、正しい角度で電離層に当たり、通過します。これらの結果については、科学界でまだ議論が続いています。

ヴァン・アレン帯から荷電粒子を排出することで、衛星のための新しい軌道が開かれ、宇宙飛行士の旅行がより安全になります。^[42]

高電圧軌道ロングテザー（HiVOLT）は、ロシアの物理学者VVダニロフによって提案され、ロバート・P・ホイトとロバート・L・フォワードによってさらに改良された概念であり、地球を取り囲むヴァン・アレン放射線帯^[43]の放射線場を排出して除去することを目的としています。 ^[44]

ヴァン・アレン帯の排水のためのもう一つの提案は、地上からヴァン・アレン帯に超低周波（VLF）電波を照射するというものである。^[45]

他の惑星の周りの放射線帯を排水することも提案されており、例えば木星の放射線帯内を周回するエウロパを探査する前に行うとされている。 ^[46]

2024年現在、これらの放射線帯を除去することで意図しない悪影響が生じるかどうかは不明である。^[42]

• 地球磁場の双極子モデル
• Lシェル
• 人工放射線帯のリスト
• 宇宙天気
• 常磁性

• Adams, L.; Daly, EJ; Harboe-Sorensen, R.; Holmes-Siedle, AG; Ward, AK; Bull, RA (1991 年 12 月)。「通常および太陽フレア条件下での静止軌道上の SEU および総線量の測定」。IEEE Transactions on Nuclear Science。38 ( 6): 1686–1692。Bibcode : 1991ITNS ...38.1686A。doi : 10.1109 /23.124163。OCLC 4632198117  。
• ホームズ・シードル、アンドリュー、アダムス、レン（2002）。『放射線影響ハンドブック（第2版）』オックスフォード、ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-850733-8. LCCN  2001053096. OCLC  47930537.
• Shprits, Yuri Y.; Elkington, Scott R.; Meredith, Nigel P.; Subbotin, Dmitriy A. (2008 年 11 月)。「外帯放射線帯における相対論的電子の損失と発生源のモデル化のレビュー」。大気および太陽地球物理学ジャーナル。70 (14)。パート I: ラジアル輸送、pp. 1679–1693、doi :10.1016/j.jastp.2008.06.008; パート II: 局所加速と損失、pp. 1694–1713、doi :10.1016/j.jastp.2008.06.014。

ウィキメディア・コモンズには、ヴァン・アレン放射線帯に関連するメディアがあります。

• デイビッド・P・スターンとマウリシオ・ペレドによるベルトの説明
• 背景: 捕捉粒子放射線モデル - SPENVISによる捕捉放射線ベルトの紹介
• SPENVIS - 宇宙環境、影響、教育システム - SPENVIS 軌道線量計算ソフトウェアへのゲートウェイ
• ヴァン・アレン・プローブのウェブサイト ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所