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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が惑星の磁気圏に捕捉されて惑星の周囲に留まる領域です。地球にはこのような帯が2つあり、時には一時的に他の帯が作られることもあります。この帯は、 1958年にこの帯について記述した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ました。 [ 1 ] [ 2 ]
地球の2つの主要な放射線帯は、地表から約640～58,000 km (400～36,040マイル) [ 3 ]の高度に広がっており、この領域では放射線レベルが異なります。放射線帯は地球の磁場の内側の領域にあります。放射線帯は高エネルギーの電子と陽子を捕捉します。アルファ粒子などの他の原子核はあまり多くありません。放射線帯を形成する粒子のほとんどは太陽風から来ていると考えられており、その他は宇宙線としてやって来ます。[ 4 ]磁場は太陽風を捕捉することで、これらの高エネルギー粒子を偏向させ、大気を破壊から保護します。
ヴァン・アレン帯は衛星に危険を及ぼすため、衛星がその領域付近で長時間過ごす場合は、繊細な部品を適切な遮蔽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、非常に低線量で無害な放射線量を受けました。[ 5 ] [ 6 ]
2013年、ヴァン・アレン探査機は、4週間持続する一時的な第3放射線帯を検出した。[ 7 ]
クリスティアン・ビルケランド、カール・ストルマー、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、放射線帯の形成に関する理論的基礎を築いた。[ 8 ]セルゲイ・ヴェルノフが設計した検出器を搭載したソ連の2番目の衛星スプートニク2号[ 9 ]、それに続く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 ]は、1958年初頭に放射線帯の存在を確認し、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、他の惑星の周りにも同様の放射線帯が発見されています。太陽は安定した全球的な双極子場を持たないため、長期的な放射線帯を維持できません。地球の大気は、放射線帯の粒子を高度200～1,000 km (120～620マイル)以上の領域に制限し、放射線帯は地球半径8 倍R Eを超え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 °の範囲に収まっています。[ 11 ]
1958年、米国は高度300マイルで低出力核爆弾を爆発させ、放射線帯の電子含有量を一時的に増加させた。 [ 12 ] [ 13 ]プロジェクト・アルゴスと呼ばれるこの実験は、宇宙空間での核爆発によって地球の磁場に閉じ込められた電子が放出され、大陸間弾道ミサイルの弾頭を無力化するという考えであるクリストフィロス効果を検証するために設計された。[ 14 ]このプロジェクトは、大気圏核実験を禁止する条約と、追加の放射線がアポロ月面着陸計画を妨げる可能性があるという懸念から中止された。
NASAのヴァン・アレン探査機ミッションは、宇宙空間における相対論的電子とイオンの集団が、太陽活動や太陽風 の変化に応じてどのように形成または変化するかを（予測可能なレベルまで）理解することを目的としている。NASA先端概念研究所の資金提供を受けた研究では、地球のヴァン・アレン帯に自然に存在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るが、反陽子は帯全体で約10マイクログラムしか存在しないと推定されている。 [ 15 ]
ヴァン・アレン・プローブ計画は2012年8月30日に打ち上げに成功した。主ミッションは2年間、消耗品は4年間稼働する予定だった。プローブは燃料切れのため2019年に運用を停止し、最後のプローブは2030年代に軌道離脱する予定である。 [ 16 ] NASAのゴダード宇宙飛行センターは、ヴァン・アレン・プローブ計画が太陽力学観測衛星（SDO）とともにそのプロジェクトであった「Living With a Star」プログラムを管理している。応用物理研究所は、ヴァン・アレン・プローブ計画の実施と機器管理を担当した。[ 17 ]
放射線帯は、太陽系の他の惑星や衛星の周囲にも存在し、それらは放射線帯を維持するのに十分な強力で安定した磁場を持っています。放射線帯は、ガリレオやジュノー探査機による木星、カッシーニ・ホイヘンスによる土星、ボイジャー計画やパイオニア計画によるフライバイなど、その場での観測によって木星、土星、天王星、海王星で検出されています。惑星の磁場に捕捉された高エネルギー粒子からの電波放射の観測も、木星[ 18 ]や超低温矮星LSR J1835+3259 [ 19 ]など、放射線帯を遠隔的に検出するために使用されています。水星は磁場に荷電粒子を捕捉できる可能性がありますが[ 20 ] 、その非常に動的な磁気圏（数分単位で変動します[ 21 ]）は安定した放射線帯を維持できない可能性があります。金星と火星には放射線帯が存在しない。なぜなら、これらの惑星の磁気圏の構造では、高エネルギーの荷電粒子が惑星の周回軌道上に閉じ込められないからである。
地磁気嵐は、電子密度を比較的短時間（約 1 日以下）で増減させる可能性があります。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よく観察されます。これらの減少時定数は「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 (100 日以上) が示され、ベルト間の「スロット」では 1 日または 2 日程度の短い電子寿命が観察され、外側のベルトではエネルギーに依存する約 5 ～ 20 日の電子寿命が見つかっています。[ 22 ]
内側のヴァン・アレン帯は、通常、地球半径の 0.2 ～ 2 倍 ( L 値は 1.2 ～ 3)、つまり地球上空1,000 km (620マイル)～12,000 km (7,500マイル)の高度に広がっています。 [ 4 ] [ 23 ]太陽活動が強い場合や、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約 200 km [ 24 ]まで低下することがあります。内側の帯には、数百keVの範囲の電子と 100 MeV を超えるエネルギーを持つ高エネルギー陽子が高密度で存在し、この領域の比較的強い磁場 (外側の帯と比較して) によって捕捉されています。[ 25 ]
低高度の下層帯における50 MeV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成され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、地磁気嵐中の磁場の変化による陽子拡散であると考えられている。[ 26 ]
地球の幾何学的中心から帯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接近します。[ 27 ] [ 28 ]
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機イオン組成実験装置（RBSPICE）により、放射線帯に「シマウマの縞模様」に似たパターンが観測された。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、それが内側放射線帯全体に浸透しているというものだった。[ 29 ]一方、2016年の研究では、シマウマの縞模様は電離層風が放射線帯に残した痕跡であると結論づけられた。[ 30 ]
外側の放射線帯は、主に地球の磁気圏に捕捉された高エネルギー（0.1～10 MeV ）の電子で構成されています。太陽活動の影響を受けやすいため、内側の放射線帯よりも変動が大きくなっています。ほぼトーラス状で、地球半径の3倍の高度から始まり、地球半径の10倍（R E）まで広がっています。これは、地球表面から13,000～60,000キロメートル（8,100～37,300マイル）の高さです。その最大強度は通常、地球半径の4～5倍付近です。外側の電子放射線帯は、主にホイッスラーモードのプラズマ波から放射線帯の電子へのエネルギー伝達による内向きの半径方向拡散[ 31 ] [ 32 ]と局所的な加速[ 33 ]によって生成されます。放射線帯の電子は、地球の大気との衝突[ 33 ] 、磁気圏界面への損失、および外向きの半径方向拡散によっても常に除去されています。高エネルギー陽子のジャイロ半径は、地球の大気と接触するのに十分な大きさです。この帯の中では電子のフラックスは高く、外縁部（磁気圏界面付近）では、地磁気力線が地磁気「尾部」へと開くため、高エネルギー電子のフラックスは約100km （62マイル）以内で惑星間空間の低いレベルまで低下します。これは1000分の1の減少です。
2014年に、外側ベルトの内縁は非常に急激な遷移によって特徴付けられ、その下では高相対論的電子（> 5MeV）は侵入できないことが発見された。[ 34 ]この遮蔽物のような挙動の理由はよく理解されていない。
外側ベルトに捕捉された粒子群は多様で、電子と様々なイオンが含まれている。イオンの大部分は高エネルギー陽子であるが、一定の割合でアルファ粒子と酸素イオン（O +イオン）も含まれている。これらは電離層に存在するイオンと似ているが、はるかに高エネルギーである。このようなイオンの混合は、環電流粒子が複数の発生源から生じている可能性を示唆している。
外側ベルトは内側ベルトよりも大きく、その粒子数は大きく変動します。高エネルギー（放射）粒子束は、太陽によって引き起こされる磁場とプラズマの擾乱によって誘発される地磁気嵐に応じて、劇的に増減することがあります。増加は、磁気圏の尾部からの粒子の嵐に関連した注入と加速によるものです。外側ベルトの粒子数の変動のもう1つの原因は、広範囲の周波数のさまざまなプラズマ波との波動粒子相互作用です。 [ 35 ]
2013年2月28日、高エネルギー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・アレン探査機チームによる記者会見で、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。それは外側の放射線帯をナイフのように外側で分割する独立した存在として表現され、1か月間粒子の貯蔵容器として別々に存在した後、再び外側の放射線帯と合流する。[ 36 ]
この第三の一時的な帯の異常な安定性は、第二の従来の外側の帯から失われた超相対論的粒子が地球の磁場によって「捕捉」されることによるものと説明されている。 1日かけて形成され消滅する外側の領域は、大気との相互作用により非常に変動しやすいが、第三の帯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高すぎるため、大気中に散乱しないと考えられている。[ 37 ]この散乱の欠如と捕捉により、粒子は長期間存在し続け、最終的には太陽からの衝撃波などの異常な事象によってのみ破壊される。
ベルト内では、粒子のフラックスは位置、エネルギー、太陽活動によって大きく変化します。[ 38 ] 0.25 mm のアルミニウムを貫通するのに十分なエネルギー (>20 MeV) を持つ陽子の測定されたフラックスは、毎秒 100,000 個/cm 2 までです。1.5 MeV を超える電子は、その厚さのアルミニウムを貫通することができ、そのフラックスは毎秒 1 平方センチメートルあたり 100 万個の粒子までです。[ 39 ]
陽子帯には、鉛を0.6μm 貫通できる約100keVから、鉛を143mm貫通できる400MeVを超える運動エネルギーを持つ陽子が含まれている。 [ 40 ]
放射線帯の放射線レベルは、長時間被曝すると人間にとって危険である。アポロ計画では、宇宙船を高速で上部放射線帯の薄い領域に送り込み、内側の放射線帯を完全に迂回することで、宇宙飛行士の危険を最小限に抑えた。ただし、アポロ14号ミッションでは、宇宙船は閉じ込められた放射線帯の中心部を通過した。[ 27 ] [ 41 ] [ 5 ] [ 42 ]
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を裏付ける研究が行われた。反物質物質探査および軽核天体物理学ペイロード（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が検出された。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大きなフラックスを閉じ込めていることを示唆している。[ 43 ]反陽子のエネルギーは60～750 MeVの範囲で測定されている。
反物質消滅時に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提案につながっている。この概念は、反物質収集器と容器の開発に依存している。[ 44 ]
地球低軌道を超えて飛行する宇宙船は、ヴァン・アレン帯の放射線領域に入ります。この帯の外側では、宇宙線や太陽粒子現象によるさらなる危険に直面します。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倍のところにあり、「安全地帯」と呼ばれることもあります。[ 45 ] [ 46 ]
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ります。地磁気嵐は時折、宇宙船の電子部品を損傷します。電子機器と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ます。これらの回路の総電荷は、入射イオンの電荷に匹敵するほど小さくなっています。衛星の電子機器は、確実に動作するために放射線に対する耐性を高める必要があります。チャンドラ宇宙望遠鏡は、ヴァン・アレン帯を通過する際にセンサーをオフにします。[ 47 ] INTEGRAL宇宙望遠鏡は、ヴァン・アレン帯内での時間を避けるように設計された軌道に配置されました。[ 48 ]
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、これは計画立案者が認識していたいくつかの放射線危険の1つであった。[ 49 ]宇宙飛行士はヴァン・アレン帯を通過する時間が短かったため、ヴァン・アレン帯での被ばくは少なかった。[ 5 ] [ 6 ]
一般的に、ヴァン・アレン帯の内側と外側は異なる過程によって形成されると考えられている。内側のヴァン・アレン帯は主に、上層大気における宇宙線衝突によって生成された中性子の崩壊によって生じる高エネルギー陽子で構成されている。一方、外側のヴァン・アレン帯は主に電子で構成されている。電子は地磁気嵐の後、地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る。
内側のベルトでは、太陽から来た粒子が地球の磁場に閉じ込められています。粒子は磁力線に沿って「緯度方向」に移動しながら、磁力線に沿って螺旋を描きます。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、反転して粒子を赤道方向に戻して、地球の極の間を行ったり来たりさせます。[ 50 ]電子は磁力線に沿って螺旋を描きながら移動するだけでなく、ゆっくりと東方向にドリフトし、陽子は西方向にドリフトします。
内側ヴァン・アレン帯と外側ヴァン・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、中軌道の地球周回軌道が存在する場所です。この隙間は、ピッチ角方向に粒子を散乱させる超低周波（VLF）電波によって生じ、大気中に新たなイオンが供給されます。太陽フレアもこの隙間に粒子を放出することがありますが、それらは数日で排出されます。VLF電波はこれまで放射線帯の乱流によって発生す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グリーン氏による最近の研究では、マイクロラボ1号探査機が収集した雷活動のマップと、 IMAGE探査機による放射線帯の隙間における電波のデータを比較しました。その結果、電波は実際には地球大気中の雷によって発生していることが示唆されました。発生した電波は、隙間の下端が上層大気に近づく高緯度地域でのみ、電離層を通過するのに適切な角度で電離層に衝突します。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除去すれば、衛星のための新たな軌道が開拓され、宇宙飛行士の旅行がより安全になるだろう。[ 51 ]他の惑星の放射線帯を除去することも提案されており、例えば、木星の放射線帯内を公転するエウロパの探査前には、そのようにすることが提案されている。 [ 52 ]放射線帯は複雑なシステムの一部であるため、これらの放射線帯を除去することによって予期せぬ結果が生じる可能性があるかどうかは不明である。[ 51 ]
地球を取り囲むヴァン・アレン放射線帯の放射線場を排出・除去するために提案された概念の 1 つは、ロシアの物理学者VV ダニロフが提案し、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る、高電圧軌道長テザー、または HiVOLT として知られています。[ 53 ] [ 54 ]ヴァン・アレン帯を排出するための別の提案は、地上からヴァン・アレン帯に超低周波 (VLF) 電波をビーム状に照射することです。[ 55 ]
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