Astronomie

Est-ce que d'autres planètes avec un champ magnétique ont également deux ceintures de Van Allen ?

Est-ce que d'autres planètes avec un champ magnétique ont également deux ceintures de Van Allen ?

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Sur Jupiter et Saturne, des aurores sont visibles autour des pôles de la planète, ce qui implique qu'il doit y avoir une sorte de champ magnétique autour de ces planètes. Peut-être que même la lune Europe pourrait avoir un champ magnétique créé par de l'eau salée (le fait-il ?).

Sur Terre, nous avons deux ceintures de rayonnement, une ceinture intérieure et une ceinture extérieure. L'un contient des électrons et l'autre principalement des protons. Est-ce que d'autres planètes ont aussi ces deux ceintures de radiations ?


Oui, Jupiter et Saturne ont leurs propres ceintures de radiation. Jupiter est extrêmement puissant, c'est pourquoi toute l'électronique sensible de Juno a dû être durcie contre les radiations et protégée à l'intérieur d'un coffre-fort. C'est aussi pourquoi Juno va être sur une orbite polaire pour faire des survols de Jupiter, au lieu d'orbiter autour d'elle de près.

Ces bandes magnétiques sont en effet séparées en portions interne et externe. De Wikipédia :

La magnétosphère de Jupiter est traditionnellement divisée en trois parties : la magnétosphère interne, moyenne et externe. La magnétosphère interne est située à des distances inférieures à 10 RJ de la planète. Le champ magnétique à l'intérieur reste approximativement dipolaire, car les contributions des courants circulant dans la nappe de plasma équatoriale magnétosphérique sont faibles. Dans les magnétosphères médiane (entre 10 et 40 RJ) et externe (au-delà de 40 RJ), le champ magnétique n'est pas un dipôle, et est sérieusement perturbé par son interaction avec la feuille de plasma (voir magnétodisque ci-dessous). La ceinture magnétique interne de Jupiter a été cartographiée par Galilée, montrant qu'elle contient des électrons de haute énergie. Les éruptions d'Io ont pour résultat que la partie médiane de la magnétosphère contient d'énormes quantités d'ions de divers éléments.

La magnétosphère de Saturne est également divisée en parties distinctes. Cependant, il y a 4 régions dans le champ magnétique de Saturne, et elles sont séparées par les types de particules qu'elles contiennent. Ces particules résultent d'interactions avec les différentes lunes de Saturne, ainsi que son système d'anneaux.

La sonde Galileo a découvert qu'Europe produit un faible champ magnétique, en raison de son océan souterrain. Cet océan a un courant induit créé à partir d'Europe se déplaçant à travers la magnétosphère de Jupiter, qui à son tour crée un champ magnétique. Ce champ magnétique est en fait l'une des choses qui ont poussé de nombreux scientifiques à théoriser un océan souterrain.

Cependant, ces ceintures ne sont pas des ceintures "Van Allen". Ce nom est strictement réservé aux ceintures de radiation de la Terre.


Le « bouclier magnétique » de la Terre et les ceintures de rayonnement de Van Allen

Au cas où vous ne le sauriez pas, l'univers est un endroit terriblement hostile pour la plupart des formes de vie. Prenez notre propre étoile, par exemple. Le soleil donne vie à tout sur Terre, mais c'est aussi un enfer violent (qui est capable de détruire tous les êtres vivants). Heureusement, pour nous, notre planète est protégée : elle est entourée d'un champ de force magnétique. D'accord, peut-être que "champ de force" est un peu sensationnaliste, mais la description réelle est tout aussi inspirante. La Terre est enfermée dans un champ magnétique, qui est généré par le noyau de fer liquide en rotation au centre de la planète (autrement connu sous le nom de « dynamo »).

En fin de compte, ce bouclier magnétique protège la vie sur notre planète de l'anéantissement total.


Ceinture de radiation de Van Allen

Nos rédacteurs examineront ce que vous avez soumis et détermineront s'il faut réviser l'article.

Ceinture de radiation de Van Allen, des zones en forme de beignet de particules chargées hautement énergétiques piégées à haute altitude dans le champ magnétique de la Terre. Les zones ont été nommées en l'honneur de James A. Van Allen, le physicien américain qui les a découvertes en 1958, à l'aide de données transmises par le satellite américain Explorer.

Les ceintures de Van Allen sont les plus intenses au-dessus de l'équateur et sont effectivement absentes au-dessus des pôles. Aucun écart réel n'existe entre les deux zones, elles fusionnent en fait progressivement, le flux de particules chargées montrant deux régions de densité maximale. La région intérieure est centrée à environ 3 000 km (1 860 miles) au-dessus de la surface terrestre. La région externe de densité maximale est centrée à une altitude d'environ 15 000 à 20 000 km (9 300 à 12 400 miles), bien que certaines estimations la placent aussi loin au-dessus de la surface que six rayons terrestres (environ 38 000 km [23 700 miles]).

La ceinture intérieure de Van Allen se compose en grande partie de protons hautement énergétiques, avec une énergie dépassant 30 000 000 d'électrons-volts. L'intensité maximale de ces protons est d'environ 20 000 particules par seconde traversant une aire sphérique d'un cm carré dans toutes les directions. On pense que les protons de la ceinture intérieure proviennent de la désintégration des neutrons produits lorsque des rayons cosmiques de haute énergie provenant de l'extérieur du système solaire entrent en collision avec des atomes et des molécules de l'atmosphère terrestre. Certains des neutrons sont éjectés de l'atmosphère lorsqu'ils traversent la région de la ceinture, un petit pourcentage d'entre eux se désintègrent en protons et en électrons. Ces particules se déplacent en spirales le long des lignes de force du champ magnétique terrestre. Lorsque les particules s'approchent de l'un ou l'autre des pôles magnétiques, l'augmentation de l'intensité du champ provoque leur réflexion. En raison de cet effet de miroir magnétique, les particules rebondissent entre les pôles magnétiques. Au fil du temps, ils entrent en collision avec des atomes dans la fine atmosphère, entraînant leur retrait de la ceinture.

La ceinture extérieure de Van Allen contient des particules chargées d'origine à la fois atmosphérique et solaire, cette dernière étant constituée en grande partie d'ions d'hélium provenant du vent solaire (flux constant de particules émanant du Soleil). Les protons de la ceinture extérieure ont des énergies beaucoup plus faibles que celles de la ceinture intérieure, et leurs flux sont beaucoup plus élevés. Les particules les plus énergétiques de la ceinture externe sont les électrons, dont les énergies atteignent plusieurs centaines de millions d'électrons-volts.

Des études montrent qu'une activité solaire intense, telle qu'une éjection de masse coronale, peut parfois diminuer la région externe et produire une troisième zone fugace de particules chargées entre les régions externe et interne. L'activité solaire intense provoque également d'autres perturbations des ceintures de Van Allen, qui à leur tour sont liées à des phénomènes tels que les aurores et les orages magnétiques. Voir également orage magnétique aurore.

Cet article a été récemment révisé et mis à jour par John P. Rafferty, rédacteur en chef.


Qu'est-ce que la ceinture de radiation de Van Allen exactement ?

Et quel impact cela a-t-il sur les voyages spatiaux ? D'autres planètes ont-elles des ceintures de radiations similaires, comme Mars par exemple ? Et si oui, comment cela affecterait-il les futures expéditions et colonies sur Mars ou sur toute autre planète étrangère ?

Vous pouvez essentiellement considérer la ceinture Van Allen comme une bouteille magnétique. Notre magnétosphère piège les particules chargées du vent solaire dans un anneau autour de la Terre.

Ces particules sont assez énergétiques car elles sont également accélérées dans les deux sens par notre champ magnétique. Tout vaisseau spatial qui traverse cette région sera soumis à des radiations de très haute intensité - ce n'est pas un hasard si sur les 36 astronautes qui ont traversé les ceintures de Van Allen, 33 ont finalement développé des cataractes.

Cela signifie également que vous devez disposer d'un champ magnétique puissant pour générer un tel anneau. Puisque Mars n'a pas de champ magnétique intrinsèque, elle n'a pas non plus de ceinture de Van Allen équivalente. D'un autre côté, Jupiter a un champ magnétique incroyablement puissant, et a donc une ceinture de Van Allen très intense - vous pouvez en voir une animation gif ici alors que la planète tourne, capturée dans les longueurs d'onde radio.

Eh bien, puisqu'on parle de terraformer Mars, en raison de la possibilité de créer un changement dans les écosystèmes de Mars, pourrions-nous également créer un champ magnétique ? Ce qui créerait à son tour un semblant de ceintures de Van Allen de la Terre au fil du temps, n'est-ce pas ?

Vraiment, je suis juste curieux de savoir s'il est plausible de s'installer et de coloniser Mars.

Pardonnez-moi si ces questions semblent ignorantes.

C'est une zone de particules énergétiques qui ont été concentrées en ceintures par un champ magnétique planétaire, toute planète avec un champ magnétique peut avoir des ceintures de rayonnement telles que la Terre et Jupiter. Mars n'a pas de champ magnétique et n'a donc pas de ceintures de Van Allen

Il y a quelques problèmes ici : (1) L'atmosphère est vraiment la chose qui "empêche" les particules de haute énergie d'atteindre la surface de la Terre et les personnes qui y vivent. Ainsi, Mars souffre de deux manières - il n'a pas un grand champ magnétique pour dévier le vent solaire et d'autres particules énergétiques solaires, et il n'a pas non plus d'atmosphère vraiment robuste pour arrêter ces particules (bien que l'atmosphère soit assez robuste pour arrêter beaucoup de particules solaires). (2) Les ceintures de Van Allen sont en fait une conséquence du fait que nous avons un champ magnétique. Les particules du vent solaire de faible énergie pénètrent dans notre magnétosphère par reconnexion et diffusion, puis sont accélérées jusqu'à des énergies très élevées par différents mécanismes tels que les interactions onde-particule. Les ceintures de rayonnement ne sont pas un endroit où le champ magnétique a dévié des particules à très haute énergie, c'est un endroit où les particules à faible énergie sont piégées et deviennent de haute énergie. Jupiter a des ceintures de rayonnement SUPER énergétiques, et il serait extrêmement difficile pour les humains de vivre dans la magnétosphère de Jupiter.

Donc, parfois, il vaut mieux ne pas avoir de champ magnétique. Par exemple, Vénus n'est pas un endroit idéal pour vivre, car la pression à la surface est incroyablement grande, mais si vous y habitiez, vous ne pourriez pas avoir à vous soucier des radiations, car aucune particule énergétique ne descendra à la surface. Même sans champ magnétique !


Contenu

Van Allen est né le 7 septembre 1914 dans une petite ferme près de Mount Pleasant, Iowa, le deuxième des quatre fils d'Alfred Morris et d'Alma Olney Van Allen, une femme d'ascendance néerlandaise (van Allen étant néerlandais pour "d'Allen/Aalden" [5] ). Il a grandi dans la petite ville de Mount Pleasant, à 45 miles au sud d'Iowa City. Enfant, il était fasciné par les appareils mécaniques et électriques et était un lecteur assidu des magazines Popular Mechanics et Popular Science. Il a une fois horrifié sa mère en construisant une bobine Tesla qui produisait des étincelles d'un pied de long et faisait se dresser ses cheveux. [6] Van Allen attribue à C. A. Cottrell, professeur de sciences dans son lycée, la stimulation de son intérêt initial pour les sciences. Il a développé des intérêts parallèles pour l'artisanat du bois et du métal et a bien réussi dans d'autres matières, devenant major de sa classe de Mount Pleasant High School après avoir obtenu son diplôme en juin 1931. Son adresse de major était : Pax Romana, Pax Americana.

Avec un fort intérêt pour les choses nautiques (qu'il a conservées toute sa vie), il a passé les examens d'entrée pour l'entrée à l'Académie navale des États-Unis pendant ses études secondaires. Avec des notes exceptionnelles et avec le soutien de son membre du Congrès local, William F. Kopp, il a demandé l'admission. Tout s'est bien passé au début, mais lorsqu'il s'est présenté à son examen physique, il a été rejeté pour trois raisons : ses pieds plats, une vue quelque peu déficiente et l'incapacité de nager. Il a donc suivi une autre voie.

Après le lycée, Van Allen est allé au Iowa Wesleyan College à Mount Pleasant. Là, au cours de l'été 1932, après avoir terminé sa première année, Van Allen a été initié à la recherche en géophysique sous la tutelle du professeur de physique Thomas C. Poulter. Van Allen avait une grande admiration pour ce premier mentor. Il a déclaré dans l'un de ses croquis autobiographiques, " Poulter, [était] l'un des expérimentateurs les plus inspirants et créatifs que j'aie jamais connus avant ou depuis ce temps. " Poulter l'a employé comme assistant d'été, " à 35 cents l'heure, payable occasionnellement." [7] Van Allen s'est spécialisé en physique et a obtenu son diplôme summa cum laude avec ses 37 camarades de classe en juin 1935.

Poulter avait été choisi par l'amiral Richard E. Byrd comme son scientifique en chef pour la deuxième expédition antarctique de 1933-1935 Byrd. Il avait la tâche de planifier et de mener des enquêtes géophysiques au cours de cette expédition. Van Allen a aidé Poulter dans ces préparatifs. Ses contributions comprenaient le développement d'un certain nombre d'instruments, y compris un simple sismographe et un inclinomètre pour enregistrer le déplacement des surfaces glaciaires.

Van Allen s'est vu confier la vérification d'un magnétomètre à champ sensible prêté par le Département de magnétisme terrestre (DTM) de la Carnegie Institution de Washington, DC. En apprenant à utiliser le magnétomètre et son théodolite associé, il a effectué une étude du champ magnétique du comté de Henry, Iowa, qui a été incluse dans la grille nationale de 1932 publiée par le Department of Terrestrial Magnetism. Réfléchissant plus tard sur ce magnétomètre, il l'appela « . le plus bel instrument que j'aie jamais utilisé ». Au cours de son travail avec Poulter, Van Allen a appris la pratique en atelier d'usinage, le soufflage du verre, le soudage et le brasage, les techniques sous vide et, de la plus haute importance, les éléments essentiels de la recherche expérimentale originale. [6]

Poulter a invité Van Allen à l'accompagner dans l'expédition en Antarctique, mais les parents de Van Allen ont opposé leur veto à la proposition. Il dut se contenter d'écouter avidement les reportages radio sur ondes courtes de Little America pour suivre la progression de l'expédition. Lui, avec le reste du monde, a été électrisé par le sauvetage héroïque de Poulter de l'amiral Byrd de sa veillée solitaire à la station du pôle Sud en août 1934. [8]

Poulter et Byrd ont été honorés par un défilé public à Mount Pleasant l'été suivant, et l'amiral Byrd a prononcé le discours d'ouverture en chef lors des exercices de remise des diplômes de Van Allen. Van Allen est allé à son université « familiale », l'Université d'État de l'Iowa, pour des études supérieures en physique. La faculté de physique à l'époque comptait cinq, George W. Stewart (chef de département à partir de 1909), John A. Eldridge, Edward P. T. Tyndall, Claude J. Lapp et Alexander Ellett. La thèse de maîtrise de Van Allen en physique du solide, avec Tyndall comme conseiller, s'intitulait : Un appareil sensible pour déterminer le module de Young à de petites contraintes de tension. Il a reçu son M.S. diplôme à la fin de sa première année là-bas, en 1936. Une bourse lui a permis de continuer à étudier la physique nucléaire à la Carnegie Institution à Washington, DC, où il s'est également immergé dans la recherche en géomagnétisme, rayons cosmiques, physique aurorale et la physique de la haute atmosphère terrestre.

Van Allen a poursuivi son doctorat. recherches avec le professeur Ellett, qui à l'époque se concentrait principalement sur les faisceaux atomiques et la physique nucléaire expérimentale. Dans le cadre de son travail, Van Allen, avec Robert Huntoon et d'autres, a construit une alimentation et un accélérateur à haute tension Cockroft-Walton très improvisés. Après beaucoup de travail acharné et de cajoleries assidues de la machine acariâtre, il a finalement réussi à faire une paire de courses réussies, ce qui a abouti à sa thèse : Section efficace absolue pour la désintégration nucléaire H2 + H2 > H3 + H1 et sa dépendance à l'énergie de bombardement [50 à 380 keV]. Il a obtenu son doctorat. diplôme en juin 1939. [9]

En août 1939, Van Allen rejoint le Département du magnétisme terrestre (DTM) de la Carnegie Institution à Washington, D.C. en tant que chercheur Carnegie. À l'époque, le DTM était un centre de physique nucléaire de classe mondiale, avec Merle Tuve comme force motrice. De 1939 à 1940, Van Allen a travaillé avec Nicholas Monroe Smith Jr. sur la photodésintégration du deutérium par les rayons gamma, et avec Norman Ramsay sur la mesure des sections efficaces neutron-proton à l'aide d'un compteur proportionnel qu'il a conçu pour observer les protons de recul.

Van Allen a franchi le fossé culturel au DTM de la physique nucléaire à la recherche traditionnelle du département en géomagnétisme, rayons cosmiques, physique aurorale et physique ionosphérique. Sous l'influence de chercheurs comme Scott Forbush, Harry Vestine, Sydney Chapman et Julius Bartels, l'intérêt de Van Allen pour la physique nucléaire des basses énergies a diminué. Il décida de faire du géomagnétisme, des rayons cosmiques et de la physique solaire-terrestre ses domaines de recherche, mais cette transformation devait attendre l'achèvement des contributions de Van Allen en temps de guerre.

À l'été 1940, il a rejoint les efforts de défense nationale du DTM avec sa nomination à un poste d'état-major dans la section T du National Defense Research Committee (NDRC) à Washington, DC où il a travaillé au développement de fusées photoélectriques et radio de proximité, qui sont détonateurs qui augmentent l'efficacité des tirs antiaériens. Un autre projet de la NDRC est devenu plus tard le projet de bombe atomique Manhattan en 1941. Avec le déclenchement de la Seconde Guerre mondiale, le travail de fusée de proximité a été transféré au laboratoire de physique appliquée (APL) nouvellement créé de l'Université Johns Hopkins en avril 1942. [10] Il a travaillé sur l'amélioration de la robustesse des tubes à vide soumis aux vibrations d'une batterie de canon. Les travaux de l'APL ont abouti à une nouvelle génération de fusées de radio-proximité pour la défense antiaérienne des navires et pour le bombardement côtier.

Van Allen a été nommé lieutenant de la marine américaine en novembre 1942 et a servi pendant 16 mois sur une succession de destroyers de la flotte du Pacifique Sud, instruisant des officiers d'artillerie et effectuant des tests sur ses fusibles d'artillerie. Il était officier d'artillerie d'état-major adjoint sur le cuirassé USS Washington lorsque le navire s'est défendu avec succès contre une attaque kamikaze japonaise lors de la bataille de la mer des Philippines (19-20 juin 1944). Pour ses actions au Pacifique, Van Allen a reçu quatre étoiles de bataille. [11] Il a été promu au grade de lieutenant-commandant en 1946. « Mon service en tant qu'officier de marine était, de loin, l'expérience la plus enrichissante de ma vie », écrit-il dans un essai autobiographique de 1990. [6]

Démobilisé de la Marine en 1946, Van Allen est retourné à la recherche civile à l'APL. Il a organisé et dirigé une équipe à l'Université Johns Hopkins pour mener des expériences à haute altitude, en utilisant des roquettes V-2 capturées sur les Allemands à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Van Allen a décidé qu'une petite fusée-sonde était nécessaire pour la recherche dans la haute atmosphère. L'Aerojet WAC Corporal et le missile Bumblebee ont été développés dans le cadre d'un programme de l'US Navy. Il a dessiné les spécifications de la fusée-sonde Aerobee et a dirigé le comité qui a convaincu le gouvernement américain de la produire. Le premier Aerobee porteur d'instruments était l'A-5, lancé le 5 mars 1948 depuis White Sands, au Nouveau-Mexique, transportant des instruments pour la recherche sur le rayonnement cosmique, atteignant une altitude de 117,5 km.

Van Allen a été élu président du V-2 Upper Atmosphere Panel le 29 décembre 1947. Le panel a été rebaptisé Upper Atmosphere Rocket Research Panel le 18 mars 1948, puis Rocket and Satellite Research Panel le 29 avril 1948. Le panel a suspendu ses activités en mai. décédé le 19 décembre 1960 et a eu une réunion le 2 février 1968. [12]

Cmdr. Lee Lewis, Cmdr. G. Halvorson, S.F. Singer et James A. Van Allen ont développé l'idée du Rockoon le 1er mars 1949 lors de la croisière de tir de fusée Aerobee sur le navire de recherche U.S.S. Son Norton.

Le 5 avril 1950, Van Allen quitte le Laboratoire de physique appliquée pour accepter une bourse de recherche de la John Simon Guggenheim Memorial Foundation au Brookhaven National Laboratory. L'année suivante (1951) Van Allen a accepté le poste de chef du département de physique à l'Université de l'Iowa. Peu de temps après, il enrôla des étudiants dans ses efforts pour découvrir les secrets du bleu sauvage là-bas et inventer des moyens de transporter les instruments plus haut dans l'atmosphère que jamais auparavant. En 1952, Van Allen a été le premier à concevoir une combinaison ballon-fusée qui a soulevé des fusées sur des ballons bien au-dessus de la majeure partie de l'atmosphère terrestre avant de les tirer encore plus haut. Les roquettes ont été allumées après que les ballons aient atteint une altitude de 16 kilomètres.

Comme Temps Le magazine a rapporté plus tard : « Les « Rockoons » de Van Allen ne pouvaient pas être tirés dans l'Iowa de peur que les roquettes épuisées ne frappent un Iowan ou sa maison. » Van Allen a donc convaincu les garde-côtes américains de le laisser tirer avec ses Rockoons depuis le brise-glace Eastwind qui se dirigeait vers le Groenland. "Le premier ballon s'est élevé correctement à 70 000 pieds, mais la fusée suspendue en dessous n'a pas tiré. Le deuxième Rockoon s'est comporté de la même manière exaspérante. Sur la théorie selon laquelle le froid extrême à haute altitude aurait pu arrêter le mouvement d'horlogerie censé allumer les fusées , Van Allen a chauffé des boîtes de jus d'orange, les a blotties dans la troisième télécabine de Rockoon et a enveloppé toute l'entreprise dans de l'isolant. La roquette a tiré.

En 1953, les Rockoons et leurs charges utiles scientifiques lancées au large de Terre-Neuve ont détecté le premier indice de ceintures de radiations entourant la Terre. La technique Rockoon à faible coût a ensuite été utilisée par les groupes de recherche de l'Office of Naval Research et de l'Université de l'Iowa en 1953-1955 et 1957, à partir de navires en mer entre Boston et Thulé, au Groenland. [13] [14]

En 1954, lors d'une discussion privée sur le projet Redstone avec Ernst Stuhlinger, Wernher von Braun exprima sa conviction qu'ils devraient avoir un "vrai scientifique honnête" impliqué dans leur petit projet de satellite non officiel. "Je suis sûr que vous connaissez un scientifique quelque part qui remplirait la facture, peut-être dans la classe du prix Nobel, prêt à travailler avec nous et à installer des instruments sur notre satellite." Stuhlinger, lui-même chercheur en rayons cosmiques pendant ses années d'université, et ayant travaillé avec Van Allen à White Sands avec des fusées V-2, était prêt avec sa réponse : "Oui, bien sûr, je parlerai au Dr Van Allen."

Stuhlinger a poursuivi avec une visite à Van Allen à son domicile de Princeton, New Jersey, où Van Allen était en congé sabbatique de l'Iowa pour travailler sur la conception de Stellarator. Van Allen raconta plus tard : « Le message de 1954 de Stuhlinger était simple et éloquent. En raison des développements de missiles balistiques à l'Agence des missiles balistiques de l'armée (ABMA), il était réaliste de s'attendre à ce que d'ici un an ou deux, un petit satellite scientifique puisse être propulsé dans un orbite autour de la terre (Projet Orbiter). J'ai exprimé un vif intérêt pour la réalisation d'une étude mondiale de l'intensité des rayons cosmiques au-dessus de l'atmosphère. [15]

En 1950 se produisit un événement qui commença modestement mais devait affecter l'avenir de Van Allen et de tous ses compatriotes. En mars, le physicien britannique Sydney Chapman a rendu visite à Van Allen [et] a fait remarquer qu'il aimerait rencontrer d'autres scientifiques dans la région de Washington. Van Allen a téléphoné, a rapidement réuni huit ou dix scientifiques de haut niveau (Lloyd Berkner, S. Fred Singer et Harry Vestine) dans le salon de sa petite maison en briques. "C'était ce que vous pourriez appeler une session de taureaux généalogiques", dit-il. L'exposé s'est tourné vers la géophysique et les deux « Années polaires internationales » qui avaient enrôlé les principaux pays du monde pour étudier les régions de l'Arctique et de l'Antarctique en 1882 et 1932. Quelqu'un a suggéré qu'avec le développement de nouveaux outils tels que les fusées, les radars et les ordinateurs, le le temps était venu pour une année géophysique mondiale. Les autres hommes étaient enthousiastes et leur enthousiasme s'est répandu dans le monde entier depuis Washington DC. À partir de cette réunion, Lloyd Berkner et d'autres participants ont proposé au Conseil international des unions scientifiques de planifier une AGI pour 1957-58 (pendant l'activité solaire maximale). L'Année géophysique internationale (1957-1958) a incité le gouvernement américain à promettre des satellites terrestres comme outils géophysiques. Le gouvernement soviétique a répliqué en mettant ses Spoutniks en orbite. On peut dire que la course dans l'espace ou Space Race a commencé dans le salon de Van Allen ce soir-là en 1950.

En 1955, les États-Unis ont annoncé le projet Vanguard dans le cadre de la contribution américaine à l'Année géophysique internationale. Vanguard prévoyait de lancer un satellite artificiel en orbite autour de la Terre. Il devait être exploité par l'US Navy et développé à partir de fusées-sondes, qui avaient l'avantage d'être principalement utilisées pour des expériences scientifiques non militaires. [16]

Un symposium sur « Les utilisations scientifiques des satellites terrestres » s'est tenu les 26 et 27 janvier 1956 à l'Université du Michigan sous le parrainage du Upper Atmosphere Rocket Research Panel, présidé par le Dr Van Allen. 33 propositions scientifiques ont été présentées pour inclusion dans les satellites IGY. La présentation de Van Allen a mis en évidence l'utilisation des satellites pour poursuivre les investigations sur les rayons cosmiques. Au même moment, son Iowa Group a commencé à préparer les instruments de recherche scientifique qui seront transportés par « Rockoons » et Vanguard pour l'Année géophysique internationale. Grâce à « la préparation et la bonne fortune », comme il l'a écrit plus tard, ces instruments scientifiques étaient disponibles pour être incorporés dans les lancements de 1958 de l'Explorer et du Pioneer IGY.

  • 1er juillet 1957 : Début de l'Année géophysique internationale. L'IGY est réalisée par le Conseil international des unions scientifiques, sur une période de 18 mois choisie pour correspondre à la période d'activité solaire maximale (par exemple les taches solaires). Lloyd Berkner, l'un des scientifiques de la réunion du 5 avril 1950 à Silver Spring, dans le Maryland, dans la maison de Van Allen, est président de l'ICSU de 1957 à 1959.
  • 26 septembre 1957 : Trente-six Rockoons (roquettes lancées par ballons) sont lancés depuis le brise-glace de la Marine U.S.S. Glacier dans les régions de l'Atlantique, du Pacifique et de l'Antarctique allant de 75° N. à 72° S. de latitude, dans le cadre du programme scientifique de l'Année géophysique internationale des États-Unis dirigé par Van Allen et Lawrence J. Cahill de l'Université de l'Iowa. Il s'agissait des premiers sondages de fusées dans la haute atmosphère connus dans la région de l'Antarctique. Lancé depuis IGY Rockoon Launch Site 2, Latitude de l'océan Atlantique : 0,83° N, Longitude : 0,99° W.
  • 4 octobre 1957 : L'Union soviétique (URSS) lance avec succès Spoutnik 1, le premier satellite artificiel au monde, dans le cadre de sa participation à l'AGI.
  • 31 janvier 1958 : Le premier satellite américain, Explorer 1, est lancé en orbite terrestre sur une fusée d'appoint à quatre étages Juno I depuis Cap Canaveral, en Floride. À bord d'Explorer 1 se trouvaient un détecteur de micrométéorites et une expérience de rayons cosmiques conçus par Van Allen et ses étudiants diplômés, avec le déploiement par satellite de l'ensemble de capteurs supervisé par Ernst Stuhlinger, qui avait également une formation d'expert en rayons cosmiques. [17] Les données d'Explorer 1 et d'Explorer 3 (lancés le 26 mars 1958) ont été utilisées par le groupe de l'Iowa pour faire « la première découverte scientifique de l'ère spatiale » : « l'existence d'une région en forme de beignet de rayonnement de particules chargées piégée par le champ magnétique terrestre".
  • 29 juillet 1958 : le Congrès des États-Unis adopte le National Aeronautics and Space Act (communément appelé « Space Act »), qui crée la National Aeronautics and Space Administration (NASA) le 1er octobre 1958 à partir du National Advisory Committee for Aeronautics ( NACA) et d'autres agences gouvernementales.
  • 6 décembre 1958 : Pioneer 3, la troisième sonde de l'Année géophysique internationale des États-Unis sous la direction de la NASA avec l'armée agissant en tant qu'agent exécutif, a été lancée depuis l'Atlantic Missile Range par une fusée Juno II. L'objectif principal du vol, placer la charge utile scientifique de 12,95 livres (5,87 kg) à proximité de la lune, a échoué. Pioneer III a atteint une altitude de 63 000 miles (101 000 km), fournissant à Van Allen des données supplémentaires qui ont conduit à la découverte d'une deuxième ceinture de radiation. Le rayonnement piégé commence à une altitude de plusieurs centaines de kilomètres de la Terre et s'étend sur plusieurs milliers de kilomètres dans l'espace. Les ceintures de radiation de Van Allen portent le nom de Van Allen, leur découvreur.

Van Allen a dirigé le département de physique et d'astronomie de l'Université de l'Iowa jusqu'à sa retraite de l'enseignement en 1985. Au cours des années 1950, lui et ses étudiants diplômés ont utilisé le terrain d'entraînement de football de l'UI pour lancer des fusées et des "Rockoons" - des fusées transportées en haut par des ballons - pour mener des expériences sur les rayons cosmiques au-dessus de l'atmosphère. Un point culminant de ce travail a été la découverte en 1953 d'électrons considérés comme la force motrice de l'aurore. En 1956, il a proposé l'utilisation de satellites américains pour les enquêtes sur les rayons cosmiques et par « la préparation et la bonne fortune », écrira-t-il plus tard, [ citation requise ] l'expérience a été choisie comme charge utile principale pour le premier vol d'une fusée Juno I à quatre étages en octobre 1957.

Van Allen a joué un rôle clé dans la planification de l'Année géophysique internationale (AGI) 1957-1958 et a effectué des expéditions à bord de navires au Groenland et vers le sud jusqu'à la mer de Ross au large des côtes de l'Antarctique en 1957. L'AIG a culminé avec le lancement du 31 janvier 1958 de Explorer 1 et sa charge utile scientifique. Les instruments de Van Allen comprenaient un tube Geiger-Müller, qui fournissait des données et des informations indiquant que des régions de rayonnement intense entourent la Terre. La découverte a marqué la naissance du domaine de recherche de la physique magnétosphérique, une entreprise qui a grandi pour impliquer plus de 1 000 chercheurs dans plus de 20 pays.

En 1974, Magazine de personnes a classé Van Allen parmi les 10 meilleurs professeurs d'université du pays. Ses anciens étudiants diplômés énumèrent parmi leurs réalisations des expériences sur les vaisseaux spatiaux Pioneer 10 et 11, Voyager 1 et 2, Galileo et Cassini de la NASA. Van Allen a rejoint l'American Geophysical Union (AGU) en 1948 et a été président de l'organisation de 1982 à 1984. Il a reçu les plus hautes distinctions de l'AGU, dont le John A. Fleming Award en 1963 pour son éminence en géophysique et la médaille William Bowie en 1977 pour ses contributions exceptionnelles à la géophysique fondamentale et pour sa coopération désintéressée dans la recherche.

De plus, en 1962, Van Allen est devenu le deuxième récipiendaire du prix international d'astronautique Daniel et Florence Guggenheim présenté par l'Académie internationale d'astronautique pour des contributions remarquables à l'astronautique, et en mars 2006, il a reçu le trophée 2006 du Smithsonian National Air and Space Museum pour la vie. réussite. En 1994, Van Allen a reçu le prix Gerard P. Kuiper 1994 de la Division des sciences planétaires de l'American Astronomical Society « en reconnaissance de ses nombreuses contributions au domaine de la science planétaire, à la fois par ses recherches sur les magnétosphères planétaires et par son plaidoyer pour exploration planétaire." Toujours en 1994, la NASA lui a décerné un prix d'excellence pour l'ensemble de ses réalisations à l'occasion de son 80e anniversaire et du 75e anniversaire de l'American Geophysical Union.

Les autres prix et distinctions de Van Allen incluent l'adhésion à la National Academy of Sciences depuis 1959 et la National Medal of Science, la plus haute distinction du pays pour les réalisations scientifiques, présentée en 1987 par le président Reagan lors de cérémonies à la Maison Blanche. En 1989, il a reçu le prix Crafoord, décerné par l'Académie royale des sciences de Suède à Stockholm et présenté par le roi de Suède. Le prix Crafoord est la plus haute récompense que l'Académie puisse décerner pour la recherche dans un certain nombre de domaines scientifiques et, pour l'exploration spatiale, est l'équivalent du prix Nobel.

Sa réalisation la plus fière en tant qu'éducateur a peut-être laissé sa marque sur 34 étudiants au doctorat, 47 étudiants à la maîtrise et, surtout, les nombreux étudiants de premier cycle qui ont apprécié ses cours. Dans une interview de février 2004 [ citation requise ] il a dit : « J'ai enseigné 'l'astronomie générale' pendant 17 ans, et c'était mon cours préféré. J'ai passé une ou deux heures à préparer chaque conférence parce que j'avais un véritable enthousiasme pour le cours. Aujourd'hui, je rencontre des gens tous les temps qui disent, 'Vous ne vous souvenez pas de moi, mais j'ai suivi votre cours en 1985.' Many former students tell me how much they enjoyed the course."

The May 4, 1959 issue of Temps magazine credited James Van Allen as the man most responsible for giving the U.S. "a big lead in scientific achievement." They called Van Allen "a key figure in the cold war’s competition for prestige. . Today he can tip back his head and look at the sky. Beyond its outermost blue are the world-encompassing belts of fierce radiation that bear his name. No human name has ever been given to a more majestic feature of the planet Earth."

James Van Allen, his colleagues, associates and students at The University of Iowa continued to fly scientific instruments on sounding rockets, Earth satellites (Explorer 52 / Hawkeye 1), and interplanetary spacecraft including the first missions (Pioneer program, Mariner program, Voyager program, Galileo spacecraft) to the planets Venus, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune. Their discoveries contributed important segments to the world's knowledge of energetic particles, plasmas and radio waves throughout the solar system.

Van Allen was the principal investigator for scientific investigations on 24 Earth satellites and planetary missions.

Van Allen stepped down as the head of the Dept. of Physics & Astronomy in 1985, but continued working at the University of Iowa as the Carver Professor of Physics, Emeritus.

In 1987, President Ronald Reagan presented the National Medal of Science, the U.S.'s highest honor for scientific achievement, to James Van Allen at White House ceremonies. In 1989, he received the Crafoord Prize, awarded by the Royal Swedish Academy of Sciences in Stockholm and presented by the King of Sweden. The Crafoord Prize is the highest award the Academy can bestow for research in a number of scientific fields and, for space exploration, is the equivalent of the Nobel Prize.

On October 9, 2004, the University of Iowa and the UI Alumni Association hosted a celebration to honor Van Allen and his many accomplishments, and in recognition of his 90th birthday. Activities included an invited lecture series, a public lecture followed by a cake and punch reception, and an evening banquet with many of his former colleagues and students in attendance. In August 2005, an elementary school bearing his name opened in North Liberty, Iowa. There is also a Van Allen elementary school in Escalon, CA. [18]

In 2009, Van Allen's boyhood home in Mt. Pleasant, once maintained as a museum, was slated to be demolished. [19] The new owner, Lee Pennebaker, chose not to demolish the home. It was donated to the Henry County Heritage Trust, which plans to move the house next to the old Saunders School which will be the home of the Henry County museum. [20]

Van Allen's wife of 61 years was Abigail Fithian Halsey II of Cincinnati (1922–2008). They met at the Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHU/APL) during World War II. They were married October 13, 1945 in Southampton, Long Island. Their five children are Cynthia, Margot, Sarah, Thomas, and Peter. [21]

On August 9, 2006, James Van Allen died at University Hospitals in Iowa City from heart failure. [22] [23]

Professor Van Allen and his wife Abigail are buried in Southampton, New York, where Mrs. Van Allen was born and the couple were married. [24]


'Zebra Stripes' in Earth's Magnetic Field Have Surprising Source

Strange stripelike features in Earth's magnetic field are caused by the planet's spin, and not by the constant bombardment of solar particles as previously thought, scientists say.

The so-called "zebra stripes" form when the electric field around Earth generated by the planet's rotation — previously thought to be too weak to impact the fast-moving particles — creates a striped pattern in the inner electron belt.

"Features similar to zebra stripes were previously inferred from low-altitude electron measurements," said lead study author Sasha Ukhorskiy of Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Maryland. Ukhorskiy was the lead author of the new study that examined the patterns of charged particles and modeled their interactions with Earth's rotation. [Earth Quiz: Do You Truly Know Your Home Planet?]

The "zebra stripes" were previously thought to be caused by the changing flow of particles streaming from the sun.

"It is because of the unprecedented high energy and temporal resolution of our energetic particle experiment RBSPICE — part of the Van Allen Probes NASA mission — that we now understand that the inner belt electrons are, in fact, always organized in zebra patterns," Ukhorskiy told Space.com via email.

A striped shield

Earth's magnetic field surrounds the planet like a shield, protecting it from the constant bombardment of charged particles from the sun. A slight tilt in the axis of this field creates a weak electric field that permeates the inner radiation belt. The interaction between the two creates the zebra stripes, which are concentrated distributions of highly energetic electrons trapped in Earth's magnetic field. These features are invisible to the human eye.

"If the inner belt electron populations are viewed as a viscous fluid — which is just an analogy — these global oscillations stretch and fold that field, much like taffy is stretched and folded in a candy-store machine," Ukhorskiy said. "This stretching-and-folding process results in the striped pattern across the entire inner electron belt."

Before this new finding, scientists had thought the field created by the planet's rotation was too weak to form the zebra stripes because it only changed the speed of the particles by 1 to 2 kilometers per second (0.6 to 1.2 miles per second) — which isn't much, considering the particles had been traveling at almost 100,000 km/s. Instead, the scientists attributed the formation of the features to interactions with the ever-changing solar wind and the presence of geomagnetic storms.

Working with a team of scientists, Ukhorskiy studied the data gathered by the Van Allen Probes to determine that the zebra stripes are a constant fixture in Earth's magnetic field, rather than features whose formation are dictated by the ever-changing presence of the solar wind.

"The fact that zebra patterns are observed — and are more clear — during intervals of quiet solar-wind conditions was the main indication that it must be the Earth's rotation that drives them," Ukhorskiy said.

The presence of the stripes only during calm periods was the first clue that the solar wind was not the driving force behind them. Ukhorskiy and his team went on to model the interactions between the magnetic field and the weak electric field generated by the planet's rotation. They concluded that this interaction created the zebra stripes.

Zebra stripes only form in the inner electron belt, which extends from Earth's atmosphere up to approximately 8,000 miles (13,000 kilometers) above the planet's surface. The outer electron belts take the brunt of the solar wind, making an unstable environment of competing processes.

The new findings were published online March 19 in the journal Nature.

Stripes in the solar system

Launched in 2012, the Van Allen Probes consist of two spacecraft located in the concentrated regions of Earth's electric field known as the Van Allen belts. The satellites study electrons in the radiation belt, and how their behavior changes over time and as a result of interactions with solar particles.

Although the radiation belt deflects most of the harmful material streaming from the sun, massive solar storms on the star occasionally hurl large quantities of material toward the planet that can affect satellites, communication systems and power grids. Understanding how Earth's shield interacts with these particles can help scientists gauge the measures needed to protect these systems.

Zebra stripes may surround other planets in the solar system. Ukhorskiy said the rotational forces of Jupiter and Saturn are far more prominent in affecting their plasma environments, making the concentrated pattern a likely feature in their radiation belts. Launched in 2011, NASA's Juno mission is set to reach Jupiter in July 2016, and should spot any zebra stripes in the gas giant's radiation belt.

When asked about the next step, Ukhorskiy said, "In my opinion, the most intriguing science question is whether similar or more prominent features exist at the outer planets."

Editor's Note: This story was updated April 4 to correct the institution for lead study author Sasha Ukhorskiy of Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory in Maryland.


Do other planets with a magnetic field also have two Van Allen belts? - Astronomie

Space is a challenging place. We think of it as mostly empty, but that is not completely true. The vast sea of space in our solar system is filled with powerful radiation and bombarded with high-speed atomic particles. In addition, the Sun generates a continuous stream of particles that we call the "solar wind." The high energy radiation, the high energy particles, and the solar wind could prove dangerous to life here on Earth's surface. Earth's planetary shield -- the Earth's magnetic field working together with our atmosphere -- protects us.

Every magnet generates a magnetic field. Several objects in our solar system also have their own massive magnetic fields: the Sun, Earth, Mercury, Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune. The magnetic field around a planet that extends into space is called a magnetosphere. The magnetospheres of the planets interact with the particles from the Sun -- the solar wind. Within the magnetosphere, charged particles spiraling along the Earth's magnetic field toward the poles create beautiful aurorae, the northern and southern lights, when they interact with our atmosphere.

Magnetic fields can also create hazards. Magnetospheres trap high energy particles into radiation belts around planets. The distant gas giant planets do not need protection from the solar wind instead, their powerful radiation belts create a serious hazard for spacecraft, as do our own Van Allen radiation belts here on Earth.

Earth's magnetosphere does more than shield us from the constant barrage of high-energy particles. It also protects our atmosphere and oceans from the solar wind, which would otherwise gradually erode them away into space. Mars' lack of a magnetosphere may be partly responsible for the thinness of its atmosphere and absent oceans. A magnetosphere on Venus could have prevented this planet's primordial water from escaping into space.

Given these critical roles, it is not surprising that several missions are actively investigating these planetary shields. The ongoing MESSENGER mission is mapping out Mercury's magnetic field, as is Cassini at Saturn, and Juno is on its way to do the same at Jupiter. The Solar Dynamics Observatory is also monitoring the Sun and its magnetic field to explore its impact on the near Earth space environment.

Magnetism is a force in nature that is produced by electric fields in motion. This movement can involve electrons 'spinning' around atomic nuclei, flowing through a conducting wire or ions moving through space in an organized stream.

Earth's magnetic field is familiar to us through its effects: our compasses point to the magnetic poles (north and south) it protects our atmosphere from the blast of the solar wind and particles interact with it to produce the auroras, or northern and southern lights. Similarly, the magnetic fields of Mercury, Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune are detectable with compasses, and we have seen beautiful auroras on Jupiter and Saturn!

Planetary magnetic fields originate from processes deep in each planet's interior. Earth's is generated from the electric current caused by the flow of molten metallic material within its outer core. Mercury's may be generated from its liquid core. Jupiter and Saturn are composed of gases crushed to such incredible pressures that they are forced beyond the common states of liquid, solid, or gas that we find on Earth. One such a layer inside Jupiter and Saturn is metallic hydrogen, and the electric current caused by swirling movements in this substance produces a magnetic field so large that the tail of Jupiter's magnetic field reaches the edge of Saturn's orbit!

Scientists map planetary magnetic fields with a more sophisticated version of a compass, called a magnetometer. They also "listen" for the radio signals given off by charged particles as they move through the magnetic field, and measure the properties of ions and electrons directly with particle detectors.

The Sun has a very large and complex magnetic field. It actually extends far out into space, beyond the furthest planet. The solar wind, the stream of charged particles that flows outward from the Sun, carries the Sun's magnetic field to the planets and beyond. While the basic shape of the Sun's magnetic field is like the shape of Earth's field, with a north and south pole, superimposed on this basic field is a much more complex series of local fields that vary over time. Places where the Sun's magnetic field is especially strong are called active regions, and often produce sunspots. Disruptions in magnetic fields near active regions can create energetic explosions on the Sun such as solar flares and coronal mass ejections. The exact nature and source of the Sun's magnetic field are areas of ongoing research. Turbulent motions of charged plasmas in the Sun's convective zone clearly play a role.

In spite of the low density, the solar wind and its accompanying magnetic fields are strong enough to interact with the planets and their magnetic fields to shape magnetospheres. A magnetosphere is the region surrounding a planet where the planet's magnetic field dominates. Because the ions in the solar plasma are charged, they interact with these magnetic fields, and solar wind particles are swept around planetary magnetospheres, as are particles from the planet's atmosphere. At Jupiter and Saturn, the plasma inside the magnetosphere is almost entirely from their moons. Robotic missions investigating these worlds are challenged by the energetic charged particles that are trapped in these planets' magnetic fields as radiation belts.

The shape of the Earth's magnetosphere is the direct result of being blasted by solar wind. Solar wind compresses its sunward side to a distance of only 6 to 10 times the radius of the Earth. Solar wind drags out the night-side magnetosphere to possibly 1,000 times Earth's radius this extension of the magnetosphere is known as the magnetotail. Many other planets in our solar system have magnetospheres of similar, solar wind-influenced shapes.

Link Description
Tracking a Solar Storm: Adventures in Geospace These five short articles provide an excellent background to understand Earth's magnetosphere. The articles Adventures in Geospace, Magnetism, A Magnet in Space, Electricity, Electromagnetism, and The Earth's Magnetosphere explain the basic of magnetism, electricity, electromagnetism and the structure and origin of Earth's magnetic field.
Magnetism from A to B This article by Sun-Earth Day has a variety of details about magnetism.

Featured Missions

This mission to Jupiter will map the magnetic field and the magnetosphere near Jupiter's poles, especially the auroras -- Jupiter's northern and southern lights. This data will reveal the planet's interior structure and provide new insights about how the planet's enormous magnetic force field affects its atmosphere.

Launched on Feb. 11, 2010, SDO is examining the Sun's magnetic field and also provides a better understanding of the role the Sun plays in Earth's atmospheric chemistry and climate. SDO will determine how the Sun's magnetic field is generated, structured and converted into violent solar events such as turbulent solar wind, solar flares and coronal mass ejections. These immense clouds of material, when directed toward Earth, can cause large magnetic storms in our planet's magnetosphere and upper atmosphere.

The MESSENGER mission is examining how Mercury's magnetic field interacts with the powerful solar wind.

Cassini's continued journey carries it throughout the huge sphere of magnetic activity that surrounds Saturn. One major discovery was that water ice jets from Enceladus play a major role in Saturn's magnetosphere. Water from the jets loads up the magnetosphere, influencing radio and auroral activity, and even causes changes in the rotation of the magnetic field itself. The Solstice mission will study these phenomena in unexplored areas of the magnetosphere and probe for links to Enceladus in addition to connections with other moons.

THEMIS is investigating what causes auroras in the Earth's atmosphere to dramatically change from slowly shimmering waves of light to wildly shifting streaks of color. Discovering what causes auroras to change will provide scientists with important details on how the planet's magnetosphere works and the important Sun-Earth connection.


NASA’s Van Allen Probes Spot Impenetrable Radiation Barrier in Space

It’s a well-known fact that Earth’s ozone layer protects us from a great deal of the Sun’s ultra-violet radiation. Were it not for this protective barrier around our planet, chances are our surface would be similar to the rugged and lifeless landscape we observe on Mars.

Beyond this barrier lies another – a series of shields formed by a layer of energetic charged particles that are held in place by the Earth’s magnetic field. Known as the Van Allen radiation belts, this wall prevents the fastest, most energetic electrons from reaching Earth.

And according to new research from NASA’s Van Allen probes, it now appears that these belts may be nearly impenetrable, a finding which could have serious implications for future space exploration and research.

The existence of a belt of charged particles trapped by the Earth’s magnetosphere has been the subject of research since the early 20th century. However, it was not until 1958 that the Explorer 1 and Explorer 3 spacecrafts confirmed the existence of the belt, which would then be mapped out by the Explorer 4, Pioneer 3, and Luna 1 missions.

Two giant belts of radiation surround Earth. The inner belt is dominated by protons and the outer one by electrons. Crédit : NASA

Since that time, scientists have discovered much about this belt, including how it interacts with other fields around our planet to form a nearly-impenetrable barrier to incoming electrons.

This discovery was made using NASA’s Van Allen Probes, launched in August 2012 to study the region. According to the observations made by the probes, this region can wax and wane in response to incoming energy from the sun, sometimes swelling up enough to expose satellites in low-Earth orbit to damaging radiation.

“This barrier for the ultra-fast electrons is a remarkable feature of the belts,” said Dan Baker, a space scientist at the University of Colorado in Boulder and first author of the paper. “We’re able to study it for the first time, because we never had such accurate measurements of these high-energy electrons before.”

Understanding what gives the radiation belts their shape and what can affect the way they swell or shrink helps scientists predict the onset of those changes. Such predictions can help scientists protect satellites in the area from the radiation.

In the decades since they were first discovered, scientists have learned that the size of the two belts can change – or merge, or even separate into three belts occasionally. But generally the inner belt stretches from 644 km to 10,000 km (400 – 6,000 mi) above the Earth’s surface while the outer belt stretches from 13,500 t0 58,000 km (8,400 – 36,000 mi).

Up until now, scientists have wondered why these two these belts have existed separately. Why, they have wondered, is there a fairly empty space between the two that appears to be free of electrons? That is where the newly discovered barrier comes in.

The Van Allen Probes data showed that the inner edge of the outer belt is, in fact, highly pronounced. For the fastest, highest-energy electrons, this edge is a sharp boundary that, under normal circumstances, cannot be penetrated.

“When you look at really energetic electrons, they can only come to within a certain distance from Earth,” said Shri Kanekal, the deputy mission scientist for the Van Allen Probes at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, and a co-author on the Nature paper. “This is completely new. We certainly didn’t expect that.”

The team looked at possible causes. They determined that human-generated transmissions were not the cause of the barrier. They also looked at physical causes, asking if the shape of the Earth’s magnetic field could be the cause of the boundary. However, NASA scientists studied and eliminated that possibility and determined that the presence of other space particles appears to be the more likely cause.

A cloud of cold, charged gas around Earth called the plasmasphere (seen here in purple), interacts with the particles in Earth’s radiation belts (shown in grey). Image Credit: NASA/Goddard

The radiation belts are not the only particle structures surrounding Earth. A giant cloud of relatively cool, charged particles called the plasmasphere fills the outermost region of Earth’s atmosphere, beginning at about 600 miles up and extending partially into the outer Van Allen belt. The particles at the outer boundary of the plasmasphere cause particles in the outer radiation belt to scatter, removing them from the belt.

This scattering effect is fairly weak and might not be enough to keep the electrons at the boundary in place, except for a quirk of geometry – the radiation belt electrons move incredibly quickly, but not toward Earth. Instead, they move in giant loops around Earth.

The Van Allen Probes’ data show that in the direction toward Earth, the most energetic electrons have very little motion at all – just a gentle, slow drift that occurs over the course of months. This movement is so slow and weak that it can be rebuffed by the scattering caused by the plasmasphere.

This also helps explain why – under extreme conditions, when an especially strong solar wind or a giant solar eruption such as a coronal mass ejection sends clouds of material into near-Earth space – the electrons from the outer belt can be pushed into the usually-empty slot region between the belts.

“The scattering due to the plasmapause is strong enough to create a wall at the inner edge of the outer Van Allen Belt,” said Baker. “But a strong solar wind event causes the plasmasphere boundary to move inward.”

A massive inflow of matter from the sun can erode the outer plasmasphere, moving its boundaries inward and allowing electrons from the radiation belts the room to move further inward too.

The Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, built and operates the Van Allen Probes for NASA’s Science Mission Directorate. The mission is the second in NASA’s Living With a Star program, managed by Goddard.

A paper on these results appeared in the Nov. 26, 2014, issue of Nature magazine. And be sure to watch this animated video produced by the Goddard Space Center that explains the Van Allen belt in brief:


Why Aren't The Van Allen Belts A Barrier To Spaceflight?

I follow all kinds of information about space and the stars. My brother has only recently started paying attention to these issues, but has been reading some naysayer websites. Because of this, he says he has doubts about the 'truth' of the space shuttle, the flight to the moon and other missions, as some claim that they would be impossible because of the heated layers of atmosphere around the earth, which would destroy them--the Van Allen belts. I know that heat shields are used, and am assuming that the rarefied atmosphere might not conduct heat as well. But what is the real reason why these flights are possible and are not eliminated by the heat of the Van Allen belts or other layers?

In a very unique setting over Earth's colorful horizon, the silhouette of the space shuttle . [+] Endeavour is featured in this photo by an Expedition 22 crew member on board the International Space Station, as the shuttle approached for its docking on Feb. 9 during the STS-130 mission.

So there are two questions mixed up in here - the first is about traversing the atmosphere without burning up, and the second about traversing the Van Allen belts.

It’s true that re-entering the atmosphere from space is a delicate business, and there are only a few safe paths to do so. The atmosphere, as easily as we move through it on the surface of the Earth, can pose a significant barrier to fast-moving objects. Air resistance is a major factor in designing everything from cars to parachutes to space shuttles. If you’ve ever been out in high winds, you’ve felt the kind of barrier wind can produce to your own motion, and how much force it takes to move in resistance to it.

Objects which encounter our atmosphere from space are generally travelling much faster than any winds we’d encounter during a storm here on Earth (thank goodness), and so the air resistance they hit is significant the atmosphere, if hit directly, is almost as solid a barrier as encountering rock. Crew-carrying spacecraft will never plunge straight down into the atmosphere, but encounter it at a shallow angle, which allows the craft to encounter the atmosphere’s resistance less abruptly.

This computer-generated art depicts Orion's heat shield protecting the crew module as it enters the . [+] Earth's atmosphere.

So what does this atmospheric resistance do? It slows down the spacecraft, by absorbing some of the spacecraft’s energy. That energy heats up the atmosphere immediately around the craft, encasing the craft in a superheated plasma for part of its descent, until much of the forward motion of the craft has been lost. By approaching the atmosphere at an angle, this process takes a longer time, and the craft can be safely slowed. If we tried to drop straight down into the atmosphere, the craft would not be able to slow down as much, and the sudden increase in pressure from the atmosphere would put so much stress on the craft that it might break. If you have humans in the craft, this is not a good idea. If, on the other hand, you’re just trying to get a satellite out of orbit, you can drop them into the atmosphere at a steeper angle, as they don’t need to be functional when they plunge into the Pacific Ocean. (That’s usually where we put them.)

So yes, there’s a heating problem when you re-enter the atmosphere, but the atmosphere itself isn’t heated any more than ambient air temperature. It's only the air surrounding the craft which heats, and only because there's a spacecraft barreling through. The upper atmosphere is actually quite cold, so there’s no intrinsic heated barrier to traverse. We don’t have the same heating problem when launching a spacecraft, after all. This heating is simply atmospheric drag, though this is dangerous enough - the loss of heat tiles protecting the wings of the space shuttle was what led to the loss of the Shuttle Columbia.

NASA's Van Allen Probes orbit through two giant radiation belts that surround Earth. Their . [+] observations help improve computer simulations of events in the belts that can affect technology in space.

The Van Allen belts, on the other hand, are not actually part of our atmosphere. They’re well beyond it, extending hundreds of miles outwards into space. There are two, both donut-shaped rings surrounding our planet, and are a consequence of our planet’s magnetic field. The Space Shuttle typically orbited at a height of 190 miles to 330 miles above the surface, and the International Space Station orbits at a height of somewhere between 205 and 270 miles above the surface of the Earth.

The innermost Van Allen belt sits somewhere between 400 to 6,000 miles above the surface of our planet. Even if the innermost belt is at its closest, the ISS (and the space shuttle in its day) are more than 100 miles away from the Van Allen Belts. For near-Earth missions, the Van Allen belts are not a hazard to spacefarers.

It was, however, a hazard for the Apollo missions. The Van Allen belts are not a physical barrier to spacecraft, and so, in principle, we could have sent the Apollo spacecraft through the belts. It would not have been a good idea. The Van Allen belts are a kind of trap for charged particles like protons and electrons. They’re held in place by the magnetic field of the Earth, and so they trace the shape of the magnetic field itself. The problem with the Van Allen belts lies not in them being impassable, but in the charged particles they contain.

In this 1966 photo, a plasma thruster at NASA's Lewis Research Center simulates Van Allen Belts, . [+] rings of radiation around the Earth. The Cleveland, Ohio, center is now John H. Glenn Research Center.

Charged particles are damaging to human bodies, but the amount of damage done can range from none to lethal, depending on the energy those particles deposit, the density of those particles, and the length of time you spend being exposed to them.

In the case of the Apollo missions, the solution was to minimize the second two factors. We can’t control the energy of those particles, though they can be large. The density of the Van Allen belts is well known (from sending uncrewed probes through them), and there are hotspots you can definitely avoid. In particular, the innermost belt is a rather tightly defined region, and it was possible to stay out of it for the trip to the Moon. The second belt is much larger, and harder to avoid, but there are still denser regions to avoid. For the Apollo trips, we wanted to send the astronauts through a sparse region of the belts, and to try and get through them quickly. This was necessary in any case the crafts had to make it to the Moon in a reasonable amount of time, and the shorter the trip, the less exposure to all sorts of radiation the astronauts would get.

An artist's depiction with cutaway section of the two giant donuts of radiation, called the Van . [+] Allen Belts, that surround Earth.

NASA/Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio

In the end, it seemed that these tactics worked the on-board dose counters for the Apollo missions registered average radiation doses to the skin of the astronauts of 0.38 rad. This is about the same radiation dose as getting two CT scans of your head, or half the dose of a single chest CT scan not too bad, though not something you should do every week.

Your brother is right that both the atmosphere and the Van Allen belts can be dangers to space exploration, but with careful observations, orbital maneuvering, and inventiveness, we’ve navigated our way beyond them many times. Hopefully, we'll continue to do so in the future many times more.


Acknowledgments

The authors would like to gratefully acknowledge Richard M. Thorne (25 July 1942 to 12 July 2019), who was a distinguished professor at UCLA and a pioneering scientist in radiation belt physics. W. L. acknowledges the NASA Grants NNX17AD15G, NNX17AG07G, NNX15AI96G, 80NSSC19K0845, the AFOSR Grant FA9550-15-1-0158, the NSF Grants AGS-1723588 and AGS-1847818, and the Alfred P. Sloan Research Fellowship FG-2018-10936. Contribution from M. K. H. was supported by NASA Grant NNX15AF54G and JHU/APL under NASA Contracts NNN16AA09T and NNN06AA01C to U. M. N. and U. N. H. with subcontracts to Dartmouth College. Since this is a review paper, no data were directly used to produce new figures other than adopting figures from previously published papers, which are cited accordingly.