Van Allen-gordel: de onzichtbare stralingsringen rond de aarde
De Van Allen-gordel is een gebied rond de aarde waar enorme aantallen elektrisch geladen deeltjes gevangen zitten in het magneetveld van onze planeet. Het gaat om twee donutvormige zones, de ene dicht bij de aarde en de andere veel verder weg, gevuld met protonen en elektronen die met bijna de snelheid van het licht rondrazen. Deze deeltjes zijn onzichtbaar voor het blote oog, maar ze vormen een reëel gevaar voor satellieten, ruimtevaartuigen en astronauten die er doorheen moeten.
Een handige vergelijking: stel je het magneetveld van de aarde voor als een onzichtbaar spinnenweb dat om de planeet is gespannen. Geladen deeltjes die uit de zon of uit de diepe ruimte komen aanvliegen, raken verstrikt in dat web. Ze kunnen niet zomaar ontsnappen en blijven maandenlang of zelfs jarenlang heen en weer stuiteren tussen de noord- en zuidpool, terwijl ze langzaam om de aarde heen drijven. Zo ontstaat een permanente, maar wisselende, band van straling die het gebied tussen ongeveer duizend en enkele tienduizenden kilometers hoogte vult.
Wat is het precies?
De aarde heeft een magneetveld dat ontstaat diep in de gesmolten metalen kern van de planeet. Dit veld strekt zich ver de ruimte in uit en vormt een soort magnetische kooi, de magnetosfeer genoemd. Geladen deeltjes, zoals protonen (positief geladen kerndeeltjes) en elektronen (negatief geladen deeltjes), reageren sterk op magnetische velden: ze kunnen niet zomaar rechtdoor bewegen, maar worden gedwongen om spiraalvormige banen rond de magnetische veldlijnen te volgen.
Omdat het magneetveld van de aarde bij de polen sterker is dan bij de evenaar, werkt het als een soort magnetische fles. Een deeltje dat richting de pool beweegt, wordt afgeremd en teruggekaatst, ongeveer zoals een bal die tegen een muur stuitert. Dit heet een spiegelpunt. Het deeltje kaatst dus heen en weer tussen het noordelijk en zuidelijk halfrond, terwijl het tegelijk langzaam in een cirkel om de aarde drijft. Elektronen driften naar het oosten, protonen naar het westen, door een subtiel effect van de kromming en sterkte van het magneetveld.
Er zijn twee hoofdgordels. De binnenste gordel ligt op zo'n 1.000 tot 6.000 kilometer hoogte en bestaat vooral uit zeer energierijke protonen. Deze gordel is relatief stabiel. De buitenste gordel ligt tussen ongeveer 13.000 en 60.000 kilometer hoogte, bestaat vooral uit elektronen en is veel grilliger: de dichtheid en energie van de deeltjes kunnen binnen enkele uren met een factor honderd of meer veranderen, afhankelijk van de activiteit van de zon. Tussen de twee gordels zit een relatief lege 'sleuf', al kan die tijdens hevige zonnestormen tijdelijk opvullen. In 2013 ontdekten wetenschappers met de Van Allen Probes zelfs kortstondig een derde, smalle gordel die enkele weken bleef bestaan voordat hij weer verdween.
Vlak boven Zuid-Amerika, ter hoogte van de Zuid-Atlantische Oceaan, buigt het magneetveld van de aarde wat door richting het aardoppervlak. Hierdoor komt de binnenste stralingsgordel daar dichter bij de aarde dan elders, een fenomeen dat bekendstaat als de Zuid-Atlantische Anomalie. Satellieten en het internationale ruimtestation ISS ervaren op dat traject merkbaar meer straling en storingen in elektronica dan elders in hun baan.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar de Van Allen-gordel draait niet om het bouwen van nieuwe technologie zoals bij veel andere onderwerpen op deze site, maar om het begrijpen en voorspellen van een natuurverschijnsel dat directe gevolgen heeft voor moderne technologie. Satellieten voor communicatie, navigatie en aardobservatie moeten vaak door of nabij de gordels heen vliegen. Zonder goede kennis van de stralingsniveaus lopen elektronische systemen risico op storingen of permanente schade.
Een tweede doel is de veiligheid van astronauten. Bemande missies die verder dan de lage baan om de aarde gaan, zoals de Apollo-vluchten naar de maan en de geplande Artemis-missies, moeten door de gordels heen. Kennis van de deeltjesdichtheid helpt om vluchtroutes en tijdstippen te kiezen waarbij de blootstelling aan straling zo laag mogelijk blijft.
Daarnaast is er het bredere vakgebied van ruimteweer: de invloed van zonneactiviteit op de omgeving van de aarde. Hevige zonnestormen kunnen de buitenste gordel tijdelijk enorm laten opzwellen, met 'killer electrons' die satellietelektronica kunnen beschadigen en zelfs stroomnetten op aarde kunnen beïnvloeden via geïnduceerde stromen. Betere voorspelmodellen van de gordel helpen operators van satellieten en energienetwerken zich op tijd voor te bereiden.
Tot slot is er de zuiver wetenschappelijke drijfveer: de gordel is een natuurlijk laboratorium voor plasmafysica, het onderzoek naar geladen deeltjes in elektromagnetische velden. Wat we hier leren, is ook relevant voor het begrijpen van magnetische velden rond andere planeten, zoals Jupiter en Saturnus, die eigen, veel krachtigere stralingsgordels hebben.
Voorbeelden uit de praktijk
Explorer 1 (1958) was de eerste Amerikaanse satelliet en droeg een stralingsmeter van natuurkundige James Van Allen, naar wie de gordel is vernoemd. De onverwacht hoge stralingswaarden die het instrument registreerde, leidden rechtstreeks tot de ontdekking van de gordel.
Tijdens de Apollo-maanvluchten (1968-1972) werd de vliegroute zo gepland dat de capsules de dikste delen van de gordels zo snel mogelijk doorkruisten, meestal binnen minder dan een uur, om de totale stralingsdosis voor de astronauten te beperken.
De Amerikaanse satelliet CRRES (Combined Release and Radiation Effects Satellite, 1990-1991) bracht gedetailleerd in kaart hoe zonnestormen de buitenste gordel binnen enkele minuten kunnen veranderen, en toonde ook hoe elektronica in de praktijk faalde door stralingsschade.
De NASA-missie Van Allen Probes (2012-2019), gebouwd door het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, bestond uit twee identieke sondes die jarenlang gelijktijdig door de gordels vlogen. Deze missie ontdekte in 2013 de tijdelijke derde gordel en leverde het meest gedetailleerde model tot nu toe op van hoe elektronen in de buitenste gordel versneld en weer verwijderd worden.
De Japanse satelliet Arase (ERG, gelanceerd in 2016) van ruimtevaartorganisatie JAXA onderzoekt sindsdien in samenwerking met grondstations hoe golfverschijnselen in het plasma rond de aarde energie overdragen aan deeltjes in de gordel, aanvullend op het werk van de Van Allen Probes.
Hoe ver is de techniek?
De basisstructuur van de Van Allen-gordel is sinds de jaren zestig goed in kaart gebracht en dat beeld is met latere missies flink verfijnd. Wat nog altijd lastig is, is het voorspellen van het gedrag van vooral de buitenste gordel op de korte termijn. Wetenschappers begrijpen de grote lijnen van hoe elektronen versneld worden door golven in het plasma, maar het exacte moment en de exacte hevigheid van een opleving na een zonnestorm blijven moeilijk te voorspellen, vergelijkbaar met hoe weersvoorspellingen op aarde onzeker blijven ondanks goede modellen.
Een aantal satellieten, waaronder de GOES-weersatellieten van de Amerikaanse dienst NOAA, meten continu de stralingsniveaus en voeden operationele waarschuwingssystemen. Een directe opvolger van de Van Allen Probes, met dezelfde mate van detail, is er op dit moment niet; onderzoekers werken vooral met historische data, kleinere instrumenten op bestaande satellieten en verbeterde computersimulaties.
Een belangrijk obstakel blijft de zogeheten Zuid-Atlantische Anomalie, waar de binnenste gordel dichter bij de aarde komt. Naarmate het magneetveld van de aarde langzaam verandert, verschuift en verandert ook dit gebied, wat voortdurende monitoring nodig maakt voor satellietoperators, waaronder de snelgroeiende constellaties van kleine satellieten in lage banen.
Wie werken eraan?
Het Amerikaanse ruimtevaartagentschap NASA, met name het Goddard Space Flight Center, is al decennialang de belangrijkste financier en coördinator van onderzoek naar de stralingsgordels. Het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) bouwde en beheerde de Van Allen Probes en blijft betrokken bij de analyse van de verzamelde data.
Los Alamos National Laboratory en de University of Iowa, waar James Van Allen zelf werkte, hebben een lange onderzoekstraditie op dit gebied. In Europa draagt het European Space Agency (ESA) bij via ruimteweeronderzoek en satellietinstrumenten. Japan is actief via JAXA met de Arase-missie, en in de Verenigde Staten bewaakt de NOAA Space Weather Prediction Center de gordel operationeel voor waarschuwingen aan satellietoperators en energiebedrijven.