חוגרים את רוח השמש: חגורות ון אלן

כתבה זו נכתבה במסגרת פרוייקט הנגשת מדע של תלמידי תכנית אלפא

קרינה שמקורה בחלל מגיעה לכדור הארץ בצורות רבות. רוב הקרינה מגיעה מהשמש כ"רוח שמש", או קרינה קוסמית סולרית –חלקיקים הנפלטים מהשמש. נוסף על קרינה זו, מגיעה אלינו גם קרינה ממקורות שונים בגלקסיה.

למרות שטף הקרינה, רק חלק קטן ממנה מגיע לתוך אטמוספרת כדור הארץ, בצורת אור וחום מן השמש ואור כוכבים. שאר הקרינה נאספת בזוג טבעות המקיפות את אטמוספרת כדור הארץ. זוג טבעות אלו נקראות "חגורות ון אלן", על שמו של החוקר שגילה אותן ג'יימס ון אלן (van Allen).

ישנם מספר גורמים האחראים להצטברות הקרינה הקוסמית בחגורות ון אלן. המרכזי שבהם הוא השדה המגנטי של כדור הארץ. כדור הארץ יוצר שדה מגנטי, המשתרע על נפח גדול בהרבה מנפחו של כדור הארץ עצמו. האזור שבתחום השפעתו של השדה המגנטי נקרא מגנטוספרה, וחלקיקים המגיעים למהחלל מנותבים על ידי הכוחות המגנטיים לתנועה סיבובית לאורך השדה המגנטי. צורתו של השדה המגנטי סביב כדור הארץ היא טבעתית, ומכאן צורתן של חגורות ון אלן.

הרוח הנושבת מן השמש

גורם נוסף המשפיע על השדה המגנטי של כדור הארץ, ולפיכך גם על חגורות ון אלן, הוא הקרינה הקוסמית הסולרית, או "רוח השמש". הקרינה הסולרית נפלטת מהשמש במהירויות של מאות קילומטרים בשנייה. כאשר חלקיקים אלו מגיעים מהשמש ופוגעים במגנטוספרה של כדור הארץ, מתרחשת תופעה המכונה "סערה גיאו-מגנטית". כשהחלקיקים מן השמש מתחילים לנוע לאורכן של חגורות ון אלן בכמויות גדולות ובמהירות גבוהה במיוחד, הם משפיעים על החגורות עצמן.

על פי רוב, פגיעת חלקיקים מהשמש במגנטוספרה תגרום לשינויים קלים במבנה חגורות ון אלן, אשר יתבטאו בהתרחבות של החגורה הפנימית לכיוון כדור הארץ ובהתרחבות של החגורה החיצונית ממנו והלאה. אך סערות גיאו-מגנטיות חזקות במיוחד יכולות לחולל גם שינויים אחרים. בשנת 2012 גילו לווייני ון אלן, שנשלחו לחקור את החגורות, את קיומה של חגורה שלישית, זמנית, שנעלמה לאחר כחודש. החוקרים קישרו בין תופעה זו לבין התפרצות חזקה במיוחד של רוח שמש, שהתרחשה זמן קצר קודם לכן. אך המחקר בסוגיית הקשר בין רוח השמש לחגורות ון אלן עודנו בעיצומו, ויש שהתפרצות חזקה של רוח שמש מלווה דווקא בהתכווצות של החגורות, או שהן נותרות בלא שינוי.

המאפיין הבולט ביותר של חגורות ון אלן שניתן לראות מתוך כדור הארץ הוא זוהר הקוטב. החלקיקים המגיעים לחגורות ון אלן נמצאים בתנועה מתמדת לאורך השדה המגנטי של כדור הארץ. השדה המגנטי של כדור הארץ חזק במיוחד באזורים מסוימים: אלו הם הקטבים המגנטיים של כדור הארץ, הנמצאים בקרבת הקטבים הגיאוגרפיים, כלומר הקוטב הצפוני והדרומי.

כאשר החלקיקים בחגורות ון אלן מצטברים בקטבים (לדוגמה, כאשר החגורות מתכווצות בכיוון כדור הארץ), מקצת החלקיקים – לרוב אלקטרונים – מתנגשים במולקולות שבחלקה העליון של האטמוספרה. התנגשויות אלו גורמות לשחרור אנרגיה בצורת אור, היוצר את התופעה הנקראת זוהר הקוטב. צבעו של זוהר הקוטב משתנה על פי המולקולות שאיתן מתנגשת הקרינה מחגורות ון אלן.

חגורות ון אלן כמפגע בטיחותי

הקרינה בחגורות ון אלן חזקה למדי, והיא עלולה לפגוע במכשור הרגיש של לוויינים. לוויינים העוברים דרך החגורות נאלצים בדרך כלל לכבות את מערכותיהם, כדי שלא ייפגעו מקרינת החגורות.

גם לאסטרונאוטים היוצאים לחלל נשקפת סכנה מן הקרינה שבחגורות ון אלן. רמות גבוהות של קרינה עלולות לגרום להם נזק בלתי הפיך. כדי לצמצם את הסכנה שבמעבר דרך החגורות, מסלול החלליות היוצאות מכדור הארץ מתוכנן כך שישהו זמן מועט ככל האפשר במרחב החגורות. האסטרונאוטים גם מצוידים במיגון רב נגד קרינה, אך כאשר רוחות השמש חזקות במיוחד, מיגון זה עלול שלא להספיק. לכן נעשים מאמצים רבים לחקור את תופעת רוחות השמש ולחזות את עוצמתן.

חקר חגורות ון אלן, מאפייניהן והגורמים המשפיעים עליהן הוא אחד התחומים הבולטים והחשובים ביותר בחיזוי השפעותיהם של גורמים מן החלל על כדור הארץ, ומהווה חלק קטן אך משמעותי בחקר מזג האוויר בחלל עצמו.