Przechodzenie po pasach

Spróbuję wyjaśnić pewną kwestię, która ilustruje przykład osobliwego  fenomenu doby internetowej. Polega on na tym, iż od czasu do czasu ktoś „odkrywa Amerykę”, niczym po raz nie wiadomo który odgrzewany kotlet. Na dodatek jest to kotlet  schabowy z resztek mielonego. Otóż niedawno natknąłem się na negowanie realizacji amerykańskiego programu lotów człowieka na Księżyc, znanego pod nazwą „APOLLO”.  Obrazy transmisji telewizyjnej z powierzchni Księżyca określone zostały jako  matrixowy fake, czyli że były one  jedynie inscenizacją na potrzeby planu filmowego.  Rolujący po netowych forach ową „sensację” przywołują, jako kluczowy argument za niemożnością lotów załogowych na Księżyc, istnienie wokół Ziemi pól radiacji, w których natężenie szkodliwego promieniowania miałoby okazać się zabójcze dla członków takiej ekspedycji.

Zagadnienie nie należy do kategorii najprostszych, nic zatem dziwnego że u wielu „humanistów” wywołuje zamęt w głowie, a u mniej odpornych powoduje, iż ulegają sugestii, że oto może jest coś „na rzeczy”. Postaram się  owe coś rozjaśnić z intencją, że być może komuś to się przypada.

**************

James Alfred Van Allen (1914 – 2006) był amerykańskim fizykiem, specjalizującym się w badaniach magnetosfery ziemskiej (naukowiec na uniwersytecie stanowym Iowa w Iowa City oraz  na uniwersytecie Johna Hopkinsa w Baltimore), który w latach 40-tych XX wieku pracował nad budową rakiet, w tym wystrzeliwanych z balonów, które miały za cel zbadanie górnych warstw atmosfery oraz jej obszarów graniczących z przestrzenią kosmiczną. Doświadczenie, które zdobył przy budowie aparatury przeznaczonej do wspomnianych badań było powodem, że na pokładzie pierwszego amerykańskiego sztucznego satelity Explorer 1, wyniesionego na orbitę okołoziemską w styczniu 1958 r. (niecałe 4 miesiące po wyniesieniu na orbitę pierwszego sowieckiego  satelity – Sputnika 1), zostało umieszczone zaprojektowane przez niego urządzenie do badania natężenia promieniowania kosmicznego. Był to licznik Geigera-Mullera o zmodyfikowanym zakresie czułości. Badanie wykazało istnienie wyraźnie zwiększonego natężenia promieniowania w zakresie wysokości (nad powierzchnią Ziemi ergo poziomem morza), mniej więcej od 1000 km do 10 000 km. Kolejny satelita wyniesiony w grudniu tego samego roku (Pionieer 3) zarejestrował jeszcze inny obszar zwiększonego promieniowania, na wysokości od 10 000 do 60 000 km.

Satelity te zebrały pierwsze dane o obszarach radiacji, które nazwano Pasami Van Allena. Wówczas nie znana była jeszcze dokładnie natura, skala i siła występującej w nich radiacji, natomiast uzyskane dane potraktowano jako ostrzeżenie przed ewentualnymi lotami ludzi poza obszar magnetosfery ziemskiej. Należało wcześniej zbadać strukturę i siłę promieniowania w wykrytych pasach radiacji, na ile to tylko będzie możliwe.

Pasy radiacji van Allena to chmury naładowanych cząsteczek znajdujących się w pobliżu Ziemi. Nie są to szczelne sfery otaczające Ziemię, gdyż występują one tylko w zakresie kąta o rozmiarze ok. 20 stopni w każdą stronę od biegunów magnetycznych, a następnie rozszerzają się. Dobrym przybliżeniem będzie wyobrazić je sobie na kształt opony, w której pustym centrum znajduje się Ziemia. Chmury te nie mają regularnego kształtu – znajdują się pomiędzy 1000 km do 10 tys. km od powierzchni naszej planety dla pasa wewnętrznego i pomiędzy 18 tys. i 60 tys. km dla zewnętrznego.

Wizualizacja:
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/firebird-ii-and-nasa-mission-locate-whistling-space-electrons-origins
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/studying-the-van-allen-belts-60-years-after-america-s-first-spacecraft

W tle eksploracji kosmosu wraz z wystrzeleniem na orbitę pierwszego sowieckiego satelity rozpoczął się „kosmiczny wyścig” mający wykazać,  kto pierwszy poleci dalej. Gdy w początkach stycznia 1959 r. Sowieci wystrzelili pierwszą sondę w stronę Księżyca o poetyckim imieniu „Marzenie” (Mieczta), u nas znaną pod sygnaturą Łuna 1, Amerykanie serio wzięli się do roboty i na dzisiaj odstawili wszelką konkurencję o wiele długości. I chociaż tamto „marzenie” nie spełniło się, gdyż Mieczta nie trafiła w Księżyc, ale minęła go w odległości 6 000 km, zostając „niechcący” pierwszym sztucznym obiektem wysłanym w przestrzeń międzyplanetarną. Sygnał od tej sondy zanikł po przekroczeniu dystansu 600 000 km od Ziemi, gdyż pojemność baterii na jej pokładzie nie została przewidziana na tak długi lot.

Kolejny problem powstał wówczas, gdy aktywność pasów van Allena zwiększyła się w 1962 r., wskutek realizacji testu Starfish Prime (Pierwsza rozgwiazda) czyli eksplozji amerykańskiego ładunku termojądrowego o mocy 1,4 megatony na wysokości 400 km nad środkowym Pacyfikiem. W efekcie radiacja pasów została dodatkowo zasilona ogromną ilością radioaktywnego odpadu, który czasowo utworzył nowy, sztuczny pas. Obliczono z grubsza, że wysokoenergetyczne elektrony, jako echo  wspomnianego wybuchu, będą uwięzione w tamtym obszarze przez około 5 lat, czyli realizacja lotów załogowych poza ziemską magnetosferę (misje księżycowe) została przesunięta na czas po 1967 r. Uznano, że wtedy zagrożenie radiacyjne nie powinno było być już groźne. W 1968 r. sowiecki próbnik Sonda 5 przeleciał przez Pasy Van Allena z kilkoma zwierzętami na pokładzie. Wróciły one bez szkód na zdrowiu. Eksperyment stanowił potwierdzenie przewidywań teoretycznych.

Przy planowaniu lotów poza orbitę okołoziemską (głównie program  APOLLO) wiedziano o tym zagrożeniu, ale ustalono, że nie jest ono znaczące, zaś jego skutki zostaną zminimalizowane za pomocą ekranowania. Wysłana w 1968 r. misja bezzałogowego statku Apollo 6 miała za zadanie zmierzenie poziomu rzeczywistej radiacji. Był on zgodny z przewidywaniami i porównywalny z dawkami, jakie otrzymuje się w trakcie medycznych prześwietleń.

Pierwszymi ludźmi, którzy przelecieli przez Pasy van Allena, byli astronauci misji Apollo 8  zrealizowanej w grudniu 1968 r., w okresie  świąt Bożego Narodzenia.
[Frank Borman, James Lovell i William Anders – misja na orbitę wokółksiężycową zrealizowana 21 –  27 grudnia 1968 r. (moduł załogowy okrążył 10 razy Księżyc)]
Wg opublikowanego przez NASA raportu, zakumulowana dawka promieniowania, jaką otrzymali członkowie jej załogi, wynosiła1,6 milisiwertów (mSv). Taka była dawka dodatkowa ponad poziom promieniowania naturalnego na powierzchni naszej planety, która „obdarza” każdego z jej mieszkańców  rocznym przydziałem wielkości ok. 6,2 mSv.
[milisiwert to tysięczna część siwerta. Siwert jest jednostką układu SI określającą wchłanianą przez organizm żywy.dozę promieniowania jonizującego (gamma). Wielkość dawki takiego promieniowania dla organizmów żywych określił Rolf Maximilian Sievert (1896 – 1966), szwedzki fizyk medyczny. Siwert to odpowiednik 1 dżula (J) na cm kwadratowy (dżul – jednostka energii)]

Jak wymienione wielkości dawek można porównać i z czym? Np. 1,6 mSv to dodatkowa dawka którą otrzymują w ciągu roku stewardessy – pracownice linii lotniczych (przebywające sporo czasu wysoko ponad powierzchnią Ziemi). Podczas komputerowej tomografii całego ciała otrzymuje się dawkę o wielkości od 10 do 30 mSv. Z kolei 80 mSv to dawka, którą otrzymują astronauci, którzy przez cały rok przebywają na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. I choć są to dawki niezerowe, mające pewien wpływ na ludzki organizm, to nie stwarzają one większego ryzyka dla zdrowia.

Granica śmiertelności wiąże się z  wchłonięciem dawki powyżej 2,5 siwerta (2500 mSv), która doprowadza do śmierci średnio w ciągu 30 dni. Chorobę popromienną wywołuje wchłonięcie dawki o wielkości 1 siwerta (1000 mSv), która nie leczona na ogół zakończy się śmiercią.
W jedynym znanym przypadku naświetlenia dawką 100 siwertów ofiara straciła przytomność już w ciągu pierwszych kilku minut, a śmierć nastąpiła po 38 godzinach.

Trajektoria misji Apollo 11 (tej która zrealizowała pierwsze lądowanie na Księżycu) została dobrana tak, aby wpływ radiacji Pasów van Allena został zminimalizowany. Przelot przez nie trwał łącznie 90 minut, w tym tylko 10 minut przez warstwę o maksymalnej intensywności. Podczas misji astronauci nosili dozymetry. Odczyt z urządzeń wykazał, że lot w obie strony zakumulował w ich organizmach dawkę nie większą niż 2,8 mSv.

APPENDIX
Celem programu badawczego NASA o nazwie Van Allen Probes stało się poznanie środowiska pasa promieniowania i jego zmienności ma praktyczne zastosowanie w obszarach operowania statków kosmicznych, przy projektowaniu systemów elektronicznych tych statków, planowania misji i bezpieczeństwa astronautów. W ramach tego programu wystrzelono w sierpniu 2012 r. dwie sondy Radiation Belt Storm Probes (RBSP), które przez okres siedmiu lat orbitowały pośród pasów van Allena. W 2019 r. zostały one dezaktywowane z powodu wyczerpania baterii, które  zasilały pracę ich podzespołów. Oszacowano, iż orbity sond w ciągu następnych 10 lat (minimum) obniżą się na tyle, że znajdą się w ziemskiej atmosferze i w niej spłoną.

Z misją Van Allen Probes współpracowała w okresie od grudnia 2012 r. do stycznia 2013 r. i od grudnia 2013 r. do stycznia 2014 r. misja Balloon Array for Radiation-belt Relatywistic Electron Loss (BARREL). W ramach projektu BARREL uruchomiono serię badań z wykorzystaniem balonów na dużych wysokościach podczas czterech sesji naukowych: styczeń – luty 2013 i grudzień 2013 – luty 2014 na Antarktydzie, sierpień 2015 i sierpień 2016 w Szwecji. W przeciwieństwie do balonów wielkości boiska piłkarskiego, które wystrzeliwano w kierunku bieguna, w tych badaniach użyto balonów o mniejszych rozmiarach (27 metrów średnicy). Ostatni balon został wystrzelony 30 sierpnia 2016 r. W ramach programu BARREL przeprowadzono ogółem osiem lotów testowych i 55 lotów naukowych. Każdy balon programu BARREL zawierał przyrządy do pomiaru cząstek wyrzucanych z pasów radiacji, które docierają do atmosfery ziemskiej. Porównanie tych danych z zebranymi przez sondy pozwoliło skorelować zmiany w pasach promieniowania z liczbą wyrzucanych cząstek.

Obecnie ludzie przelatują przez Pasy van Allena dość często podczas pobytu na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) , która przecina anomalię Pasów nad południowym Atlantykiem, znajdującą się na tyle blisko powierzchni Ziemi, że trajektoria stacji musi na nią zachodzić. Przed zwiększoną radiacją chronią ekipę stacji odpowiednie osłony.

Dziś wiemy, że w pasach radiacyjnych są wysokoenergetyczne cząstki, uwięzione przez ziemskie pole magnetyczne. Ale nadal nie jest jasne ich szczegółowe oddziaływanie z wiatrem słonecznym i zmianami w magnetosferze. W tym celu są kontynuowane jak też wciąż uruchamiane międzynarodowe programy badania pogody kosmicznej, aby lepiej chronić satelity i astronautów, ponieważ przelot przez pasy radiacji może uszkadzać elektronikę.

Oś obrotu Ziemi oraz jej oś magnetyczna (w przybliżeniu reprezentowana przez oś dipola magnesu sztabkowego) nie pokrywają się, ale są przesunięte względem siebie o około 10 stopni. Z tego względu Pasy Van Allena, które są symetryczne względem równika geomagnetycznego, nie znajdują się w równej odległości od każdego miejsca na planecie. Zawsze z jednej strony będą bardziej przybliżać się do Ziemi. Taka konfiguracja występuje na terytorium Brazylii oraz na południowym Atlantyku, gdyż tam granica wewnętrznego pasa Van Allena znajduje się najniżej. Rejon ten nazywa się Anomalią Południowoatlantycką. Wszystko to razem tworzy skomplikowany przestrzenny układ, na który oddziaływają zarówno ruchy w wnętrzu Ziemi (zmiany prędkości obrotu  jądra planetarnego), jak i wpływ wiatru słonecznego. Dodatkowo, do ostatecznego kształtu ziemskiego pola magnetycznego, dokładają swój udział prądy płynące w jonosferze, a także przewodność oceanów.

Wiedzę na ten temat uzyskaliśmy w ramach projektu SWARM, zrealizowanego  przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), tj. pomiarów satelitarnych (trzy satelity) w okresie od stycznia do czerwca 2014 r. Zebrane dane pozwoliły na wyliczenie uśrednionej wartości pola magnetycznego na całej powierzchni Ziemi.
https://scitechdaily.com/listen-to-the-scary-sounds-of-earths-magnetic-field-captured-by-swarm-satellite-mission/#google_vignette

Ale zagrożenia radiacyjne w przestrzeni kosmicznej  wcale nie kończą się na Pasach Van Allena. Inną i to dużo poważniejszą groźbę stanowi promieniowanie jonizujące Słońca, a zwłaszcza skumulowana radiacja niesiona wybuchami materii słonecznej wyrzucanej w przestrzeń między- planetarną oraz jej konsekwencje, zwłaszcza dla długotrwałych lotów załogowych (np. ekspedycji na Marsa).

Ale to jest odrębny temat.