Skip to main content

Stralingsgordels, energetische deeltjes die de Aarde omringen

Gevaarlijke stralingsgordels rondom de Aarde in een donut-vorm

De stralingsgordels (of Van Allen-gordels) zijn ringvormige gebieden rond de Aarde waarin we heel energetische (lees: zeer snelle) deeltjes terugvinden. Die zitten als het ware gevangen in het aardmagnetische veld. Je kan deze deeltjes vergelijken met een soort ioniserende straling. Ze vormen een gevaar voor mensen en voor satellieten in een baan om de Aarde.

De energetische deeltjes in de stralingsgordels volgen de veldlijnen van het magnetisch veld van de Aarde. In de magnetosfeer, die voor een groot deel bestaat uit geïoniseerd gas met lage energie afkomstig van de Aarde, worden zeer energetische geladen deeltjes afkomstig van de Zon gevangen in het magnetisch veld van onze planeet.

Twee Van Allen-gordels en hun afstand van de Aarde (hoogte)

Deze deeltjes bevinden zich in twee welbepaalde donut-vormige gebieden van de magnetosfeer: de Van Allen-gordels. Ze danken hun naam aan de Amerikaanse fysicus James Alfred Van Allen die ze in 1958 heeft ontdekt met behulp van de eerste Amerikaanse satelliet Explorer 1.

  • De binnenste gordel begint op een hoogte tussen 300 en 1.000 km boven het oppervlak en reikt tot ongeveer 10.000 km. Het bestaat voornamelijk uit energetische protonen met energie hoger dan 100 MeV, hoewel het ook ionen en elektronen in kleinere mate bevat.
  • De buitenste gordel ligt tussen 10.000 en 40.000 km hoogte. Het bestaat voornamelijk uit hoge energie-elektronen (0.1–10 MeV).

Tussen de binnenste en de buitenste gordel bevindt zich een "leegte" waar de elektronenflux in de binnenste zone afneemt, alvorens in de buitenste zone terug toe te nemen. De plaats en omvang van de binnenste gordel, de breuk en de buitenste zone zijn afhankelijk van de energie van de elektronen.

Op hoge breedtegraden bereikt de buitenste elektronengordel zeer lage hoogtes.

3 overlappende bewegingen van de deeltjes

Over het algemeen blijven elektrisch geladen deeltjes gevangen in het magneetveld van de aarde. Hun banen kunnen worden ontleed in drie overlappende bewegingen, althans voor deeltjes waarvan de energie niet te hoog is:

  • Een ronddraaiende beweging rond de magnetische veldlijnen
  • Een oscillerende beweging tussen twee spiegelpunten in elk halfrond
  • Een langzamere driftbeweging in lengtegraad, oostwaarts voor de elektronen en westwaarts voor de energetische protonen.

De azimutale beweging van ionen en elektronen in tegengestelde richting veroorzaakt een gigantische stroomspiraal die verantwoordelijk is voor de afname van de intensiteit van de horizontale component van het magnetisch veld tijdens magnetische stormen.

Deze globale beweging verklaart de toroidale vorm (donutvorm) van de stralingsgordels. De symmetrie-as van de stralingsgordels valt samen met de magnetische dipool-as van de Aarde, die een hoek van 11 graden maakt t.o.v. de rotatieas van de Aarde. 

Bovendien is het centrum van de dipool meer dan 500 km verschoven, in de richting van de noordelijke Stille Oceaan, t.o.v. het gravitatiecentrum van de planeet. Door deze verschuiving dringen de energetische protonen dieper in de atmosfeer van de Aarde door over de Zuid-Atlantische Oceaan. Dit gebied wordt de Zuid-Atlantische Anomalie (SAA) genoemd.

Bronnen van de hoogenergetische deeltjes

In de binnenste zone worden hoogenergetische protonen en elektronen geproduceerd door het verval van neutronen die worden opgewekt door kosmische stralen of door hoogenergetische protonen die afkomstig zijn van de zon.

Wanneer deze hoogenergetische deeltjes botsen met stikstof- of zuurstofatomen in de atmosfeer, ontstaat er een kernreactie waarbij een neutron ontstaat. Ongeveer 10% van deze neutronen ontsnapt naar de ruimte en vervalt snel tot protonen en elektronen. Deze worden opgevangen door het magneetveld van de aarde.

De elektronenpopulatie in de buitenste zone varieert veel sneller in de tijd dan in de binnenste gordel, vooral tijdens magnetische stormen. De belangrijkste bronnen van deeltjes in de buitenste gordel zijn de zonnewind en de magnetosfeer. De aanwezigheid van heliumionen en zuurstof toont aan dat ook de ionosfeer een bijdrage levert.

Intensiteit is afhankelijk van de hoogte

Ingevangen deeltjes kunnen door botsingen met de aardatmosfeer verloren gaan.  Vooral protonen die te laag in de atmosfeer afdalen, hebben de neiging om hun lading te verliezen. Onder ongeveer 400 km is de intensiteit van de stralingsgordels laag omdat de deeltjes veel botsingen ondergaan.

Op een radiale afstand van 8000 km kunnen de deeltjes echter enkele jaren in het magnetisch veld blijven steken.  De intensiteit van de fluxen is sterk afhankelijk van de hoogte. De fluxen van zeer energetische protonen die in de binnenste zone worden aangetroffen zijn het schadelijkst voor satellieten, vooral voor de foto-elektrische cellen van zonnepanelen.

Deze drie panelen tonen de relatieve locaties van de buitenste grens van de plasmasfeer van de Aarde, de plasmapauze (in het blauw), en de Van Allen-gordels (in het rood) veranderen naargelang de geomagnetische omstandigheden. Credit: ESA - C. Carreau
Deze afbeelding toont de complexe banen die de deeltjes in de Van Allen-gordels beschrijven.
Deze afbeelding toont de complexe banen die de deeltjes in de Van Allen-gordels beschrijven.