밴 앨런대

3. 구조 및 구성

밴 앨런대는 지구 자기장에 갇힌 대전 입자(플라스마)의 층으로, 내대와 외대의 두 개의 주요 영역으로 구성된다. 밴 앨런대의 고도는 지표면에서 1,000 ~ 60,000 km에 이르며, 방사능 수치는 다양하다. 밴 앨런대를 구성하는 입자 대부분은 태양풍이나 우주선에서 비롯된 것으로 알려져 있다.

밴 앨런대는 1958년 익스플로러 1호와 익스플로러 3호에 의해 처음 발견되었으며, 발견자인 제임스 밴 앨런의 이름을 따서 명명되었다. 이후 익스플로러 4호, 파이오니아 3호, 루나 1호에 의해 밴 앨런대의 분포가 상세히 밝혀졌다.

밴 앨런대는 적도에서 위도 65° 정도의 부피에 국한되며, 지구의 대기는 밴 앨런대 입자를 200~1,000km 이상의 지역으로 제한한다. 내대와 외대 사이에는 "안전지대" 또는 "틈(slot)"이라고 불리는 영역이 존재하며, 이곳은 중간 지구 궤도의 위치로 상대적으로 방사선량이 적다. 이 틈은 극저주파 VLF 전파에 의해 발생하며, 이 전파는 입자를 산란시켜 대기에 새로운 이온을 추가한다. 태양 폭발 또한 틈에 입자를 쏟아낼 수 있지만, 며칠 안에 배출된다.

2013년에는 일시적으로 세 번째 띠가 관측되기도 했으나, 4주 후 태양풍에 의해 소멸되었다.^[49]

크리스티안 비르켈란, 카를 스퇴르머, 니콜라스 크리스토필로스는 우주 시대 이전에 갇힌 하전 입자의 가능성을 조사하여 방사선 벨트 형성에 대한 이론적 기반을 마련했다.^[6]

3. 1. 내대

3. 2. 외대

4. 연구

NASA의 밴 앨런 탐사선(Van Allen Probes)은 2012년에 발사되어 밴 앨런대의 형성과 변화를 연구했다.^[10] 밴 앨런대는 지구뿐만 아니라 자기장을 가진 다른 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등)에서도 발견된다.^[53][54] 밴 앨런대 내에는 반양성자와 같은 반물질도 소량 존재한다.^[33]

크리스티안 비르켈란, 카를 스퇴르머, 니콜라스 크리스토필로스는 1895년에 갇힌 하전 입자의 가능성을 조사하여 방사선 벨트 형성에 대한 이론적 기반을 마련했다.^[6] 이후 1958년 초, 세르게이 베르노프가 설계한 탐지기를 탑재한 소련의 스푸트니크 2^[7]와 미국의 익스플로러 1, 익스플로러 3^[8]이 밴 앨런대의 존재를 확인했으며, 아이오와 대학교의 제임스 밴 앨런의 이름을 따서 명명되었다.^[2] 갇힌 방사선은 익스플로러 4, 파이오니아 3, 루나 1에 의해 처음으로 지도화되었다.

밴 앨런 탐사선 임무는 2012년 8월 30일에 성공적으로 발사되었다.^[11] NASA의 고다드 우주 비행 센터는 태양과 함께 살아가기 프로그램을 관리하는데, 밴 앨런 탐사선은 태양 역학 관측소(SDO)와 함께 이 프로그램의 프로젝트였다. 응용 물리학 연구소는 밴 앨런 탐사선의 구현 및 기기 관리를 담당했다.^[12]

지자기 폭풍은 전자 밀도를 비교적 빠르게(약 1일 이하) 증가 또는 감소시킬 수 있다. 밴 앨런 탐사선 B의 자기 전자 이온 분광계(MagEIS) 측정 결과에 따르면, 내부 벨트에서는 긴 전자 수명(100일 이상)이 나타나고, 벨트 사이의 "슬롯"에서는 약 1~2일의 짧은 전자 수명이 관찰되며, 외부 벨트에서는 약 5~20일의 에너지 의존적인 전자 수명이 발견된다.^[13]

반물질-물질 탐사 및 경입자 물리학 탑재체(PAMELA) 실험은 남대서양 이상대를 통과하는 동안 정상적인 입자 붕괴에서 예상되는 것보다 수십 배 더 높은 수준의 반양성자를 감지했다. 이는 밴 앨런대가 지구 대기 상층부와 우주선과의 상호 작용으로 생성된 상당량의 반양성자를 가두고 있음을 시사한다.^[33]

5. 우주 비행 및 인공위성에 미치는 영향

밴 앨런대의 방사선은 인공위성의 전자 장비에 손상을 줄 수 있으며, 우주 비행사의 건강에 위협이 될 수 있다.^[67][68]

아폴로 계획은 인류가 밴 앨런대를 통과한 최초의 사건이었는데, 밴 앨런대를 단시간에 통과하고 안쪽 방사선대를 우회하는 궤도를 택했기 때문에 큰 문제 없이 통과할 수 있었다.^[62][63][64] 우주 비행사들이 받은 총 방사선량은 임무에 따라 달랐지만, 0.16~1.14 rad (1.6~11.4 mGy)로, 미국 원자력 위원회의 연간 5 rem (50 mSv) 기준보다 훨씬 적었다.^[65]

인공위성은 밴 앨런대의 방사선으로부터 보호하기 위해 차폐를 하거나 내방사선 처리를 해야 한다.^[67][68] 허블 우주 망원경은 방사선대를 통과할 때 센서를 끄는 경우가 많다.^[67]

5. 1. 인공위성 궤도에 따른 영향

6. 밴 앨런대 제거 제안

밴 앨런대의 전하 입자를 제거하면 위성의 새로운 궤도를 열어주고 우주 비행사의 여행을 더 안전하게 만들 수 있다.^[42]

고전압 궤도 롱 테더(High Voltage Orbiting Long Tether, HiVOLT)는 러시아 물리학자 V. V. 다닐로프가 제안하고 로버트 P. 호이트와 로버트 L. 포워드가 더 구체화한 개념으로, 지구를 둘러싼 밴 앨런대의 방사선장을 제거하는 것이다.^[43][44]

밴 앨런대를 제거하는 또 다른 제안은 지상에서 극저주파(VLF) 전파를 밴 앨런대에 쏘는 것이다.^[45]

다른 행성 주변의 방사선대를 제거하는 것도 제안되었으며, 예를 들어 목성의 방사선대 내에서 공전하는 유로파를 탐사하기 전에 제거하는 것이다.^[46]

2024년 현재, 이러한 방사선대를 제거하는 데 따른 부정적인 의도하지 않은 결과가 있을지는 불확실하다.^[42]

7. 아폴로 계획 음모론

일부에서는 밴 앨런대의 존재를 이유로 아폴로 계획(인류의 달 착륙 계획)이 날조되었다는 음모론을 제기하기도 한다. 자세한 내용은 아폴로 계획 음모론#조작설 문서를 참조하면 된다.

8. 기타

밴 앨런대의 입자는 지구 자기장에 이끌려 극지방으로 이동하면서 대기 입자와 충돌하여 오로라를 발생시킨다.^[56] 지구 자기장의 자기력선을 따라 운동하며, 북극이나 남극에서는 자기력선에 이끌려 들어온 입자와 대기가 상호작용을 일으켜 오로라가 나타난다.^[48] 오로라는 밴 앨런대의 입자가 원인이기 때문에 태양 활동이 활발할 때는 극지방 이외에서도 관측될 수 있다.^[57] 지구 외에도 자기장을 가진 행성인 목성, 토성, 천왕성에서도 존재가 확인되었다.

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