밴 앨런대
1. 개요
밴 앨런대는 지구 자기장에 갇힌 고에너지 하전 입자들로 이루어진 방사선대로, 1958년 제임스 밴 앨런 연구팀에 의해 발견되었다. 내대와 외대, 두 개의 주요 층으로 구성되며, 태양 활동에 따라 변화한다. 밴 앨런대는 지구뿐만 아니라 다른 행성에서도 발견되었으며, 우주 비행과 인공위성에 영향을 미친다. 밴 앨런대의 제거에 대한 제안도 있으며, 아폴로 계획 음모론과 연관되기도 한다.
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1958년 과학 -
국제 지구물리 관측년
국제 지구물리 관측년은 1957년부터 1958년까지 67개국이 참여하여 전 지구적 규모의 지구물리 현상을 연구하고 우주 개발 경쟁을 촉발했으며 남극 조약 체결에 영향을 미친 과학 관측 프로그램이다. -
1958년 과학 -
1958년 10월 12일 일식
1958년 10월 12일 일식은 부분 일식으로, 사로스 133을 포함한 여러 천문 주기와 관련되어 있으며, 같은 일식 계절에 10월 23일 부분 일식도 발생했다. -
과학 및 자연에 관한 -
단층
단층은 지각 변동으로 암석이 끊어져 어긋난 구조로, 전단력에 의해 형성되며, 지진 발생의 주요 원인이 되고 다양한 자연재해와 사회적 문제를 유발하며, ESR, OSL 연대측정법 등으로 연구된다. -
과학 및 자연에 관한 -
곤드와나
곤드와나는 고생대와 중생대에 존재했던 초대륙으로, 현재의 아프리카, 남아메리카, 남극, 인도, 오스트레일리아 등을 포함했으며, 판게아 분열 이후 서곤드와나와 동곤드와나로 나뉘어 각 대륙이 이동하면서 생물 지리학적 분포 패턴에도 영향을 미쳤다. -
지구과학 -
지리학
지리학은 지구와 천체의 특징, 현상, 그리고 공간적 요소를 체계적으로 연구하는 학문으로, 고대부터 현재까지 이어진다. -
지구과학 -
단층
단층은 지각 변동으로 암석이 끊어져 어긋난 구조로, 전단력에 의해 형성되며, 지진 발생의 주요 원인이 되고 다양한 자연재해와 사회적 문제를 유발하며, ESR, OSL 연대측정법 등으로 연구된다.
2. 발견
1958년, 아이오와 대학교의 제임스 밴 앨런이 이끄는 연구팀은 익스플로러 1호와 익스플로러 3호에 탑재된 탐지기를 통해 밴 앨런대의 존재를 확인했으며, 밴 앨런의 이름을 따서 명명되었다. 익스플로러 4, 파이오니아 3, 루나 1에 의해 갇힌 방사선이 처음으로 지도화되었다.
밴 앨런대 발견 이전에도 크리스티안 비르켈란, 카를 스퇴르머, 니콜라스 크리스토필로스 등은 갇힌 하전입자의 가능성에 대해 연구한 바 있다.
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.
크리스티안 비르켈란, 카를 스퇴르머, 니콜라스 크리스토필로스는 우주 시대 이전에 갇힌 하전 입자의 가능성을 조사하여 방사선 벨트 형성에 대한 이론적 기반을 마련했다.
| 구분 | 구성 입자 | 고도 | 특징 |
|---|---|---|---|
| 내대 | 주로 고에너지 양성자 | 1000km ~ 12000km | 남대서양 이상대 지역에서 지구 표면에 더 가깝게 접근 |
| 외대 | 주로 고에너지 전자 | 13000km ~ 60000km | 내대보다 크고, 태양 활동에 따라 변화가 심함 |
3.1. 내대
내대는 주로 우주선과 지구 대기의 상호작용으로 생성된 고에너지 양성자로 구성된다. 저에너지 양성자는 지자기 폭풍 동안 자기장의 변화로 인한 양성자 확산으로 생성되는 것으로 추정된다. 지구 자전축과 자기축이 약간 기울어져 있기 때문에, 밴 앨런대는 남대서양 이상대에서 지표면에 가장 가깝게 접근한다.
내부 밴 앨런대는 일반적으로 고도 1000km에서 12000km (지구 반지름의 0.2~2배)까지 뻗어 있다. 때로는 태양 활동이 더 강하거나 남대서양 이상대와 같은 지리적 영역에서 내부 경계가 지구 표면에서 대략 200km까지 낮아질 수 있다. 내부대에는 수백 keV 범위의 높은 농도의 전자와 100 MeV를 초과하는 고에너지 양성자가 포함되어 있으며, 이들은 해당 지역의 상대적으로 강한 자기장에 갇혀 있다(외부대와 비교).
낮은 고도의 하부대에서 50 MeV를 초과하는 양성자 에너지는 상층 대기 핵과의 우주선 충돌로 생성된 중성자의 베타 붕괴의 결과인 것으로 생각된다.
3.2. 외대
외대는 주로 지구의 자기권에 갇힌 고에너지(0.1–10 MeV) 전자로 구성되어 있다. 외대는 토러스 형태이며, 지구 반지름의 3배(약 )에서 10배(약 )까지 뻗어 있다. 가장 강한 세기는 보통 지구 반지름의 4 ~ 5배 부근이다. 외측 전자 방사선대는 주로 래디얼 방향의 안쪽으로의 확산과 플라즈마파의 휘슬러 모드에서 방사선대 전자들로의 에너지 전달에 의한 국부 가속으로 생성된다. 방사선대 전자들은 지구 대기와의 충돌, 자기권계면으로의 손실, 바깥쪽으로의 래디얼 방향 확산에 의해 끊임없이 제거된다.
외대의 갇힌 입자 집단은 전자와 다양한 이온을 포함하며, 대부분의 이온은 고에너지 양성자 형태이지만, 일정 비율은 알파 입자와 O+ 산소 이온이다. 이는 전리층 내의 이온과 유사하지만 훨씬 더 에너지가 높다. 이러한 이온 혼합은 링 전류 입자가 하나 이상의 근원에서 기원했을 가능성을 시사한다. 외대는 내대보다 크며, 입자 집단은 지자기 폭풍에 반응하여 크게 변동한다. 고에너지(방사선) 입자 플럭스는 지자기 폭풍에 의해 극적으로 증가하고 감소할 수 있으며, 이는 자기권의 꼬리에서 폭풍 관련 주입과 입자의 가속 때문이다. 외대 입자 집단의 가변성의 또 다른 원인은 광범위한 주파수 범위에서 다양한 플라즈마파와의 파동-입자 상호 작용이다.
2014년, 외대의 내측 가장자리는 매우 날카로운 전이로 특징지어지며, 이 경계 아래로는 5MeV 이상의 고에너지 초고속 전자가 침투할 수 없다는 사실이 밝혀졌다.
2013년 2월 28일, NASA의 반 앨런 탐사 팀은 태양의 코로나 질량 방출로 인해 세 번째 방사선대가 생성되는 것을 발견했다고 보고했다. 이 세 번째 대역은 외대를 분리하여 한 달 동안 별도로 존재하다가 다시 외대와 병합되었다.
4. 연구
NASA의 밴 앨런 탐사선(Van Allen Probes)은 2012년에 발사되어 밴 앨런대의 형성과 변화를 연구했다. 밴 앨런대는 지구뿐만 아니라 자기장을 가진 다른 행성(목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등)에서도 발견된다. 밴 앨런대 내에는 반양성자와 같은 반물질도 소량 존재한다.
크리스티안 비르켈란, 카를 스퇴르머, 니콜라스 크리스토필로스는 1895년에 갇힌 하전 입자의 가능성을 조사하여 방사선 벨트 형성에 대한 이론적 기반을 마련했다. 이후 1958년 초, 세르게이 베르노프가 설계한 탐지기를 탑재한 소련의 스푸트니크 2와 미국의 익스플로러 1, 익스플로러 3이 밴 앨런대의 존재를 확인했으며, 아이오와 대학교의 제임스 밴 앨런의 이름을 따서 명명되었다. 갇힌 방사선은 익스플로러 4, 파이오니아 3, 루나 1에 의해 처음으로 지도화되었다.
밴 앨런 탐사선 임무는 2012년 8월 30일에 성공적으로 발사되었다. 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.
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.
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.
5. 우주 비행 및 인공위성에 미치는 영향
밴 앨런대의 방사선은 인공위성의 전자 장비에 손상을 줄 수 있으며, 우주 비행사의 건강에 위협이 될 수 있다.
아폴로 계획은 인류가 밴 앨런대를 통과한 최초의 사건이었는데, 밴 앨런대를 단시간에 통과하고 안쪽 방사선대를 우회하는 궤도를 택했기 때문에 큰 문제 없이 통과할 수 있었다. 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.
인공위성은 밴 앨런대의 방사선으로부터 보호하기 위해 차폐를 하거나 내방사선 처리를 해야 한다. 허블 우주 망원경은 방사선대를 통과할 때 센서를 끄는 경우가 많다.
5.1. 인공위성 궤도에 따른 영향
국제 우주 정거장처럼 1,000km 이하의 낮은 고도(저궤도)에서는 방사선량이 적어 COTS(상용 부품)도 문제없이 사용할 수 있다. 또한 궤도 경사각이 작은 것이 유리하다.
그 이상의 고도에서는 사전에 방사선 내성을 테스트하는 등 "주의한 COTS"가 필요하다.
6. 밴 앨런대 제거 제안
밴 앨런대의 전하 입자를 제거하면 위성의 새로운 궤도를 열어주고 우주 비행사의 여행을 더 안전하게 만들 수 있다.
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.
밴 앨런대를 제거하는 또 다른 제안은 지상에서 극저주파(VLF) 전파를 밴 앨런대에 쏘는 것이다.
다른 행성 주변의 방사선대를 제거하는 것도 제안되었으며, 예를 들어 목성의 방사선대 내에서 공전하는 유로파를 탐사하기 전에 제거하는 것이다.
2024년 현재, 이러한 방사선대를 제거하는 데 따른 부정적인 의도하지 않은 결과가 있을지는 불확실하다.