Sleutelen aan de Van Allengordels

Verrassend makkelijk kunnen de Van Allengordels worden opgeruimd. Doen dus?

George Beekman

Een radiozender in Australië die op lage frequenties uitzendt, zorgt ervoor dat het aantal elektronen dat ten oosten ervan op aarde neerkomt driehonderd keer toeneemt. Die elektronen ‘regenen’ uit de binnenste Van Allengordel, een stralingsgordel op 1.000 tot 5.000 kilometer boven het aardoppervlak.

Dat aftappen is door de Franse geofysicus Jean-André Sauvaud en zijn collega’s gemeten met de Demeter-satelliet. Toen die in juni 2004 in een baan op 700 kilometer rond de aarde was gebracht, stond de zender uit en werd niets bijzonders gemeten. Maar direct nadat de zender in oktober 2004 weer in werking was, detecteerde de satelliet een sterke toename van de elektronen ten oosten ervan. Die ontstond doordat elektronen uit de onderste deeltjesgordel naar de aarde stroomden. Door het elektromagnetisch veld dat de Australische zender met zijn vermogen van een miljoen watt en een golflengte van 15 kilometer opwekt, verlaten de deeltjes het magnetisch veld van de aarde waarin ze gevangen zitten (Geophysical Research Letters, 8 mei).

Dit experiment toont dus aan dat de mens via VLF-zenders inderdaad de binnenste stralingsgordel kan ‘draineren’. Dat uitregenen is gunstig voor de ruimtevaart, maar niet zonder gevaar, want op plaatsen waar veel elektronen de aarde bereiken kunnen radioverbindingen en GPS-signalen verstoord raken.

De Van Allengordel werden door James Van Allen (1914-2006) ontdekt. De binnenste, op hoogten boven de evenaar tussen ruwweg 1.000 en 5.000 kilometer, werd ontdekt met de eerste Amerikaanse kunstmaan Explorer 1, die op 31 januari 1958 in een baan om de aarde kwam. Een door Van Allen gebouwde geigerteller begon toen als een razende te tikken en ontlokte hem de uitroep: ‘de ruimte is radioactief’. De buitenste gordel werd in december dat jaar op hoogten van ruwweg 15.000 tot 30.000 kilometer aangetroond door Pioneer 3, een maanraket die slechts tot op 100.000 kilometer van de aarde kwam.

bogen

De Van Allengordels bestaan uit elektrisch geladen deeltjes die gevangen zitten in de magnetosfeer van de aarde. Zij suizen met bijna de lichtsnelheid tussen de magnetische noord- en zuidpool heen en weer in bogen die de magnetische veldlijnen volgen. De gordels bestaan vooral uit elektronen en protonen die overwegend uit de zonnewind komen.

De deeltjesgordels worden zo veel mogelijk gemeden door ruimtevaartuigen, aangezien de snelle elektronen gevaarlijk zijn voor astronauten en schadelijk voor de elektronische apparatuur van satellieten. De deeltjes zijn een enorm probleem voor de ruimtevaart. Een toenemend aantal civiele en militaire satellieten ondervindt er hinder van. Dat komt ook doordat satellietbouwers hun kunstmanen zo klein en licht mogelijk maken, waardoor ze gevoeliger voor straling worden.

De elektronen in de binnenste deeltjesgordel hebben niet het eeuwige leven. Ze lekken hieruit weg als gevolg van botsingen tegen atomen en moleculen in de hoogste delen van de atmosfeer. Dat proces wordt versterkt door zogeheten ‘whistlergolven’: elektromagnetische golven die de elektronen zo sterk afbuigen dat ze sneller in de atmosfeer belanden. Zulke golven komen van nature voor in de magnetosfeer, maar kunnen ook worden opgewekt door radiozenders op aarde die op (voor radiobegrippen) zeer lage frequenties (very low frequency – VLF) werken, zoals VLF-zenders voor militaire communicatie en navigatie die uitzenden op golflengten tussen 12 en 30 kilometer, dus op frequenties van 10 tot 25 kHz.

drainage

Tien jaar geleden voorspelden de Amerikaanse geofysici Bob Abel en Richard Thorne dat zulke zenders wel eens de belangrijkste oorzaak zouden kunnen zijn van de ‘drainage’ van de binnenste stralingsgordel. En vijf jaar geleden berekende Umran Inan, een hoogleraar energietechniek van Stanford University, dat in satellieten radiozenders met een bescheiden vermogen voor een halvering van het aantal elektronen zouden kunnen zorgen, mits die satellieten op de juiste hoogte in het juiste frequentiegebied werken.

De uiteindelijke proef op de som is nu genomen met behulp van een VLF-zender van de Amerikaanse marine aan de westkust van Australië. Deze zender zendt uit op een golflengte van 15 kilometer en zou volgens de theorie op precies de juiste plaats staan om elektronen uit de onderste stralingsgordel af te tappen. In feite is het aantal elektronen in deze gordel al sinds de jaren twintig van de vorige eeuw, toen deze zenders in gebruik kwamen, gemiddeld altijd geringer geweest dan vóór het radiotijdperk. Hoe groot de huidige invloed van alle VLF-zenders op aarde is, is moeilijk te zeggen, omdat de meeste zenders niet in de meest optimale richting zenden. Maar Richard Thorne zegt in een e-mail dat hij toch wel aan een factor tien denkt.

energierijk

Zo’n door de mens veroorzaakte verandering van de Van Allengordels wordt ook wel Radiation Belt Remediation genoemd. Ruimtevaartdeskundigen volgen het onderzoek op dit gebied op de voet. Wanneer de zon erg actief is, dringen grote hoeveelheden energierijke elektronen de binnenste Van Allengordel binnen die laagvliegende satellieten kunnen beschadigen. In sommige gevallen wordt het aantal elektronen in deze gordel dan meer dan honderd keer zo groot. Door deze versneld te laten ‘uitregenen’, zou de schade kunnen worden beperkt.

Een plotselinge toename van de elektronendichtheid rond de aarde kan overigens ook door de mens zelf worden bewerkstelligd, bijvoorbeeld door een terreurgroep of ‘schurkenstaat’ die op grote hoogte een kernbom laat ontploffen. In zo’n geval worden de Van Allengordels als het ware ‘opgepompt’ met elektronen en ontstaan er ook deeltjesgordels tussenin. Het Pentagon heeft een aantal jaren geleden becijferd dat zelfs een bescheiden explosie op 125 tot 300 kilometer hoogte het stralingsniveau in de binnenste Van Allengordel duizenden malen verhoogt. Circa 90 procent van alle laagvliegende satellieten zou binnen een maand het loodje leggen.

zenders

Vandaar dat ook de Amerikaanse luchtmacht en de Defense Research Projects Agency (DARPA) onderzoek verrichten naar het ‘draineren’ van de binnenste Van Allengordel. Hierbij wordt niet alleen gedacht aan de inzet van fflF-zenders op aarde, maar ook aan vele satellieten die elk voorzien zijn van zo’n zender. Om effectief te zijn, zou zo’n systeem op korte tijdschaal de extra elektronen uit de deeltjesgordel moeten kunnen verwijderen, liefst binnen één tot twee dagen en in ieder geval binnen tien dagen.

Toch is het ook oppassen geblazen met deze techniek. Zo leidt het omlaag komen van grote aantallen elektronen tot veranderingen in de ionosfeer en de atmosfeer, hoewel deze niet significant groter zullen zijn dan na een flinke uitbarsting op de zon. Veel ernstiger zijn de wereldwijde verstoringen van radioverbindingen en GPS-navigatiesystemen. Die ontstaan doordat de ionosfeer tijdens zo’n elektronenregen tijdelijk verandert van een spiegel die hoogfrequente radiosignalen terugkaatst in een spons die ze juist absorbeert. De Nieuw-Zeelandse geofysicus Craig Roger besloot zijn veel geciteerde artikel (Annales Geophysicae, augustus 2006) hierover dan ook met de waarschuwing dat beleidsmakers eerst goed over deze ongewenste gevolgen moeten nadenken voor ze Radiation Belt Remediation in de strijd te werpen.