Расположенный на расстоянии 150 миллионов километров от Земли, Солнце функционирует как гигантская ядерная термоядерная электростанция, испуская приблизительно 384 триллиона триллионов ватт энергии. Эта энергия излучается в космос в виде тепла, света и заряженных частиц, которые были бы смертельны для земной жизни без защиты огромного планетарного щита.
Магнитное поле Земли обеспечивает защиту от большей части этих солнечных частиц, но одновременно создает космическую область, известную как пояс Ван Аллена, где радиация этих частиц концентрируется. Открытие существования этих поясов подняло важнейший вопрос: каков уровень опасности при прохождении через эти зоны радиации, что помогло бы определить пределы и возможности первых человеческих путешествий за пределы земной орбиты.
Первые признаки появились в период с 1911 по 1912 год, когда австро-американский физик Виктор Франц Хесс проводил воздушные шаровые полеты для измерения радиации на разных высотах. Он пришел к выводу, что радиация увеличивается с повышением высоты, и что ее источник находится в космосе. Хесс открыл космические лучи — энергетические частицы, исходящие от Солнца, сверхновых взрывов в галактике и других экстремальных внегалактических источников — и то, что они взаимодействуют с атмосферой, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1936 году.
Это исследование было усовершенствовано в начале 1958 года, когда Соединенные Штаты запустили Explorer 1, свой первый искусственный спутник. Один из бортовых приборов, счетчик Гейгера, был предназначен для измерения космических лучей на высотах, превышающих те, что достигались воздушными шарами Хесса. Однако данные показали необычное поведение: на определенных высотах прибор регистрировал такое высокое количество радиации, что, казалось, насыщался.
Астрофизик Джеймс Ван Аллен из Университета Айовы сначала предположил, что приборы вышли из строя. Однако измерения, проведенные с помощью Explorer 3, запущенного в том же году, подтвердили, что это не ошибка, а новое и удивительное открытие: Земля окружена поясом энергетических частиц, удерживаемых магнитным полем планеты.
Последующие миссии, такие как Pioneer 3 и Explorer 4, выявили существование второй, более внешней области. Эти структуры стали называть поясами Ван Аллена в честь ученого, который возглавил их идентификацию. Концептуально магнитное поле создает невидимую структуру вокруг магнита, направляя железную пыль; в случае Земли эта структура намного больше и взаимодействует с электрически заряженными частицами, в основном поступающими от Солнца, захватывая их в форме больших колец.
В отличие от железной пыли, энергетические частицы поясов Ван Аллена не остаются статичными. Внутренний пояс относительно стабилен и состоит в основном из высокоэнергетических протонов, в то время как внешний пояс преимущественно состоит из электронов и представляет собой высокодинамичную среду, где частицы движутся во всех направлениях, некоторые приближаясь к скорости света.
Интенсивность и протяженность этих областей колеблются в зависимости от солнечной активности, поскольку новые частицы могут захватываться или уходить. Во время геомагнитных бурь пояса могут значительно изменяться, как это наблюдалось зондами Ван Аллена в 2012 году. Эти данные указали на возможность появления третьей радиационной области между двумя основными, хотя она не является постоянной и исчезла после нескольких недель интенсивной солнечной активности.
Хотя радиация не делает пояс Ван Аллена непреодолимым барьером для пилотируемых полетов, обеспокоенность рисками для здоровья человека и функционирования оборудования является обоснованной. Энергетические частицы могут вызывать сбои в электронных компонентах, изменяя логические значения в компьютерной памяти или модифицируя программирование космических аппаратов.
Для людей воздействие аналогично: радиация потенциально может изменять «биты» ДНК, что приводит к повреждению клеток, которое может вызвать органные дисфункции или рак. Однако человеческий организм обладает способностью переносить определенную дозу радиации без серьезных последствий. Эта толерантность позволила Хессу вернуться невредимым после его экспериментов с воздушным шарами, и она зависит от интенсивности и продолжительности воздействия.
Это понимание жизненно важно для того, чтобы понять, как астронавты миссий «Аполлон», а в настоящее время и «Артемида», смогли пересечь пояс Ван Аллена без проблем. Хотя пояса представляют собой враждебную радиационную среду, если космические аппараты обеспечивают защиту, а прохождение происходит быстро, поглощенная астронавтами доза низка и считается безопасной.
Во время девяти пилотируемых миссий программы «Аполлон» маршруты планировались таким образом, чтобы минимизировать воздействие радиации. НАСА отслеживало полученные дозы, средние значения которых колебались от 0,16 до 1,14 рад, причем большая часть этого воздействия приходилась на прохождение через пояса. Ни одна из этих доз не превысила годовые лимиты, рекомендованные для работников, регулярно подвергающихся воздействию радиации.
Важно отметить, что космическая радиация не безвредна. Вне защиты магнитного поля Земли астронавты подвержены воздействию космических лучей и солнечных частиц. Большая солнечная буря во время лунной или межпланетной миссии могла бы представлять гораздо более серьезный риск, что стало бы значительным вызовом для будущих длительных полетов.
Таким образом, изучение космической среды имеет фундаментальное значение для выявления рисков и определения наилучших путей для освоения космоса. Пояса Ван Аллена не являются абсолютным барьером, а скорее тем, что необходимо быстро пересечь, подобно волне, разбивающейся о берег, чтобы продолжить приключения в бескрайнем космическом океане.