Știam deja că omul influențează starea planetei Pământ. Unele dintre tehnologiile noastre alterează în permanență ecosistemul global. Încă nu știam că noi influențăm și spațiul cosmic din vecinătatea planetei albastre. Acum am aflat că acest lucru deja s-a întâmplat.
Ca de obicei, mai înainte de a intra în subiect, avem nevoie de…
Puțină istorie
Sunt convins că ați auzit de centurile de radiații Van Allen, care înconjoară Pământul. Ele au o formă (oarecum) toroidală și rezultă, în principal, în urma interacțiilor dintre particulele încărcate electric din vântul solar și radiațiile cosmice cu câmpul magnetic terestru. Deși încă înainte de era spațială a fost prezisă existența lor, abia la începutul 1958, o dată cu zborul primului satelit american, Explorer 1, aceste centuri de radiații au putut să fie identificate. Nu a fost folosit un instrument foarte sofisticat (Explorer 1 avea o masă totală de numai 13,97 kg), ci un simplu contor de radiații de tip Geiger. Echipa care a colectat rezultatele transmise de către acest instrument era condusă de către James Van Allen și, pentru a îi onora descoperirea, centurile de radiații care înconjoară Terra au primit numele său.
Măsurători ulterioare, realizate cu ajutorul sondelor Explorer 3, Explorer 4 și Pioneer 3, au arătat că Pământul este înconjurat de două centuri de radiații. Foarte simplu spus, Terra este înconjurată de o centură de radiații interioară, alcatuită în special din protoni, care se întinde de la altitudinea de circa 1.000 km până la circa 6.000 de km. În anumite situații, cum ar fi o activitate solară foarte intensă, în zonele în care câmpul magnetic terestru are o valoare mai scăzută, centura interioară de radiații poate coborî până la 200 km. Cea de-a doua centură de radiații, cea exterioară, se întinde între 13.000 și 60.000 km altitudine si este alcătuită mai ales din electroni relativiști.
Acestea sunt datele, în varianta lor simplificată. Ele ne sunt de ajuns pentru a trece la prezentarea modului în care omul poate afecta mediul cosmic înconjurător. În cele ce urmează voi folosi informațiile prezentate într-o voluminoasă lucrare științifică, ”Anthropogenic Space Weather”, publicată online pe 13 aprilie 2017, în revista Space Science Review, de către un colectiv de autori condus de către T.I. Gombosi, cercetător la Universitatea din Michigan.
Centuri de radiații artificiale
Către sfârșitul anilor 1950 sovieticii dispuneau deja de rachete capabile să transporte încărcături nucleare care să lovească orice țintă din SUA. Pentru a contracara această amenințare, Nicholas Christofilos, cercetător la Lawrence Radiation Laboratory (acum, Lawrence Livermore National Laboratory) a propus nu mijloc pentru distrugerea rachetelor intercontinentale. El sugera ca o bombă nucleară să fie detonată la altitudine foarte mare. Electronii rezultați în urma proceselor de fisiune ar fi capturați de câmpul magnetic terestru, formând un ”ecran” care ar distruge orice rachetă inamică. Practic, se realiza ceva asemănător unei centuri de radiații artificiale. Propunerea lui Christofilos a fost acceptată foarte rapid, iar armata americană a efectuat rapid trei teste nucleare de mare altitudine, în cadrul unui proiect secret, numit Argus. Primul test a avut loc pe 27 august 1958, fiind detonată o bombă nucleară de 1,5 kt, la o altitudine de circa 170 km. Al doilea test s-a efectuat pe 30 august 1958, și a constat în detonarea unei bombe nucleare de 1,5 kt, la o altitudine de 190 km. Al treilea test, pe 6 septembrie 1958, a implicat detonarea tot a unei bombe nucleare de 1,5 kt, la o altitudine de 790 km. La vremea respectivă proiectul Argus a fost apreciat ca fiind cel mai mare experiment științific, fiind primul care a afectat vecinătatea cosmică a planetei. În principiu, testele au demonstrat că ideile pricipale ale propunerii lui Christofilos erau corecte, deci exploziile nucleare de mare altitudine ar putea crea un scut eficient împotriva rachetelor balistice intercontinentale.
Primele două teste Argus au generat centuri de radiații artificiale, care au avut o durată de viață de circa trei săptămâni, conform datelor colectate de NASA cu ajutorul satelitului Explorer IV. Durata de viață a centurii de radiații artificiale produse de cel de-al treilea experiment Argus a fost mai mare de o lună. Această diferență este ușor de explicat: pe timpul primelor două teste Argus, activitatea solară intensă a produs puternice furtuni geomagnetice, care au dus la disiparea mai rapidă a centurilor de radiații artificiale. Explorer IV a mai făcut o descoperire importantă. Spectrul de energie al electronilor din centurile de radiații artificiale era foarte diferit de cel din centurile Van Allen, ceea ce făcea foarte ușoară identificarea lor.
Ca o anecdotă, vă voi spune că datele obținute de Explorer IV au fost imediat ștampilate cu ”strict secret”. Militarii se simt foarte bine la adăpostul documentelor clasificate, dar oamenii de știință gândesc cu totul altfel. Ei vor ca rezultatele științifice să fie comunicate lumii. Asta dorea și Van Allen. În februarie 1959 a solicitat declasificarea rezultatelor geofizice colectate în timpul experimentului Argus deoarece ”fără urmă de îndoială, reprezintă cel mai mare experimen geofizic realizat de către om”. Cerea îi este aprobată, iar Van Allen prezintă, în același an, o parte din datele colectate de staelitul Explorer IV în timpul testelor Argus.
Acum, înainte de a trece mai departe, voi deschide o scurtă paranteză. Exploziile nucleare generează și impulsuri electromagnetice, care pot avea efecte devastatoare asupra echipamentelor electrice și electronice. Nu voi vorbi acum despre ele deși în lucrarea ”Anthropogenic Space Weather”, subiectul este tratat în detaliu. În acest articol mi-am propus să discut numai despre felul în care omul poate modifica spațiul cosmic apropiat. Acum am închis paranteza.
De-a lungul timpului atât rușii, cât și americanii, au efectuat în total 10 explozii nucleare la altitudini mai mari de 100 km. Cea mai puternică dintre ele a avut loc pe 9 iulie 1962, atunci când americanii, în cadrul programului Starfish Prime, au detonat o bombă nucleară de 1,4 Mt la o altitudine de 400 km.
Evident, această din urmă detonare a generat cele mai ample efecte asupra spațiului cosmic apropiat. Deși explozia s-a produs la 400 km altitudine, ea a putut să fie văzută de pe Terra. La scurt timp după aceea au putut fi observate aurore la latitudini foarte joase. Conform unui raport tehnic: ”o mare parte a Pacificului a fost iuminată de fenomene aurorale. […] Un efect secundar interesant a fost faptul că Aviația Regală din Noua Zeelandă a putut realiza exerciții de luptă antisubmarin la lumina rezultată în urma reflectării luminii solare de resturile generate de explozie.”
Centura artificială de radiații generată de explozia Starfish Prime se întindea de la 1.300 km, până la 6.400 km altitudine. Ca și în cazul testelor Argus, aceasta s-a dezintegrat în timp. Zona mai apropiată de Terra s-a dezintegrat mai rapid, din cauza interacției cu atmosfera înaltă a Terrei. În schimb, zona aflată mai departe de Pământ s-a dovedit a fi mai stabilă, urmele acestei centuri artificiale de radiații putând să fie detectate la mulți ani după explozie. De altfel, chiar și pentru misiunile Apollo a fost nevoie să se țină seama de ei…
Și s-a mai întâmplat ceva. Imediat după explozia Starfish Prime trei sateliți (Ariel-1, TRAAC și Transit-4B) au ieșit din funcțiune din cauza fluxului crescut de electroni de mare energie din centura de radiații proaspăt creată. Au urmat și alții, printre care și satelitul de telecomunicații Telstar, care a fost lansat la numai o zi după explozia Starfish Prime și care a ieșit din funcțiune în februarie 1963.
Până acum v-am prezentat partea negativă a încercărilor de a influența mediul din spațiul cosmic apropiat. Dar există și o parte pozitivă, pe care oamenii de știință au descoperit-o de curând. Aproape fără să ne dăm seama am creat un scut împotriva radiațiilor cosmice.
Scutul radio
Poate că ar trebui să introduc și aici o mică istorie a folosirii undelor electromagnetice pentru comunicațiile fără fir. Voi profita de o altă ocazie pentru a vă povesti despre ea. Acum trebuie să intru mai abrupt în subiect. La liceu ați învățat că pentru comunicațiile radio există mai multe benzi de frecvență, în funcție de lungimea de undă. Pentru subiectul despre care vreau să vă povestesc acum ne intresează numai banda de frecvență foarte scăzută (very low frequency – VLF). Aceasta este cuprinsă în intervalul dintre 3 și 30 kHz (respectiv, lungimi de undă cuprinse între 100 și 10 km). Undele radio din această gamă de de frecvențe sunt foarte importante pentru comunicațiile de mare distanță, așa că au început să fie folosite pe scară largă încă de la sfârșitul primului război mondial.
Practic, având o lungime de undă foarte mare, ele nu sunt ecranate de obstacole, cum ar fi munții, și pot urmări curbura Pământului. Undele radio VLF pot parcurge distanțe foarte mari, prin așanumitul mecanism de ghid de undă al cavității Pământ-ionosferă. Am devenit din nou un pic prea tehnic? Atunci să detaliez un pic acest subiect. Atât ionosfera cât și suprafața pământului sunt bune conducătoare de electricitate, creându-se astfel posibilitatea ca undele radio VLF să se reflecte alternativ pe suprafața inferioară a ionosferei și pe suprafața Pământului. Altfel spus, sistemul ionosferă-Pămând se comportă ca un ghid de undă pentru undele radio VLF ceea ce le permite să ”călătorească” pe distanțe foarte mari. Mai există o altă calitate a undelor radio VLF: ele se propagă inclusiv prin apă, până la adâncimi de circa 40 m, ceea ce le face utile pentru comunicarea cu submarinele.
Deschid din nou o scurtă paranteză. Așa cum ați putut constata undele radio VLF sunt foarte ”performante”. Totuși ele își găsesc aplicarea în domenii restrânse, cum ar fi radionavigația, comunicarea cu submarinele și cercetarile geofizice, deoarece cu ajutorul lor pot fi ”transportate” doar cantități relativ mici de informație. Nu pot fi folosite nici măcar ca undă purtătoare pentru semnale audio. De exemplu, pentru comunicarea cu submarinele, prin intermediul undelor VLF, este folosit un soi de cod Morse… Aici închid paranteza.
Există un mic detaliu, pe care vi-l spun abia acum. Mai devreme că spuneam că undele radio cu frecvență foarte mică sunt reflectate de ionsfera terestră. Acest lucru este adevărat, doar într-o primă aproximație. De fapt s-a constatat, încă de la începutul anilor 1960, că o parte din fluxul radio emis în domeniul VLF străbate ionosfera terestră. Ar fi posibil ca aceste unde radio să interacționeze cu centurile de radiații Van Allen? Abia în 1998 s-a putut da un răspuns la această întrebare. În luna februarie a acelui an, doi cercetători americani, Bob Abel și Richard M. Thorne, publicau un articol în ”Journal of Geophysical Research” în care propuneau un model teoretic al interacțiunii dintre undele radio VLF și electronii relativiști din centurile de radiații.
Iată care are fi mecanismul propus de cei doi cercetători americani. Să luăm, de exemplu, un electron din centura de radiații. Acesta se va mișca de-a lungul unei spirale în câmpul magnetic terestru. ”Pasul” acestei spirale (sau, mai bine, distanța dintre două spire consecutive) este mai mare la ecuator și devine zero atunci când ajunge la pol. Practic, aici electronul se mișcă în cerc. Este de ajuns un foarte mic dezechilibru, pentru ca electronul să își modifice sensul de deplasare, întorcându-se pe aceași traiectorie. Astfel electronul va pendula pe o traiectorie spiralată, efectuând drumuri dus-întors, de la un pol la altul, pe aceiași traiectorie. Electronul este prins într-o capcană care îl va ține captiv ani de zile. Acum este musai să vă introduc un cuvânt mai puțin folosit de către noi, oamenii de rând: girofrecvență. Nu ascunde nimic complicat, el reprezintă numărul de rotații complete pe care îl face, într-o secundă, un electron în jurul unei linii de câmp magnetic. Acum vine chestia interesantă: atunci când electronul interacționează cu o undă radio care are frecvența egală cu girofrecvența sa, el va coborî de pe traiectoria pe care se mișca de multă vreme și odată ajuns la pol, el se va ciocni cu atomii de oxigen sau azot din atmosfera înaltă. Mecanismul a primit numele de ”electron precipitation„.
Vă reamintesc că avem de-a face cu niște considerații teoretice. Ele pot oferi indicii foarte prețioase, dar în știință mai este nevoie să fie un pas important: trebuie verificat dacă observațiile confirmă, sau nu, formalismul teoretic. În ziua de 30 august 2012 NASA lansa două sonde care aveau misiunea de a studia în detaliu centurile de radiații Van Allen. Așa cum era normal, ele au fost botezate cu numele cercetătorului care le-a descoperit. De la ele se așteptau răspunsurile care să confirme diferitele ipoteze legate de centurile de radiații.
Primul rezultat important pentru discuția noastră, obținut cu ajutorul sateliților Van Allen, a fost comunicat printr-un articol publicat de revista Nature, în ediția din 27 noiembrie 2014, semnat de un colectiv de autori condus de către Dan Baker, cercetător la Universitatea Colorado. În comunicatul NASA referitor la acest articol se arăta că ”a fost descoperită o barieră impenetrabilă în spațiul cosmic”. Dan Baker, în același comunicat, arăta că ”Această barieră pentru electronii ultrarapizi este remarcabilă iar noi am reușit să o studiem pentru prima oară. Niciodată nu au mai fost realizate măsurători atât de precise asupra acestor electroni de mare energie”. Shri Kanekal, coautor al studiului publicat de Nature, cercetător la Goddard Space Flight Center al NASA, adăuga: ”Când am studiat acești electroni de foarte mare energie, am aconstatat că ei ajung numai până la o anumită distanță de Terra. Acesta este un lucru complet nou. Cu siguranță nu ne așteptam la așa ceva.” Dar atunci când a trebuit să se explice acest fenomen lucrurile nu au mai fost atât de clare. Din capul locului, autorii au exclus posibilitatea ca undele radio VLF provenite de la transmițătoarele terestre să aibă o contribuție la generarerea acestui scut impenetrabil pentru electronii de mare energie. Ei au mers pe o altă ipoteză. Pământul este înconjurat de o zonă în formă toroidală în care se află o plasmă relativ rece, rezultată în urma ionizării straturilor exterioare ale ionosferei de către radiațiile ultraviolete provenite de la soare. Aceasta se întinde, deasupra ecuatorului, până la altitudini de circa 11.000 km și poartă numele de plasmasferă. Particulele încărcate electric din această plasmă produc unde electromagnetice de frecvență joasă care interacționează cu electronii de mare energie prin mecanismul pe care l-am descris mai sus.
Să fie acesta răspunsul definitv la problema noastră? Nicidecum. Pe 17 martie 2015 s-a produs o intensă furtună geomagnetică în urma unor puternice erupții solare. Asta a oferit ocazia obținerii unui set nou de rezultate de către sondele Van Allen, de data asta în condiții extreme. Rezultatele măsurătorilor au fost prezentate în Journal of Geophysical Research, ediția din 1 iunie 2016 și era semnat de un colectiv de autori condus de către J. C. Foster, cercetător la MIT. Aici, dintr-o dată, lucrurile au devenit foarte clare. În timpul furtunilor geomagnetice plasmasfera se contractă puternic, deci nu mai este eficace pentru înlăturarea electronilor de energie foarte mare, deci ar trebui ca ei să se apropie de Pământ. Totuși, măsurătorile realizate de cele două sonde nu au detectat așa ceva. Bariera impenetrabilă funcționa în continuare. Cauza a putut identificată relativ ușor: vinovate de acest comportament erau semnalele radio VLF emise de către sistemul de comunicații cu submarinele al marinei americane…
Pentru a aduce un argument suplimentar voi cita din comunicatul de presă al NASA din 17 mai, în care era rezumat articolul ”Anthropogenic Space Weather”, cu care am început acest text. ”Întradevăr, comparând extinderea centurilor de radiații Van Allen din zilele noastre, se constată că ele se află mult mai departe de Terra decât în anii 1960, atunci când transmisiunile Radio VLF erau foarte limitate.”
Concluzie
Rămîne viitorului să ne spună dacă și cum putem întări acest scut care ne-ar proteja sateliții în timpul activității solare intense. Dar, din câte știu eu, este pentru prima oară când omul a avut o influență benefică asupra mediului înconjurător.
