Le fasce di Van Allen

James Van Allen

La foto qui accanto è di James Van Allen, il fisico statunitense scopritore del toro di particelle cariche (plasma) che circonda la Terra (trattenuto dal suo campo magnetico) e che dal suo nome sono chiamate appunto Fasce di Van Allen. La loro esistenza venne determinata da Van Allen sulla base dei dati trasmessi nel 1958 dall’Explorer 1, il primo satellite artificiale americano. Studi più sistematici della fascia di radiazioni furono eseguiti grazie alle sonde Explorer 4 e Pioneer 3.

La fascia di van Allen consiste in realtà di due fasce che circondano il nostro pianeta, una interna ed una più esterna. Le particelle cariche sono distribuite in maniera tale che la fascia interna consiste principalmente in protoni, mentre quella esterna consiste principalmente in elettroni. L’atmosfera terrestre limita inferiormente l’estensione delle fasce ad un’altitudine di 1000 km (con una eccezione che vediamo poi), mentre il loro confine superiore non arriva oltre i 40.000 km (corrispondenti a circa 7 raggi terrestri) di distanza dalla superficie della Terra. Eccezione a questo è la cosiddetta Anomalia Sud-Atlantica (SAA, Southern Atlantic Anomaly), una propaggine a bassa quota delle fasce di Van Allen che si estende fino a 200 km di altezza, una altezza raggiunta dai veicoli con equipaggio umano (e anche dalla ISS). Le fasce si trovano in un’area che si estende per circa 65° a Nord e a Sud dell’equatore celeste.

Lo schema delle fasce di Van Allen

Quando si valuta il posizionamento in orbita di un satellite artificiale, uno degli obiettivi solitamente è quello di evitare le fasce di Van Allen perché i pannelli fotovoltaici e i circuiti integrati possono rimanere danneggiati dai livelli di radiazione presenti. La miniaturizzazione e la digitalizzazione dei circuiti logici ed elettronici hanno reso i satelliti ancora più vulnerabili, poiché la carica degli ioni impattanti può essere addirittura maggiore di quella contenuta nei circuiti. I sistemi elettronici dei satelliti vengono quindi studiati per essere più resistenti alle radiazioni per lunghi periodi di tempo.

Da molto tempo, uno degli argomenti usati dagli ‘scettici’ per sostenere la loro teoria che l’Apollo è un imbroglio, è che l’attraversamento delle fasce di Van Allen, sarebbe “altamente letale per l’uomo”, proprio a causa “dell’intensa” radiazione imprigionata in questa zona dal campo magnetico terrestre.

In realtà la questione della possibile pericolosità delle radiazioni delle fasce di Van Allen era ben nota (tra le altre cose Van Allen era vivo e vegeto all’epoca) e ne fu tenuto conto nella pianificazione dalle missioni Apollo. L’esposizione alle fasce fu misurata e valutata tramite lanci di prova: in particolare, la missione Apollo 6 (AS-502, aprile 1968) portò in orbita terrestre una capsula Apollo senza di equipaggio ma riempita di strumenti tra cui uno dedicato a misurare la capacità della capsula di bloccare le radiazioni.

Già questi primi studi furono in grado di indicare che le fasce non si estendevano in tutte le direzioni; in determinate aree la quantità di particelle presenti era molto al di sotto dei valori massimi misurati in altre zone. Si comprese subito che, oltre a non possedere una ne uniforme delle particelle, la loro forma era toroidale. E si identificò la suddivisione in due fasce principali.

Alla luce di tutto ciò, gli ingegneri della NASA pianificarono accuratamente la traiettoria della TLI in modo alternativo a quella ideale. Con una inclinazione equatoriale di circa 30° si poteva attraversare le fasce di Van Allen in maniera più efficiente, in un tempo molto breve, e nella loro zona più sottile. Il tutto per ridurre il tempo di attraversamento, tempo ridotto anche grazie alla elevata velocità (39.700 km/h), necessaria per uscire dall’orbita terrestre con uno ‘slancio’ sufficiente a raggiungere l’orbita lunare.

Prima di proseguire occorre tenere presente che la dose assorbita da ogni uomo sulla terra a causa di effetti naturali e’ di circa 300 mrem (millirem)/anno, corrispondenti a 25 rem (1) in 80 anni. Come ulteriore misura di confronto, un anno in orbita bassa, all’interno della ISS corrisponde più o meno alla dose che tutti gli uomini ricevono sulla terra nella loro vita (questo e’ uno dei motivi per cui le permanenze nello spazio sono limitate a 6 mesi).

Il röntgen equivalent man (o rem) è un’unità di misura della dose equivalente di radiazioni. 1 rem è definito come la dose equivalente ad una dose assorbita (ovvero la quantità di energia per unità di massa assorbita da un mezzo a seguito di esposizione a radiazioni) di 1 rad (radiation absorbed dose). Nel Sistema Internazionale è stato sostituito dal sievert con la conversione: 100 rem = 1 Sv.

Questa equivalenza tra rad e rem di 1:1 vale in realtà solo per le radiazioni x e γ (gamma) e cioè per i fotoni e per gli elettroni mentre per i protoni (o altre particelle quali ad esempio le alfa, che sarebbero i nuclei di elio provenienti dal sole) va applicato un “peso”, in quanto il fatto di essere corpuscolate comporta un maggior rilascio di energia all’interno del corpo umano. I valori di peso non sono stati costanti negli anni, sono variati a seconda degli studi e delle conoscenze acquisite (nei commenti a questo post trovate altri dettagli, grazie a Vittorio per aver messo al nostro servizio la sua competenza in questo ambito).

Tornando all’Apollo, il tempo necessario ad attraversare le fasce di Van Allen può essere calcolato in modo relativamente facile con un po’ di meccanica orbitale. La velocità necessaria a lasciare l’orbita terrestre è pari a circa 11,2 km/s: ad una tale velocità occorrerebbe poco meno di un’ora per raggiungere un’altitudine di 38000 km, lasciandosi alle spalle la parte più consistente delle fasce.

Penetrazione nell’Alluminio (cm)
Energia (MeV) Elettroni Protoni
1 0.15 ~ nullo
3 0.56 ~ nullo
10 1.8 0.06
30 non c’è flusso 0.37
100 non c’è flusso 3.7

Calcolare la dose di radiazioni che ha raggiunto gli astronauti è un po’ più difficile poiché occorre sommare gli effetti di ogni tipo di particella, di ogni livello energetico. E occorre considerare per ciascuna di esso il grado di penetrazione all’interno della schermatura del CSM e della tuta. Per darvi un’idea, la tabella qui accanto indica la penetrazione nell’alluminio (metallo che costituiva la gran parte della struttura delle capsule Apollo) di elettroni e protoni a diversi livelli di energia.

Un Personal Radiation Dosimeter (PRD)

Per permettere di avere letture accurate del livello di esposizione alle radiazioni, ciascun astronauta indossava un dosimetro, un Personal Radiation Dosimeter (PRD)  e tre dosimetri passivi. IL PRD permetteva una lettura visuale della radiazione accumulata nel corso della missione. Era grande più o meno come un pacchetto di sigarette ed una specifica tasca era stata ricavata nei diversi indumenti e nella tuta indossati dagli astronauti per tenerlo sempre addosso. I dosimetri passivi potevano essere piazzati sugli indumenti in diverse posizione (anca, torace e cosce) per una misura mirata a quella determinata parte del corpo.

Un misuratore di radiazioni portatile, il Radiation Survey Meter (RSM), era disponibile per rilevare misure di radiazione in punti diversi del compartimento abitato dei veicoli dello stack Apollo e, tra le altre cose, determinare una area a bassa radiazione da utilizzare in caso di una emergenza (compromissione della schermatura).

Il riepilogo dell’esposizione
di tutte le missioni

Sulla base dei dosimetri indossati dagli astronauti di Apollo 11, il dosaggio TOTALE per l’intero viaggio sulla Luna e ritorno (EVA incluse) è stata sempre inferiore ad 1 rad complessivo (in 6 giorni) con l’eccezione di Apollo 14. Occorre tenere conto anche del fatto che i valori individuali hanno mostrato scostamenti dal valore medio fino al 20%, variazione dovuta all’efficacia della schermatura nelle diverse sezioni della capsule Apollo, alle attività , agli spostamenti e alla posizione occupata dagli astronauti. Inoltre la misura a livello degli organi interni vene valutata del 40% inferiore rispetto a quella in tabella. Considerate che la U.S. Atomic Energy Commission fissa, per i lavoratori che maneggiano materiale radioattivo nella fabbriche e nei laboratori negli USA, un limite annuale di 5 rem.

4 Risposte to “Le fasce di Van Allen”

  1. Vittorio Says:

    Considerate che la U.S. Atomic Energy Commission fissa, per i lavoratori che maneggiano materiale radioattivo nella fabbriche e nei laboratori negli USA, un limite annuale di 5 rem.

    Che è la stessa dose limite dei lavoratori esposti professionalmente alle radiazioni ionizzanti secondo la legge italiana. Lo so perché è il mio lavoro (sono tecnico sanitario di radiologia medica).

  2. raghnor Says:

    Allora Vittorio mi puoi confermare che non ho scritto ‘vaccate’?😉

  3. Vittorio Says:

    Sì, tranquillo, è tutto corretto. L’unico appunto che si può fare è che l’equivalenza tra rad e rem è di 1:1 solo per le radiazioni x e γ (gamma) e cioè per i fotoni e per gli elettroni mentre per i protoni (o altre particelle quali ad esempio le alfa, che sarebbero i nuclei di elio provenienti dal sole) va applicato un “peso”, in quanto il fatto di essere corpuscolate comporta un maggior rilascio di energia all’interno del corpo umano. I valori di peso non sono stati costanti negli anni, sono variati a seconda degli studi e delle conoscenze che via via si sono avute (grazie anche a esperimenti discutibili quali le esplosioni atomiche in aria e sotto terra). Una delle ultime tabelle che io ho visto riporta questo:

    Energia – Fattore di Conversione
    Raggi X, γ ed elettroni – 1
    Protoni – 10
    Alfa – 10-20
    Neutroni lenti – 2
    Neutroni veloci – 10

    Va detto che le particelle alfa non occorre nemmeno considerarle, in quanto anche ammettendo che riuscissero a passare l’alluminio di cui era composto il treno Apollo sarebbe bastato lo strato corneo della pelle a fermarle senza fare danni all’interno del corpo. Problema diverso ma in visione futura nel caso di viaggi verso Marte sarà la schermatura degli elettroni e dei protoni, visto soprattutto i lunghi tempi di viaggio (3 mesi minimo). Ma appunto si parla di viaggi futuri, e non di ciò che è stato.😉

  4. Grazie 1000 Vittorio! Nel weekend troverò il tempo per aggiornare il spot con le tue informazioni e con i meritati credits ovviamente😉

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