James Alfred Van Allen (7 de setembro de 1914 –9 de agosto de 2006) foi um astrofísico e físico espacial americano da Universidade de Iowa que foi fundamental para o estabelecimento do campo da pesquisa magnetosférica no espaço. Sua descoberta dos cinturões de radiação de Van Allen em 1958, zonas de partículas carregadas energéticas presas pelo campo magnético da Terra, foi a primeira grande descoberta científica da Era Espacial. Como investigador principal de instrumentos científicos em 24 satélites terrestres e missões planetárias, Van Allen forneceu as primeiras medições in situ das magnetosferas de Júpiter e Saturno, foi pioneiro no uso de assinaturas de absorção de partículas energéticas para detectar anéis e satélites planetários, e realizou um programa de várias décadas de observações de raios cósmicos que estabeleceu o gradiente radial da intensidade dos raios cósmicos galácticos de 1 UA a mais de 65 UA na heliosfera.
James Van Allen nasceu em 7 de setembro de 1914, em uma pequena fazenda perto de Mount Pleasant, Iowa. Ele era fascinado por dispositivos mecânicos e elétricos desde a infância e foi um leitor ávido das revistas Popular Mechanics e Popular Science.
Van Allen obteve seu B.S. (Bacharelado em Ciências) pelo Iowa Wesleyan College em 1935, seguido por um M.S. (Mestrado em Ciências) em 1936 e um Ph.D. (Doutorado) em 1939 pela Universidade de Iowa, onde estudou física nuclear sob a orientação de Alexander Ellett. Uma bolsa de estudos na Instituição Carnegie em Washington, D.C., ampliou sua pesquisa em geomagnetismo, raios cósmicos, física de auroras e física da alta atmosfera terrestre.
Segunda Guerra Mundial
Em agosto de 1939, Van Allen ingressou no Departamento de Magnetismo Terrestre (DTM) da Instituição Carnegie como pesquisador. Começando em 1940, trabalhou sob a Seção T do Comitê de Pesquisa de Defesa Nacional (NDRC) no desenvolvimento de espoletas de proximidade fotoelétricas e de rádio, detonadores projetados para aumentar a eficácia do fogo antiaéreo. Quando este trabalho foi transferido para o recém-criado Laboratório de Física Aplicada (APL) da Universidade Johns Hopkins em abril de 1942, Van Allen continuou lá, melhorando a robustez das válvulas termiônicas usadas em sistemas de espoletamento de baterias de artilharia.
Comissionado como tenente da Marinha dos EUA em novembro de 1942, Van Allen serviu por 16 meses em contratorpedeiros da Frota do Pacífico Sul, instruindo oficiais de artilharia e testando em campo as então secretas espoletas de proximidade. Foi oficial de artilharia assistente no encouraçado USS Washington durante a Batalha do Mar das Filipinas (19 a 20 de junho de 1944) e recebeu quatro estrelas de combate. Foi promovido a capitão de corveta em 1946.
Pesquisas em grandes altitudes e Rockoons (1946–1954)
Dispensado da Marinha em 1946, Van Allen retornou ao APL, onde organizou uma equipe para conduzir experimentos na alta atmosfera usando foguetes V-2 alemães capturados. Ele elaborou as especificações para o foguete de sondagem Aerobee e presidiu o comitê que garantiu o financiamento do governo dos EUA para sua produção. O primeiro Aerobee a transportar instrumentos, lançado em 5 de março de 1948, de White Sands, Novo México, atingiu uma altitude de 117,5 km carregando instrumentos de radiação cósmica. Van Allen presidiu o Painel de Pesquisa de Foguetes da Alta Atmosfera a partir de 1947, coordenando as primeiras pesquisas americanas em grandes altitudes.
Em 1951, Van Allen aceitou o cargo de chefe do departamento de física na Universidade de Iowa. Lá, ele desenvolveu o Rockoon, uma combinação de balão e foguete que elevava pequenos foguetes com balões a aproximadamente 16 km de altitude antes de lançá-los mais alto, uma técnica de baixo custo para atingir altitudes inacessíveis apenas por foguetes de sondagem lançados do solo. Em 1953, Rockoons lançados da Terra Nova forneceram a primeira indicação de radiação ao redor da Terra.
Em 1954, Ernst Stuhlinger visitou Van Allen (então em licença sabática em Princeton) para discutir um conceito de satélite não oficial que estava sendo desenvolvido pelo grupo de Wernher von Braun na Agência de Mísseis Balísticos do Exército. Van Allen expressou grande interesse em usar tal satélite para um levantamento mundial da intensidade dos raios cósmicos acima da atmosfera (Projeto Orbiter).
Ano Geofísico Internacional e a descoberta dos cinturões de radiação
Modelo dos Cinturões de Radiação de Van Allen, Crédito: NASA
Van Allen desempenhou um papel catalítico no Ano Geofísico Internacional (IGY, 1957–58). Em 1950, ele sediou uma reunião de cientistas incluindo Sydney Chapman, Lloyd Berkner e S. Fred Singer em sua casa em Silver Spring, Maryland, onde foi proposta a ideia de um ano geofísico mundial. Este conceito cresceu e se tornou o IGY e, finalmente, a Corrida Espacial. Van Allen presidiu um simpósio em janeiro de 1956 na Universidade de Michigan sobre "Os Usos Científicos dos Satélites Terrestres", onde 33 propostas científicas foram apresentadas. Seu grupo de Iowa começou a preparar instrumentos de raios cósmicos para voos Rockoon e Vanguard, e através do que ele mais tarde chamou de "preparação e boa sorte", esses instrumentos estavam disponíveis para os lançamentos do IGY Explorer e Pioneer de 1958.
Em 31 de janeiro de 1958, o primeiro satélite americano, Explorer 1, foi lançado em órbita carregando um experimento de raios cósmicos projetado por Van Allen e seus alunos de pós-graduação George H. Ludwig e Carl McIlwain, com a implantação do satélite supervisionada por Ernst Stuhlinger. O único contador Geiger no Explorer 1 retornou dados confusos, com períodos de taxas de contagem normais intercalados com intervalos de contagens zero. O enigma foi resolvido após o Explorer 3 (lançado em 26 de março de 1958) carregar um gravador de fita miniatura que capturou dados orbitais completos: os intervalos de contagem zero ocorriam quando o instrumento era saturado por radiação inesperadamente intensa, produzindo uma resposta nula.
Pickering, Van Allen e Von Braun na conferência de imprensa do IGY, Academia Nacional de Ciências, Washington, D.C.
Van Allen, Ludwig, McIlwain e o ex-aluno Ernest Ray reconheceram que o satélite estava passando por vastas regiões de partículas carregadas energéticas presas no campo magnético da Terra. Em 6 de dezembro de 1958, o Pioneer 3 atingiu uma altitude de 63 000 milhas (101 000 km), e os instrumentos de Van Allen revelaram um segundo cinturão de radiação externo. A descoberta dessas zonas de radiação aprisionada, posteriormente denominadas cinturões de radiação de Van Allen, constituiu o que Van Allen chamou de "a primeira descoberta científica da era espacial" e deu origem ao novo campo da física magnetosférica, que cresceu para envolver mais de 1 000 pesquisadores em mais de 20 países.
Contribuições científicas para a física magnetosférica
Cinturões de radiação e magnetosfera da Terra
O trabalho inicial de Van Allen caracterizou a estrutura de duas zonas da radiação aprisionada da Terra. O cinturão interno, centrado em aproximadamente 1,5 raios terrestres, consiste predominantemente de prótons energéticos produzidos por interações de raios cósmicos com a alta atmosfera. O cinturão externo, em aproximadamente 3–6 raios terrestres, é composto principalmente de elétrons energéticos injetados durante tempestades geomagnéticas. Van Allen e colegas mapearam a extensão espacial e os espectros de energia dessas populações usando instrumentos de contador Geiger na série de satélites Explorer, estabelecendo a morfologia básica do ambiente de radiação que todo projeto de nave espacial subsequente teve que acomodar.
Através do Explorer 52 (Hawkeye 1), um satélite de 22,65 kg projetado, construído e rastreado na Universidade de Iowa e lançado em junho de 1974 em uma órbita polar de alta inclinação atingindo 21 raios terrestres, Van Allen e colaboradores conduziram o primeiro levantamento sistemático da magnetosfera de alta latitude da Terra, incluindo as regiões da cúspide polar, magnetopausa e choque de proa. Como Cientista do Projeto Hawkeye, Van Allen supervisionou um programa que gerou mais de 50 publicações, incluindo novas caracterizações da radiação auroral quilométrica, fenômenos de ondas de plasma ao longo das linhas de campo aurorais e a descoberta da cavidade de densidade auroral. Ele e W. M. Farrell usaram dados do magnetômetro do Hawkeye para identificar a fissura polar da Terra em grandes distâncias radiais, localizando regiões de fortes desvios negativos da intensidade do campo magnético em relação ao modelo dipolar. Van Allen também usou dados do Hawkeye para estudar correntes na magnetopausa de alta latitude da Terra.
Magnetosfera de Júpiter
Van Allen ao lado do físico Edward Smith em uma coletiva de imprensa da Pioneer 11, 1974
Como membro do conselho de ciência espacial da Academia Nacional de Ciências e do conselho de missões lunares e planetárias da NASA no final da década de 1960, Van Allen defendeu a exploração dos planetas exteriores. Ele presidiu o Painel do Espaço Exterior que desenvolveu a justificativa científica para o que se tornaram as missões Pioneer 10 e 11. Seu Telescópio de Tubo Geiger (GTT), pesando apenas 1,64 kg e consumindo 25 mA, foi selecionado para a carga útil da Pioneer.
O sobrevoo de Júpiter pela Pioneer 10 em dezembro de 1973 rendeu um corpo de conhecimento novo e marcante sobre a magnetosfera do planeta. Em uma série de artigos, Van Allen e colegas relataram as primeiras observações in situ de elétrons energéticos com energias superiores a 0,06 MeV presos no campo magnético de Júpiter. As principais descobertas incluíram:
Estrutura do magnetodisco: A magnetosfera externa de Júpiter (além de ~20 raios de Júpiter, RJ) foi encontrada na forma de uma região fina, em forma de disco, de quase aprisionamento, estendendo-se além de 100 RJ, confinada perto do plano equatorial magnético com simetria axial aproximada em torno do eixo magnético. Isso era qualitativamente diferente da geometria de aprisionamento dipolar da magnetosfera terrestre.
Parâmetros do campo dipolar: Dentro de 12 RJ, as observações foram bem organizadas por um modelo dipolar centrado com uma inclinação de 9,5°±0,5° em relação ao eixo de rotação de Júpiter.
Intensidade da radiação: Intensidades omnidirecionais absolutas de elétrons aprisionados foram medidas em cinco faixas de energia, revelando intensidades de cinturões de radiação ordens de magnitude maiores do que as da Terra. Para elétrons com energias superiores a 21 MeV, a intensidade dentro da região de aprisionamento estável seguia uma dependência radial exponencial.
O encontro da Pioneer 11 com Júpiter em dezembro de 1974 ao longo de uma trajetória diferente confirmou e expandiu essas descobertas. Van Allen observou que um aspecto particularmente gratificante desses encontros foi a observação de interações entre partículas dos cinturões de radiação e material neutro em órbitas Keplerianas ao redor do planeta. Ele foi capaz de usar assinaturas de absorção de partículas para detectar a presença das luas de Júpiter dentro da magnetosfera, uma técnica que ele aplicaria extensivamente mais tarde em Saturno.
Magnetosfera de Saturno, anéis e satélites internos
O sobrevoo de Saturno pela Pioneer 11 em 1º de setembro de 1979 forneceu a primeira descoberta in situ da magnetosfera de Saturno. Os instrumentos de Van Allen registraram a nave cruzando o choque de proa de Saturno a aproximadamente 1,5 milhão de km do planeta, fornecendo a primeira evidência conclusiva do campo magnético de Saturno. Em um artigo marcante na revista Science, Van Allen e colegas relataram que a magnetosfera de Saturno era intermediária entre as da Terra e de Júpiter em termos de dimensões físicas e populações de partículas energéticas, e que sua escala em raios planetários se assemelhava mais à da Terra, com muito menos inflação induzida por plasma do que em Júpiter.
Uma contribuição distinta do trabalho de Van Allen em Saturno foi o uso de assinaturas de absorção de partículas energéticas para sondar o sistema de anéis e os satélites internos do planeta. Como os anéis e as luas absorvem as partículas magnetosféricas aprisionadas que derivam através deles, eles deixam "sombras" ou depleções mensuráveis no fluxo de partículas. A análise de Van Allen dessas características de absorção rendeu:
Assinaturas de absorção claras das luas Dione e Mimas;
Confirmação do Anel F entre 2,336 e 2,371 raios de Saturno (RS) e da divisão Pioneer entre o anel F e o anel A;
Detecção de um objeto com diâmetro superior a aproximadamente 170 km a 2,534 RS, e um segundo objeto de diâmetro comparável a 2,343 RS;
Determinação do raio externo do Anel A em 2,292 RS, dentro do qual havia uma ausência virtualmente completa de partículas magnetosféricas.
Esta abordagem, usando a própria magnetosfera como uma sonda do ambiente físico, foi uma inovação metodológica que influenciou estudos subsequentes do sistema saturniano pelas missões Voyager 1, Voyager 2 e Cassini. Van Allen publicou uma reanálise detalhada das características de absorção da Pioneer 11 na revista Icarus em 1982, desenvolvendo a teoria subjacente da absorção de partículas carregadas por anéis e satélites e reconciliando os resultados da Pioneer com as evidências ópticas dos sistemas de imagem da Voyager. Ele também contribuiu com a monografia Saturn (University of Arizona Press, 1984) com um capítulo abrangente sobre partículas energéticas na magnetosfera interna de Saturno.
Modulação de raios cósmicos na heliosfera externa
Após os encontros planetários, as naves Pioneer 10 e 11 continuaram para fora através da heliosfera, e os instrumentos de Van Allen, ainda funcionando com seu orçamento mínimo de energia, mudaram para um segundo grande programa de pesquisa: medir a variação radial da intensidade dos raios cósmicos galácticos com a distância do Sol.
Usando observações simultâneas das duas naves Pioneer e do IMP-8 a 1 UA, Van Allen e B. A. Randall estabeleceram medições contínuas do gradiente radial da intensidade dos raios cósmicos na faixa de distância heliocêntrica de 1 a mais de 65 UA ao longo de um período de 24 anos (1972-1996). Suas principais descobertas incluíram:
O gradiente radial da intensidade dos raios cósmicos variava sistematicamente com o ciclo solar, atingindo cerca de 2,1% por UA no máximo solar e cerca de 1,2% por UA no mínimo solar;
Essas medições implicavam um tamanho aparente da região de modulação heliosférica de aproximadamente 48 UA no máximo solar e 83 UA no mínimo solar;
Após a grande diminuição Forbush de meados de 1991, a recuperação da intensidade dos raios cósmicos na heliosfera externa foi marcadamente menos completa do que a 1 UA, indicando um efeito de modulação duradouro no vento solar distante.
Essas observações forneceram restrições empíricas fundamentais para modelos teóricos de transporte de raios cósmicos na heliosfera. Como a fonte de energia envelhecida da Pioneer 10 declinava, apenas o experimento de Van Allen ainda podia ser operado; em 31 de março de 1997, seu instrumento forneceu as últimas medições científicas da missão Pioneer, um testemunho da confiabilidade e simplicidade de sua filosofia de design de instrumentos.
Defesa da exploração robótica
Van Allen foi um crítico proeminente e persistente dos voos espaciais humanos, argumentando a partir da década de 1970 que as missões robóticas produziam retornos científicos muito maiores a um custo e risco muito menores. Em um artigo de 1986 na Scientific American, ele argumentou que o programa do Ônibus Espacial e a estação espacial proposta "diminuiriam seriamente as oportunidades para avançar a ciência e tecnologia espaciais" ao consumir orçamentos melhores alocados a missões não tripuladas. Em seu último ensaio importante sobre o assunto, publicado na Issues in Science and Technology em 2004, Van Allen escreveu que "em uma comparação desapaixonada dos valores relativos dos voos espaciais humanos e robóticos, a única motivação sobrevivente para continuar os voos espaciais humanos é a ideologia da aventura."
Carreira posterior
Van Allen deixou o cargo de chefe do departamento de física e astronomia em 1985, mas continuou trabalhando na Universidade de Iowa como Professor de Física Carver, emérito, analisando ativamente dados e publicando pesquisas até pouco antes de sua morte. Em 9 de outubro de 2004, a Universidade de Iowa sediou uma celebração em homenagem ao seu 90º aniversário, apresentando uma série de palestras convidadas e um banquete com muitos ex-colegas e alunos. Em agosto de 2005, uma escola de ensino fundamental com seu nome foi inaugurada em North Liberty, Iowa.
Vida pessoal e morte
Van Allen casou-se com Abigail Fithian Halsey II de Cincinnati (1922–2008) em 13 de outubro de 1945, em Southampton, Long Island. Eles se conheceram no APL durante a Segunda Guerra Mundial. Seus cinco filhos são Cynthia, Margot, Sarah, Thomas e Peter.
Em 9 de agosto de 2006, Van Allen faleceu no University Hospitals em Iowa City devido a insuficiência cardíaca aos 91 anos. Ele e sua esposa Abigail estão enterrados em Southampton, Nova York.
Publicações selecionadas
Van Allen, James A. (1983). Origins of Magnetospheric Physics. [S.l.]: Smithsonian Institution Press. 144páginas Expanded edition: Van Allen, James A. (2004). Origins of Magnetospheric Physics: An Expanded Edition. [S.l.]: University of Iowa Press. ISBN978-0-87745-921-7
As Sondas Van Allen, inicialmente chamadas de Radiation Belt Storm Probes (RBSP), foram renomeadas em 2012 em homenagem a Van Allen. Gerenciado pelo Goddard Space Flight Center e implementado pelo APL da Universidade Johns Hopkins, as duas naves espaciais fizeram parte do programa Living With a Star. Lançadas em 30 de agosto de 2012 em um foguete Atlas V 401, a missão foi projetada para dois anos, mas operou por sete, demonstrando resiliência significativa contra a radiação.
As principais descobertas das Sondas Van Allen incluíram o aparecimento transitório de um terceiro cinturão de radiação em fevereiro de 2013, que durou várias semanas e forneceu novos insights sobre a dinâmica dos cinturões; e a caracterização da corrente de anel da Terra, revelando uma corrente substancial persistente transportada por prótons de alta energia mesmo durante períodos sem tempestades, com aumentos durante tempestades impulsionados pela injeção de prótons de baixa energia. A missão foi concluída com a desativação da Sonda B em julho de 2019 e da Sonda A em outubro de 2019, com as órbitas rebaixadas para reentrada atmosférica até 2034.
Biografia
Abigail M. Foerstner escreveu James van Allen: The First Eight Billion Miles, publicado pela University of Iowa Press em 2007 (brochura em 2009).
↑Van Allen, J. A. (1984). «Energetic Particles in the Inner Magnetosphere of Saturn». In: Gehrels, Tom; Matthews, Mildred Shapley. Saturn. [S.l.]: University of Arizona Press. pp.281–317
