De beweging van elektrische ionen en elektronen doorheen de ruimte is sterk beperkt door het magnetisch veld. De basismodus is de draaiing rond de magnetische veldlijnen, terwijl deze tegelijkertijd glijden langsheen deze lijnen en de deeltjes een spiraal pad geven. Bij typische veldlijnen, verbonden met de Aarde aan beide einden, zal deze beweging de deeltjes weldra in de atmosfeer doen leiden waar deze in botsing komen en hun energie verliezen. Een toegevoegde eigenschap van gevangen beweging voorkomt meestal dat dit gebeurd: de glijdende beweging vertraagt als de deeltjes in een gebied komen waar het magnetisch veld sterk is en zelfs kan stoppen en omkeren. Het is net alsof deze deeltjes afgeweerd worden van zulke gebieden, een interessant contrast met ijzer, die aangetrokken wordt wanneer het magnetisch veld sterk is.
De magnetische sterkte is veel sterker nabij de aarde dan verder weg en op elke veldlijn is deze het grootste aan de uiteinden waar de lijn in de atmosfeer komt. Elektronen en ionen kunnen voor een lange tijd gevangen worden, terug botsend van de ene hemisfeer naar de andere. Op deze manier houd de aarde haar stralingsgordels.
Naast het botsen en spiraal wijken de gevangen deeltjes lichtjes af van het ene veld naar een andere gelijkaardige, geleidelijk gaat het zo rond de aarde. ionen gaan naar de ene zijde (in wijzers zin, vanaf het noorden gezien), elektronen de andere zeide en in elke afwijking is het de beweging van de elektrische ladingen gelijk aan een elektrische stroom die rond de aarde draait in wijzers zin. Dit is de zogeheten "ring current" waarvan magnetische veldlijnen het geobserveerde veld lichtjes doet verzwakken langsheen een groot deel van het aardoppervlak. Tijdens magnetische stormen ontvangt de stroom van de ring vele gelijkwaardige ionen en elektronen van de staart aan de nachtzijde van de magnetosfeer en het effect ervan verhoogt, niettemin het effect op het aardoppervlak altijd erg klein is, slechts 1% van de totale magnetische veld intensiteit.
De ontdekking van de stralingsgordel
Voor 1958 waren de wetenschappers al op de hoogte dat elektronen en ionen in het magnetisch veld van de aarde konden gevangen worden, maar niet dat deze deeltjes echt bestonden. Er werd op z'n minst voorgesteld dat tijdens magnetische stormen een tijdelijke gevangen groep gevangen werd en een ringstroom maakte, die pas verkleinde als de storm verzwakte.
Het jaar 1957-1958 was het jaar van de "Internationale Geofysisch jaar" en zowel de Verenigde Staten alsook Rusland probeerden in deze tijd satellieten te lanceren, de eerste ooit. Rusland lanceerde succesvol de eerste satelliet Sputnik op 4 oktober 1957 maar de Amerikaanse kandidaat satelliet faalde bij de lancering. Amerika heeft dan snel een alternatieve raket gemaakt die een andere satelliet droeg, de kleine Explorer 1 gebouwd door James Van Allen en zijn team van de universiteit van Iowa en werd gelanceerd op 31 januari 1958.
Explorer 1 droeg enkel een kleine satelliet, een kleine detector van energetische deeltjes, een Geigerteller gemaakt om kosmische straling te observeren (ionen met hoge energie en onbekend origine, die op aarde aankomen van een verre ruimte). Het experiment werkte goed op lage hoogtes, maar aan de top van elke baan om de aarde werden geen deeltjes geteld. Explorer 3 die twee maand later erop volgde, verzamelde een tape met een continue opslag van gegevens die aantoonden dat de momenten waar de teller niks aangeeft een hoge graad van straling voorstellen. Zoveel energetische deeltjes die op de teller botsten, dit is het moment dat de teller overspoelt werd en stilviel. Niet alleen was de radiatiegordel aanwezig op elk ogenblik het was ook intens.
De aarde heeft twee gebieden van gevangen deeltjes, de binnenste stralingsgordel die ontdekt werd door Van allen is relatief compact (de bekende Van Allen-gordel), strekt zich slechts één aardafstand boven de evenaar uit (6371 kilometer dikte). Het bestaat uit zeer energetische protonen, een bijproduct van de botsing van kosmische straling ionen met atomen van de atmosfeer. Het aantal van deze ionen is relatief klein en de binnenste gordel accumuleert traag maar aangezien het gevangennemen nabij de aarde zeer stabiel is zal eerder een hoge intensiteit worden bereikt, alhoewel hun opbouw jaren kan duren.
Verder naar buiten toe is de grootste regio van de ringstroom, die bevat ionen en elektronen met een veel lagere energie (de meest energetische onder hen zijn gekend als de "buitenste stralingsgordel" of "outer radiation belt"). In tegenstelling tot de binnenste gordel, fluctueert hun aantal sterk, het stijgt wanneer magnetische stormen verse deeltjes in de staart van de magnetosfeer injecteren en dan geleidelijk er af vallen. De energie van de ringstroom wordt hoofdzakelijk gedragen door de ionen, merendeel daarvan zijn protonen.
Wat ook gezien wordt in de ringstroom zijn de "alpha deeltjes", heliumatomen die hun twee elektronen hebben verloren, een type ion die voldoende aanwezig is in de zonnewind. Bovendien is een bepaald percentage van O+ zuurstof ionen, gelijkaardig aan deze in de ionosfeer van de Aarden maar meer energetisch. Deze mix van ionen geeft aan dat de ringstroom deeltjes waarschijnlijk afkomstig zijn uit meer dan één gebied.
Energetische deeltjes
Energie is de kracht waarvoor natuurlijke processen voor nodig zijn: om bewegingen te versnellen, om een machine in te schakelen, om de zon te doen schijnen of door een elektrische stroom door een draad te jagen is energie nodig. Een fundamentele natuurwet stelt dat energie nooit weggaat, maar verandert van vorm, zoals dat energie van zonlicht kan geconverteerd orden naar elektriciteit door een zonnecel of de energie van wind geconverteerd wordt door een windmolen, maar het totale aantal blijft hetzelfde.
Ruimtefenomenen omvatten energie op twee verschillende schalen. De ene schaal houd de energie bij van individuele ionen en elektronen, welke meestal bewegen aan een respectabele fractie van het licht. Hoe sneller het deeltje beweegt, hoe hoger de energie en hoe groter de dikte van materiaal dat nodig is om het te doen stoppen. Energieën zoals deze worden gemeten in elektron-volt (eV): elektronen van poollicht hebben 1000-15,000 eV, protonen in de binnenste gordel misschien vijftig miljoen eV, terwijl energie van kosmische straling enkele miljarden kan halen. Ter vergelijking, de moleculen in de atmosfeer van de aarde hebben slechts 0,03 eV, dit doet meteen de vraag reizen die belangrijk is in het onderzoek in de ruimte: hoe komt het dat een paar deeltjes zoveel energie krijgen?
De andere schaal is deze van het globale ruimtefenomeen: magnetische stormen, substormen, aurora en elektrische stromen die de aarde met de ruimte verbinden. De hoofdbron van deze energie is hoofdzakelijk de zonnewind, maar de paden waarlangs de energie langs word getransporteerd in de atmosfeer komen zijn nog niet volledig duidelijk.
