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.
Membro da Academia Nacional de Ciências (eleito em 1959), da Sociedade Filosófica Americana e da Academia Americana de Artes e Ciências, Van Allen recebeu a Medalha Nacional de Ciências (1987), o Prêmio Crafoord da Real Academia Sueca de Ciências (1989), a Medalha de Ouro da Royal Astronomical Society (1978) e o Prêmio Vannevar Bush (1991). A revista Time o nomeou um de seus Homens do Ano em 1960. Ele liderou a comunidade científica na colocação de instrumentos de pesquisa em satélites espaciais e foi um defensor líder da exploração planetária não tripulada, presidindo o Painel do Espaço Exterior que desenvolveu a justificativa científica para as missões Pioneer 10 e Pioneer 11 aos planetas exteriores. Ele também foi um crítico ferrenho dos programas de voos espaciais humanos, argumentando que as naves robóticas proporcionavam retornos científicos muito maiores por dólar gasto.
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.
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
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.
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.