2436
Земля не просто «висить» у порожнечі космосу: вона занурена в складну структуру магнітного поля та радіаційних поясів. Нашу планету оточують пояси Ван Аллена – дві тороподібні зони, заповнені енергійними протонами й електронами, які утримує магнітне поле Землі. Як повідомляє ScienceAlert, нові спостереження показали, що внутрішній пояс не є таким «непроникним», як вважали раніше.
Зовнішній пояс переважно заповнений електронами, які отримують енергію завдяки процесам, пов’язаним із Сонцем. У внутрішньому поясі багато протонів, що виникають із частинок, створених при зіткненні космічних променів з атмосферою Землі. Понад десять років існувала думка, що внутрішній пояс утворює бар’єр для надрелятивістських «вбивчих» електронів, не дозволяючи їм наближатися до планети.
Як «непроникний» бар’єр дав тріщину
У травні 2024 року надзвичайно потужний сонячний шторм різко змінив ситуацію. Японський супутник Arase зафіксував у внутрішньому поясі електрони, розігнані до енергій у діапазоні мегаелектронвольт – там, де, за попередніми уявленнями, такого бути не мало.
Команда під керівництвом фізика космосу Йошідзумі Мійосі (Yoshizumi Miyoshi) з Університету Нагої описала ці результати в статті в журналі Geophysical Research Letters. Дослідники показують, що за екстремальних умов космічної погоди бар’єр може бути прорваний.
Так звані «вбивчі» електрони відомі вже десятиліттями. Вони можуть розганятися майже до швидкості світла під час взаємодії з електромагнітними хвилями в магнітному оточенні Землі, особливо під час геомагнітних бур. Такі частинки несуть стільки енергії, що здатні проникати крізь захист супутників, пошкоджуючи електроніку та скорочуючи строк служби апаратів. Для людей вони також небезпечні, підвищуючи радіаційні ризики для астронавтів.
Походження ілюзії «непроникного» бар’єра
У 2014 році дані апаратів NASA Van Allen Probes показали різку межу приблизно на відстані трьох радіусів Землі від її центру. Найенергійніші електрони майже ніколи не заходили всередину цієї зони. Це назвали «непроникним бар’єром» і припустили, що електромагнітні хвилі в області холодної плазми навколо Землі розсіюють електрони з їхніх орбіт, змушуючи їх падати в атмосферу. Разом із повільною міграцією електронів углиб це створювало природний захисний рубіж.
Втім, уже до 2018 року з’явилися сумніви. Деякі дослідники запропонували, що бар’єр може бути радше ілюзією, пов’язаною з обмеженою тривалістю геомагнітних бур. Енергійні електрони здатні просуватися всередину під дією коливань магнітного поля, але бурі зазвичай закінчуються раніше, ніж частинки встигають зайти глибше.
У 2024 році аналіз спостережень за 1996–2006 роки показав ще один механізм: електромагнітні хвилі, породжені блискавками, можуть виштовхувати вже захоплені у внутрішній пояс «вбивчі» електрони в бік атмосфери. Це стало додатковим свідченням, що електрони з енергіями мегаелектронвольт уже присутні всередині нібито непроникної межі.
Сонячний супершторм і «пташиний спів» у космосі
Кульмінацією став сонячний супершторм у травні 2024 року. Сонце викинуло серію спалахів і корональних викидів маси, які спрямували в Сонячну систему мільярди тонн намагніченої плазми. На Землі це спричинило геомагнітну бурю рівня G5 – найвищої категорії, ефекти якої зафіксували навіть на дні океану.
Буря різко збіднила холодну плазму в плазмосфері Землі, створивши незвично розріджене середовище. У таких умовах почав домінувати інший тип електромагнітних хвиль – так званий chorus. За словами Мійосі, якщо перетворити ці хвилі на звук, вони нагадують спів птахів.
На відміну від хвиль, які зазвичай розсіюють електрони й виштовхують їх, хвилі chorus, схоже, розганяли частинки до надзвичайно високих енергій прямо всередині «непроникного» бар’єра.
Дані супутника Arase: зростання у 5000 разів
Супутник Arase, що спостерігає за радіаційними поясами з 2017 року, зафіксував під час фази відновлення бурі різке зростання кількості надрелятивістських електронів усередині бар’єра. Для енергій близько 3 мегаелектронвольт потік електронів збільшився більш ніж у 5000 разів порівняно з довбуревим рівнем.
Особливо показовою була послідовність цього зростання. Спочатку зросла кількість електронів нижчих енергій. Приблизно через пів доби додалися електрони з вищими енергіями. Ще через день різко збільшилася кількість частинок з енергією понад 3 мегаелектронвольти.
Такий «сходинковий» характер натякає, що електрони не просто були занесені всередину з інших областей. Вони, ймовірно, набували енергії локально, вже всередині зони, яку вважали захищеною.
Додаткові підказки дала просторова структура потоку електронів: він утворював виразний максимум поблизу межі бар’єра. Цю картину важко пояснити лише перенесенням частинок ззовні, зате вона узгоджується зі сценарієм локального прискорення з подальшим поширенням електронів як углиб, так і назовні.
У сукупності дані вказують, що виснаження холодної плазми створило «ідеальні» умови, за яких електрони почали поводитися так, як зазвичай спостерігається лише далі від Землі.
Довготривалі наслідки та значення для космічної техніки
Порушення структури поясів виявилося тривалим. Arase реєстрував поступове зниження рівня надрелятивістських електронів аж до жовтня 2024 року, коли новий сонячний шторм знову вплинув на навколоземний простір.
Ці результати показують, що динаміка простору навколо Землі значно складніша, ніж може здатися ззовні. За словами Мійосі, відкриття підкреслює необхідність краще розуміти й прогнозувати поведінку енергійних електронів за умов екстремальної космічної погоди. Такі знання важливі для оцінки радіаційних ризиків для космічних апаратів і вдосконалення прогнозів космічної погоди в майбутньому.
Сонячний супершторм прорвав «непроникний» радіаційний бар’єр Землі з’явилася спочатку на Цікавості.
