Предполагаемый непроницаемый радиационный барьер Земли был пробит

Фото из открытых источников

Глядя на фотографии Земли, застывшей в темноте космоса, можно подумать, что наша планета изолирована и одинока. Но околоземное космическое пространство таит в себе гораздо больше, чем кажется на первый взгляд. Наш мир уютно расположился в поясах Ван Аллена — двух областях пространства в форме пончика, заполненных энергичными протонами и электронами и удерживаемых магнитным полем планет.

Внешний пояс в основном населен электронами, получающими энергию в результате процессов, инициированных Солнцем, в то время как многие протоны внутреннего пояса образуются из частиц, возникающих при столкновении космических лучей с атмосферой Земли.

Более десяти лет считалось, что этот внутренний пояс образует непроницаемый барьер для ультрарелятивистских «электронов-убийц», не позволяя им приближаться слишком близко к Земле.

Однако появились новые свидетельства того, что при определенных обстоятельствах этот регион не так безопасен, как мы думали.

Во время невероятно мощной солнечной бури, обрушившейся на Землю в мае 2024 года, японский спутник зафиксировал в этом регионе ускорение электронов до мегаэлектронвольтных энергий — в месте, где, по мнению ученых, этого происходить не должно было.

«Здесь мы показываем, что этот барьер может быть преодолен в экстремальных условиях космической погоды», — пишет группа исследователей во главе с космическим физиком Ёсидзуми Миёси из Нагойского университета в статье, опубликованной в журнале Geophysical Research Letters.

Так называемые «электроны-убийцы», известные уже несколько десятилетий, представляют собой серьёзную проблему в околоземном космическом пространстве. Эти частицы могут ускоряться почти до скорости света в результате взаимодействия с электромагнитными волнами в магнитном поле Земли, особенно во время геомагнитных бурь.

Они несут в себе столько энергии, что могут проникать сквозь экранирование спутников, потенциально повреждая чувствительную электронику и сокращая срок службы космических аппаратов. Они также вредны для людей, представляя повышенную радиационную опасность для космонавтов.

Но в 2014 году исследователи обнаружили нечто необычное. Наблюдения, проведенные с помощью зондов НАСА «Ван Аллен», выявили странно резкую границу, примерно в трех радиусах Земли от центра планеты, за пределы которой самые энергичные электроны редко заходили.

Ученые описали это как «непроницаемый барьер», предположив, что электромагнитные волны в области холодной плазмы, окружающей Землю, помогают рассеивать электроны из их захваченных орбит, заставляя их падать в атмосферу. В сочетании с медленной внутренней миграцией электронов это, по-видимому, создавало естественный барьер, сдерживающий их движение.

Однако уже в 2018 году в так называемом «непроницаемом» барьере начали появляться трещины. Исследователи предположили, что барьер на самом деле вовсе не барьер, а иллюзия, созданная ограниченной продолжительностью геомагнитных бурь.

Энергичные электроны могли быть вытеснены внутрь флуктуациями магнитного поля Земли, но бури, вызывающие это движение, обычно затухали, прежде чем электроны могли продвинуться дальше.

Затем, в 2024 году, исследователи, анализируя наблюдения, полученные в период с 1996 по 2006 год, обнаружили, что электромагнитные волны, генерируемые молниями, могут заставлять опасные электроны, уже захваченные во внутреннем радиационном поясе, падать в сторону атмосферы Земли.

Эти наблюдения предоставили дополнительные доказательства того, что мегаэлектронвольтные электроны уже присутствовали за пределами предположительно непроницаемой границы.

Но затем, в мае 2024 года, разразилась солнечная супербуря.

Солнце взорвалось серией вспышек и выбросов корональной массы, в результате которых миллиарды тонн намагниченной плазмы с бешеной скоростью разлетелись по всей Солнечной системе.

Здесь, на Земле, результатом стала геомагнитная буря уровня G5 — самая мощная категория по шкале геомагнитных бурь, настолько интенсивная, что ее последствия были зафиксированы даже на дне океана.

В результате шторма произошло резкое истощение холодной плазмы в плазмосфере Земли, что создало необычайно разреженную среду, в которой мог процветать другой тип электромагнитных волн, называемый хорусом.

«В аудиоформате это звучит как пение птиц», — говорит Миёси.

И вместо того, чтобы рассеивать электроны, как это обычно делают другие волны, эти волны, по-видимому, ускорили их до невероятных энергий прямо внутри «непроницаемого» барьера.

Эти данные были получены с японского спутника Arase, который отслеживал радиационные пояса с 2017 года.

В фазе восстановления после бури Arase зафиксировал резкое увеличение количества ультрарелятивистских электронов внутри барьера. При энергиях около 3 мегаэлектронвольт поток электронов вырос более чем в 5000 раз по сравнению с уровнем до бури.

Особенно показательными оказались сроки и динамика этого роста.

Сначала увеличилось количество электронов с более низкой энергией. Примерно через полдня появились электроны с более высокой энергией. И примерно через сутки после первоначального увеличения их количество также резко возросло.

Такое неравномерное движение электронов указывало на то, что они не просто притягивались внутрь извне. Они получали энергию прямо там, внутри предположительно защищенной области.

Миёси и его коллеги обнаружили дополнительные подсказки в распределении электронов, которые образовали отчетливый пик вблизи границы барьера.

Эту закономерность сложно объяснить только внутренним переносом, но она согласуется с предположением о локальном ускорении электронов перед их дальнейшим распространением внутрь и наружу.

В совокупности эти данные свидетельствуют о том, что истощение холодной плазмы создало идеальные условия для поведения электронов, которое обычно наблюдается только на больших расстояниях от Земли.

На восстановление ушли месяцы. Arase продолжал наблюдать снижение уровня ультрарелятивистских электронов до октября 2024 года, когда еще одна солнечная буря потрясла околоземное космическое пространство.

Это открытие указывает на то, что динамика космического пространства вокруг Земли гораздо сложнее, чем предполагает его кажущееся спокойствие.

«Это открытие подчеркивает необходимость понимания и прогнозирования поведения высокоэнергетических электронов в экстремальных условиях космической погоды», — говорит Миёси. «Такие знания важны для оценки радиационных рисков для космических аппаратов и улучшения прогнозов космической погоды в будущем».