Розглядаючи фотографії Землі, що зависла на тлі космічної темряви, можна було б подумати, що наша планета ізольована і самотня.
Однак космічний простір поблизу Землі не такий простий. Наш світ затишно розташований у поясах Ван Аллена – двох областях космічного простору у формі бублика, заповнених високоенергетичними протонами та електронами, які утримуються магнітним полем планети.
Зовнішній пояс населений переважно електронами, енергію яких надають процеси, зумовлені Сонцем, тоді як багато протонів внутрішнього поясу походять від частинок, що утворюються під час зіткнення космічних променів з атмосферою Землі.
Більше десятиліття вважалося, що цей внутрішній пояс утворює непроникний бар’єр для ультрарелятивістських “вбивчих” електронів, не дозволяючи їм наближатися до Землі.
Проте з’явилися нові докази того, що за певних обставин цей регіон не такий безпечний, як ми думали.
Під час надзвичайно потужної сонячної бурі, що вплинула на Землю у травні 2024 року, японський супутник зафіксував прискорення електронів у цьому регіоні до мегаелектронвольтної енергії – у місці, де, як вважали вчені, цього не повинно було статися.
“Тут ми показуємо, що цей бар’єр може бути пробитий за екстремальних умов космічної погоди”, – пише команда під керівництвом космічного фізика Йосізумі Мійоші з Нагойського університету у статті, опублікованій у Geophysical Research Letters.
Так звані “вбивчі” електрони, відомі вже десятиліттями, становлять серйозну проблему в низькому навколоземному просторі. Ці частинки можуть прискорюватися майже до швидкості світла завдяки взаємодії з електромагнітними хвилями в магнітному середовищі Землі, особливо під час геомагнітних бур.
Вони несуть настільки велику енергію, що можуть проникати крізь захист супутників, потенційно пошкоджуючи чутливу електроніку та скорочуючи термін служби космічних апаратів. Вони також небезпечні для людей, становлячи підвищений радіаційний ризик для астронавтів.
Проте у 2014 році дослідники виявили дещо незвичайне. Спостереження з космічних зондів NASA “Van Allen Probes” виявили дивно різку межу приблизно за три радіуси Землі від центру планети, за якою найбільш енергетичні електрони рідко досягали.
Вчені описали це як “непроникний бар’єр”, припускаючи, що електромагнітні хвилі в області холодної плазми, що оточує Землю, допомагають розсіювати електрони з їхніх захоплених орбіт, змушуючи їх падати в атмосферу. У поєднанні з повільною міграцією електронів всередину це, здавалося, створювало природний бар’єр, який стримував їх.
Однак вже у 2018 році почали з’являтися тріщини в так званому “непроникному” бар’єрі.
Дослідники висунули припущення, що бар’єр насправді не є бар’єром, а ілюзією, створеною обмеженою тривалістю геомагнітних бур.
Енергетичні електрони могли переміщатися всередину під впливом коливань магнітного поля Землі, але бурі, що спричиняли цей рух, зазвичай припинялися до того, як електрони могли б проникнути далі.
Потім, у 2024 році, аналізуючи спостереження, зібрані між 1996 та 2006 роками, дослідники виявили, що електромагнітні хвилі, породжені блискавками, могли змушувати “вбивчі” електрони, вже захоплені внутрішнім радіаційним поясом, падати до атмосфери Землі.
Ці спостереження надали додаткові докази того, що мегаелектронвольтно-енергетичні електрони вже були присутні значно глибше за межі нібито непроникної межі.
Але далі, у травні 2024 року, сталася сонячна супербуря.
Сонце вибухнуло серією спалахів та корональних викидів маси, які викинули мільярди тонн намагніченої плазми, що мчала через Сонячну систему.
На Землі результатом став геомагнітний шторм рівня G5 – найпотужніша категорія за шкалою геомагнітних бур, настільки інтенсивний, що його наслідки фіксувалися навіть на дні океану.
Шторм різко виснажив холодну плазму в плазмосфері Землі, створивши незвично розріджене середовище, в якому могли процвітати інший тип електромагнітних хвиль, так званий “хорус”.
“При перетворенні на звук це нагадує спів птахів”, – каже Мійоші.
І замість того, щоб розсіювати електрони, як це зазвичай роблять інші хвилі, ці хвилі, схоже, прискорили їх до неймовірних енергій, прямо всередині “непроникного” бар’єру.
Докази надійшли від японського супутника “Arase”, який моніторив радіаційні пояси з 2017 року.
Під час фази відновлення після шторму “Arase” зафіксував різке збільшення ультрарелятивістських електронів всередині бар’єру. При енергіях близько 3 мегаелектронвольт потік електронів зріс більш ніж у 5 000 разів порівняно з рівнями до шторму.
Час і еволюція цього збільшення були особливо показовими.
Спочатку з’явилися електрони з нижчою енергією. Приблизно через півдня за ними послідували електрони з вищою енергією. А приблизно через добу після початкового збільшення різко зросла і кількість електронів, що несли енергію понад 3 мегаелектронвольти.
Ця послідовна прогресія свідчила про те, що електрони не просто переміщувалися всередину ззовні. Вони набирали енергію саме там, всередині нібито захищеного регіону.
Мійоші та його колеги знайшли подальші докази у розподілі електронів, які утворювали чіткий пік поблизу межі бар’єру.
Такий шаблон важко пояснити лише внутрішнім транспортом, але він узгоджується з прискоренням електронів на місці, перш ніж вони розповсюджуються далі всередину та назовні.
Сукупність доказів свідчить про те, що виснаження холодної плазми створило ідеальні умови для того, щоб електрони поводилися так, як це зазвичай спостерігається далі від Землі.
І відновлення тривало місяцями. “Arase” продовжував спостерігати за зниженням рівня ультрарелятивістських електронів до жовтня 2024 року, коли ще один сонячний шторм вплинув на космічний простір поблизу Землі.
Це відкриття натякає на те, що динаміка космічного простору навколо Землі набагато складніша, ніж здається на перший погляд.
“Це відкриття підкреслює необхідність розуміння та прогнозування поведінки енергетичних електронів за екстремальних умов космічної погоди”, – каже Мійоші.
“Такі знання важливі для оцінки радіаційних ризиків для космічних апаратів та покращення майбутніх прогнозів космічної погоди”.
Дослідження опубліковано у Geophysical Research Letters.
Інформація підготовлена на основі матеріалів: www.sciencealert.com