Визуализация, показывающая, как линии магнитного поля, тонкие голубые линии, вращающиеся вокруг Земли, могут улавливать заряженные частицы, тонкие желтые линии. Фото: EPSS Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе/NASA SVS.
Когда ударяет молния, электроны падают вниз. В новом исследовании исследователи из Университета Колорадо в Боулдере под руководством студента обнаружили новую связь между погодой на Земле и космической погодой. Команда использовала спутниковые данные, чтобы показать, что грозы на нашей планете могут вытеснять особенно высокоэнергетические или «сверхгорячие» электроны из внутреннего радиационного пояса — области космоса, окутанной заряженными частицами, которые окружают Землю, как внутренняя труба.
Результаты команды могут помочь спутникам и даже астронавтам избежать опасной радиации в космосе. По словам ведущего автора и студента Макса Фейнланда, это тот тип ливня, в который не стоит попадать.
«Эти частицы — самые страшные, или то, что некоторые называют «электронами-убийцами», — сказал Фейнланд, получивший степень бакалавра аэрокосмических наук в Калифорнийском университете в Боулдере весной 2024 года. — Они могут проникать сквозь металл на спутниках, поражать печатные платы и могут быть канцерогенными, если они поразят человека в космосе».
Исследование появилось 8 октября в журнале Nature Communications.
Результаты исследования указывают на радиационные пояса, которые создаются магнитным полем Земли. Лорен Блюм, соавтор статьи и доцент Лаборатории физики атмосферы и космоса (LASP) Калифорнийского университета в Боулдере, объяснила, что две из этих областей окружают нашу планету: хотя они сильно движутся с течением времени, внутренний пояс имеет тенденцию начаться на высоте более 600 миль над поверхностью. Внешний пояс начинается примерно на расстоянии около 12 000 миль от Земли. Эти резервуары плавают в космосе, улавливая заряженные частицы, текущие к нашей планете от Солнца, образуя своего рода барьер между атмосферой Земли и остальной частью Солнечной системы.
Но они не совсем герметичны. Ученым, например, давно известно, что высокоэнергетические электроны могут падать на Землю из внешнего радиационного пояса. Однако Блюм и ее коллеги первыми заметили аналогичный дождь, идущий из внутреннего пояса.
Другими словами, Земля и космос могут быть не такими отдельными, как кажутся.
«Космическая погода на самом деле управляется как сверху, так и снизу», — сказал Блюм.
Болт из ниоткуда
Это свидетельство силы молнии.
Когда в небе на Земле сверкает молния, этот всплеск энергии также может отправить радиоволны вглубь космоса. Если эти волны столкнутся с электронами в радиационных поясах, они могут вытолкнуть их на свободу – это примерно то же самое, что трясти зонтиком, чтобы сбить воду. В некоторых случаях такие «высыпания электронов, вызванные молниями», могут даже влиять на химический состав атмосферы Земли.
На сегодняшний день исследователи собрали только прямые измерения более низких энергий или «более холодных» электронов, падающих из внутреннего радиационного пояса.
«Обычно внутренний пояс считается скучным», — сказал Блюм. «Он стабилен. Он всегда здесь».
Визуализация радиационных поясов, окружающих Землю. Кредит: НАСА
Новое открытие ее команды произошло почти случайно. Фейнланд анализировал данные уже выведенного из эксплуатации спутника НАСА «Исследователь солнечных, аномальных и магнитосферных частиц» (SAMPEX), когда увидел нечто странное: скопления, казалось, высокоэнергетических электронов, движущихся через внутренний пояс.
«Я показал Лорен некоторые из моих мероприятий, и она сказала: «Это не то место, где они должны быть», — сказал Фейнланд. «Некоторая литература предполагает, что во внутреннем поясе вообще нет высокоэнергетических электронов».
Команда решила копнуть глубже.
Всего Фейнланд насчитал 45 всплесков высокоэнергетических электронов во внутреннем поясе с 1996 по 2006 год. Он сравнил эти события с записями ударов молний в Северной Америке. Действительно, некоторые выбросы электронов, казалось, произошли менее чем через секунду после удара молнии в землю.
Электронный пинбол
Вот что, по мнению команды, происходит: после удара молнии радиоволны с Земли запускают в космосе своего рода маниакальную игру в пинбол. Они сталкиваются с электронами во внутреннем поясе, которые затем начинают прыгать между северным и южным полушариями Земли, перемещаясь туда и обратно всего за 0,2 секунды.
И каждый раз, когда электроны отскакивают, некоторые из них выпадают из пояса и попадают в нашу атмосферу.
«У вас есть большая капля электронов, которая отскакивает, а затем возвращается и снова отскакивает», — сказал Блюм. «Вы увидите этот первоначальный сигнал, и он затухнет».
Блюм не уверен, как часто происходят такие события. Они могут происходить в основном в периоды высокой солнечной активности, когда Солнце выбрасывает много высокоэнергетических электронов, заполняя этими частицами внутренний пояс.
Исследователи хотят лучше понять эти события, чтобы они могли предсказать, когда они могут произойти, что потенциально поможет обеспечить безопасность людей и электроники на орбите.
Фейнланд, со своей стороны, благодарен за возможность изучить эти великолепные штормы.
«Я даже не осознавал, насколько мне нравятся исследования, пока мне не пришлось заняться этим проектом», — сказал он.
Среди других соавторов нового исследования — Роберт Маршалл, доцент кафедры аэрокосмических инженерных наук Энн и Х. Дж. Смид в Университете Боулдера, Лунчжи Ган из Бостонского университета, Михаил Шумко из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса и Марк Лупер из The New York Times. Аэрокосмическая корпорация.
Информация от: Университетом Колорадо в Боулдере.
