Японски спътник е регистрирал над 5000-кратно увеличение на потока от високоенергийни електрони в област, която дълго време учените смятаха за практически защитена от подобни частици.

Откритието е свързано с мощната геомагнитна буря от май 2024 г. и показва, че една от най-загадъчните защитни граници около Земята може да бъде много по-уязвима при екстремни космически условия, отколкото се предполагаше.

Невидимият щит около Земята

Около нашата планета се простират две огромни области, изпълнени със заредени частици, задържани от земното магнитно поле. Те са известни като радиационните пояси на Ван Алън и приблизително имат формата на гигантски пръстени.

Външният пояс съдържа предимно електрони, които могат да придобият огромна енергия под въздействието на процеси, свързани със Слънцето. Във вътрешния пояс преобладават високоенергийни протони, част от които се образуват при взаимодействието на космическите лъчи със земната атмосфера.

Особено внимание привличат т.нар. „електрони убийци“ – високоенергийни частици, способни да се движат със скорост, близка до тази на светлината.

Те представляват сериозен проблем за космическите апарати, тъй като могат да проникват през защитните им покрития, да повреждат електрониката и да съкращават експлоатационния им живот. Повишената радиация представлява риск и за астронавтите.

През 2014 г. данни от космическите апарати „Ван Алън“ на НАСА разкриха отчетлива граница на разстояние около три земни радиуса от центъра на планетата. Най-енергичните електрони почти никога не преминавали навътре през тази граница.

Тя получила впечатляващото име „непроницаемата бариера“.

Бариерата не е толкова непробиваема

Дълго време учените предполагали, че определени електромагнитни вълни в студената плазма около Земята не позволяват на най-опасните електрони да достигат по-близките до планетата области.

Тези вълни могат да разсейват частиците и да променят траекториите им, създавайки естествена граница.

Още през 2018 г. обаче се появили първите сериозни съмнения, че тази граница не е абсолютно непробиваема.

Една от възможностите била, че тя се запазва при нормални условия просто защото обичайните геомагнитни бури са твърде кратки. При силни смущения в магнитното поле електроните могат да бъдат придвижени към Земята, но бурята обикновено отслабва, преди частиците да проникнат достатъчно навътре.

През 2024 г. анализ на по-стари наблюдения от периода 1996–2006 г. показал и друго интересно явление. Електромагнитни вълни, породени от мълнии, могат да насочват високоенергийни електрони от вътрешния радиационен пояс към земната атмосфера.

Това подсказало, че движението на частиците около Земята е значително по-сложно, отколкото изглежда на пръв поглед.

Слънцето отприщва буря от най-висок клас

Ключовият момент настъпил през май 2024 г., когато Слънцето изхвърлило огромно количество намагнетизирана плазма в междупланетното пространство. Последвала изключително мощна геомагнитна буря от категория G5 – най-високото ниво в използваната класификация.

Земното магнитно поле било подложено на силни смущения, а въздействието на бурята било регистрирано дори от измервателни инструменти на океанското дъно.

Изключително силното космическо събитие довело до значителни промени в студената плазма около Земята. В тези условия се появили специфични електромагнитни вълни, известни като „хорус“. Именно те се оказали ключови за новото откритие.

Космическите вълни, които напомнят птича песен

Международният научен екип, ръководен от космическия физик Йошизуми Мийоши от университета в Нагоя, установил, че вълните „хорус“ могат да ускоряват електроните до изключително високи енергии.

Имат и необичайна особеност – когато сигналите им бъдат преобразувани в звук, наподобяват птича песен. По време на супербурята през май 2024 г. тези вълни действали по различен начин от механизмите, които обичайно ограничават проникването на електрони.

Вместо просто да разсейват частиците, те създали условия за допълнителното им ускоряване във вътрешната област на радиационните пояси.

Така високоенергийни електрони се появили в зона, която доскоро се смяташе за защитена от подобно натрупване.

Японският спътник отчел над 5000-кратен скок

Най-силното доказателство дошло от японския научен спътник „Арасе“, който наблюдава радиационните пояси на Земята от 2017 г.

По време на отслабването на бурята апаратът регистрирал необичайно рязко увеличение на потока от високоенергийни електрони във вътрешната област.

При енергии около 3 мегаелектронволта потокът нараснал с повече от 5000 пъти спрямо стойностите преди бурята. Още по-интересна се оказала последователността на събитията.

Първоначално се появили големи количества електрони с по-ниска енергия. Около 12 часа по-късно били регистрирани частици с по-висока енергия. След още приблизително половин денонощие рязко се увеличил и потокът от електрони с енергия над 3 мегаелектронволта.

Тази последователност дала на учените важна следа. Данните подсказвали, че частиците не просто са били пренесени от по-отдалечени области към Земята, а постепенно са придобивали енергия в самата вътрешна област.

Допълнителен аргумент било разпределението на електроните, при което се наблюдавало отчетливо натрупване близо до границата на смятаната за „непроницаема“ бариера.

Радиационният ефект продължил месеци

Необичайното състояние на радиационните пояси не изчезнало веднага след края на най-силната фаза на бурята.

„Арасе“ продължил да регистрира постепенно намаляване на потока от високоенергийни електрони чак до октомври 2024 г., когато в околоземното пространство настъпила нова силна геомагнитна буря.

Резултатите от изследването са публикувани в научното списание Geophysical Research Letters в публикация, посветена на локалното ускоряване на електрони с енергии от няколко мегаелектронволта във вътрешността на „непроницаемата“ бариера по време на супербурята от май 2024 г.

Според ръководителя на изследването Йошизуми Мийоши откритието показва колко важно е да бъде разбрано поведението на високоенергийните електрони при екстремни условия на космическото време.

Това знание е от значение не само за фундаменталната наука. То може да помогне за по-точното оценяване на радиационните рискове за космическите апарати и за подобряването на прогнозите за космическото време.

Откритието показва и нещо още по-важно: защитата, която земното магнитно поле осигурява, не е неподвижен и непробиваем щит. При достатъчно мощно космическо събитие самата система може да се промени и да създаде условия опасни частици да достигнат области, които обичайно остават сравнително спокойни.