«Электроны-убийцы»: грозы играют в космический пинбол с космической погодой

Визуализация, показывающая, как линии магнитного поля, тонкие голубые линии, вращающиеся вокруг Земли, могут захватывать заряженные частицы, тонкие желтые линии. Автор: UCLA EPSS/NASA SVS

Когда ударяет молния, электроны обрушиваются вниз. В новом исследовании ученые из Университета Колорадо в Боулдере под руководством студента-бакалавриата 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 пространства, окутанной заряженными частицами, которые окружают Землю как внутреннюю трубку.

Результаты работы команды могут помочь спутникам и даже астронавтам избегать опасной радиации в космосе. Это один из видов ливня, в который вы не хотите попасть, сказал ведущий автор и студент Макс Файнланд.

«Эти частицы — самые страшные, их некоторые называют «электронами-убийцами», — сказал Файнланд, получивший степень бакалавра в области аэрокосмических инженерных наук в Калифорнийском университете в Боулдере весной 2024 года. — Они могут проникать сквозь металл на спутниках, поражать печатные платы и могут быть канцерогенными, если попадут на человека в космосе».

Исследование было опубликовано 8 октября в журнале Nature Communications.

Результаты исследования обращают внимание на радиационные пояса, которые генерируются магнитным полем Земли. Лорен Блум, соавтор статьи и доцент Лаборатории физики атмосферы и космоса (LASP) в Университете Колорадо в Боулдере, объяснила, что два из этих регионов окружают нашу планету: хотя они и сильно движутся с течением времени, внутренний пояс, как правило, начинается более чем в 600 милях над поверхностью. Внешний пояс начинается примерно в 12 000 милях от Земли. Эти плавающие в космосе бассейны улавливают 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. Например, ученые давно знают, что высокоэнергетические электроны могут падать на Землю из внешнего радиационного пояса. Однако Блюм и ее коллеги первыми заметили подобный дождь, идущий из внутреннего пояса.

«Космическая погода на самом деле формируется как сверху, так и снизу», — сказал Блум.

Гром среди ясного неба

Это свидетельство силы молнии.

Когда в небе над Землей сверкает молния, этот всплеск энергии может также послать радиоволны, спиралью устремляющиеся вглубь космоса. Если эти волны ударяют по электронам в радиационных поясах, они могут вытолкнуть их на свободу — это немного похоже на то, как если бы вы трясли зонтиком, чтобы с него скатилась вода. В некоторых случаях такие «выпадения электронов, вызванные молнией» могут даже влиять на химию атмосферы Земли.

До настоящего времени исследователи собирали только прямые измерения низкоэнергетических или «холодных» электронов, падающих из внутреннего радиационного пояса.

«Обычно внутренний пояс считается скучным, — сказал Блюм. — Он стабилен. Он всегда там».

Визуализация радиационных поясов, окружающих Землю. Автор: NASA

Новое открытие ее команды произошло почти случайно. Файнланд анализировал данные с ныне выведенного из эксплуатации спутника NASA Solar, Anomalous, and Magnetospheric Particle Explorer (SAMPEX), когда увидел нечто странное: сгустки того, что казалось высокоэнергетическими электронами, движущимися через внутренний пояс.

«Я показал Лорен некоторые из своих событий, и она сказала: «Это не то место, где они должны быть», — сказал Файнланд. «Некоторые литературные данные предполагают, что во внутреннем поясе вообще нет никаких высокоэнергетических электронов».

Команда решила копнуть глубже.

Всего Файнланд насчитал 45 всплесков высокоэнергетических электронов во внутреннем поясе с 1996 по 2006 год. Он сравнил эти события с записями ударов молний в Северной Америке. Конечно, некоторые из всплесков электронов, казалось, происходили менее чем через секунду после удара молнии в землю.

Электронный пинбол

Вот что, по мнению команды, происходит: после удара молнии радиоволны с Земли запускают своего рода безумную игру в пинбол в космосе. Они врезаются в электроны во внутреннем поясе, которые затем начинают скакать 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 большой сгусток электронов, который отскакивает, а затем возвращается и снова отскакивает», — сказал Блюм. «Вы увидите этот начальный сигнал, и он затухнет».

Блюм не уверен, как часто происходят такие события. Они могут происходить в основном в периоды высокой солнечной активности, когда солнце выплевывает много высокоэнергетических электронов, наполняя внутренний пояс этими частицами.

Исследователи хотят лучше понять эти события, чтобы иметь возможность предсказать, когда они могут произойти, что потенциально поможет обеспечить безопасность людей и электроники на орбите.

Файнланд, со своей стороны, благодарен за возможность изучить эти великолепные штормы.

«Я даже не осознавал, насколько мне нравится заниматься исследованиями, пока не занялся этим проектом», — сказал он.

Другими соавторами нового исследования стали Роберт Маршалл, доцент кафедры аэрокосмических инженерных наук имени Энн и Х. Дж. Смид в Калифорнийском университете в Боулдере, Лонгжи Ган из Бостонского университета, Михаил Шумко из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса и Марк Лупер из Aerospace Corporation.

Больше информации: Max Feinland et al, Lightning-induced relativistic electron precipitation from the inner radiation belt, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53036-4

Источник: University of Colorado at Boulder