Японски спътник отчете над 5000 пъти повече опасни частици

Мощна геомагнитна буря от най-високата категория G5 е пробила защитната бариера около Земята, която повече от десетилетие се смяташе за практически непроницаема за опасните космически частици, показва ново изследване на международен научен екип с ръководител космическия физик Йошизуми Мийоши от Университета в Нагоя, публикувано в научното списание Geophysical Research Letters и цитирано от ScienceAlert. Данните от японския научен спътник Arase разкриват, че след екстремните слънчеви изригвания през май 2024 година потокът от високоенергийни електрони във вътрешната защитна зона на планетата е нараснал повече от 5 000 пъти. Откритието променя досегашните представи за сигурността на околоземното пространство и поставя нови въпроси за защитата на спътниците и астронавтите.

Невидимият щит и електроните убийци

Нашата планета е обгърната от две огромни пръстеновидни области, изпълнени със заредени частици, които се задържат от земното магнитно поле. Те са известни като радиационните пояси на Ван Алън. Външният пояс се състои предимно от електрони, получаващи огромна енергия от процеси, свързани със Слънцето. Във вътрешния пояс се намират високоенергийни протони, част от които се образуват при сблъсъка на космическите лъчи със земната атмосфера.

Особен риск в тази среда представляват така наречените „електрони убийци“. При взаимодействието си с електромагнитните вълни в магнитосферата, особено по време на геомагнитни бури, тези частици се ускоряват до скорости, близки до скоростта на светлината. Те притежават толкова висока енергия, че преминават през защитните обвивки на спътниците, повреждат чувствителната им електроника и съкращават експлоатационния живот на космическите апарати, като същевременно създават пряка радиационна заплаха за астронавтите в орбита.

През 2014 година наблюденията от американските космически сонди Van Allen Probes на НАСА разкриват изненадващо отчетлива граница на разстояние около три земни радиуса от центъра на планетата. Измерванията тогава показват, че най-енергичните електрони почти никога не преминават навътре през тази линия. Изследователите я наричат „непроницаемата бариера“ и дълго време приемат, че електромагнитните вълни в обгръщащата Земята студена плазма разсейват частиците и ги отклоняват от орбитите им, оформяйки естествен защитен щит.

Първите съмнения в абсолютната устойчивост на тази преграда се появяват през 2018 година. Тогава учените предполагат, че границата съществува не толкова заради непреодолима физическа стена, колкото заради сравнително кратката продължителност на обичайните геомагнитни бури. Колебанията в магнитното поле придвижват електроните към Земята, но бурите обикновено затихват, преди частиците да проникнат дълбоко навътре. Допълнителен анализ от 2024 година, обхващащ наблюдения от периода между 1996 и 2006 година, установява също, че електромагнитни вълни от земни мълнии могат да насочват високоенергийни електрони от вътрешния радиационен пояс към атмосферата.

Вълни с глас на птича песен

Решаващият пробив настъпва през май 2024 година, когато поредица от слънчеви изригвания и коронални изхвърляния на маса изпращат милиарди тонове намагнетизирана плазма в междупланетното пространство. Ударът върху земната магнитосфера предизвиква геомагнитна супербуря от максималната степен G5, чиито смущения са отчетени дори от измервателни уреди на океанското дъно.

"Показваме, че при екстремни условия на космическото време тази бариера може да бъде преодоляна", посочват авторите на научното изследване.

Екстремната буря води до рязко изчерпване на студената плазма в плазмосферата около Земята. В тази необичайно разредена среда се образуват специфични електромагнитни вълни, известни като „хорови вълни“ (chorus waves). Екипът от Университета в Нагоя установява, че именно те са изиграли ключова роля за пробиването на защитната зона. Освен огромната си ускоряваща сила, тези вълни имат и любопитна акустична характеристика.

"Когато бъдат преобразувани в звук, наподобяват птича песен", обяснява Йошизуми Мийоши.

По време на супербурята хоровите вълни действат по коренно различен начин от обичайните електромагнитни вълни. Вместо да разсейват и отклоняват опасните частици, те им предават допълнителна енергия директно във вътрешната област на радиационните пояси. Така електрони със скорост, близка до светлинната, се озовават в зоната, смятана доскоро за напълно защитена.

Натрупване на енергия и месеци на възстановяване

Най-категоричните доказателства за процеса идват от японския научен спътник Arase, който следи радиационните пояси от 2017 година насам. Във фазата на отслабване и възстановяване след бурята апаратът отчита рязък скок на ултрарелативистките електрони вътре в самата бариера. При енергии около 3 мегаелектронволта измереният поток нараства над 5 000 пъти спрямо стойностите преди началото на слънчевия удар.

Хронологията на данните разкрива пред физиците точния механизъм на явлението. Увеличаването на енергията не настъпва едновременно при всички частици. Първоначално спътникът регистрира големи количества електрони с по-ниска енергия. Около 12 часа по-късно се появяват частици с по-високи стойности, а след още половин денонощие рязко скача и потокът от електрони с енергия над 3 мегаелектронволта. Тази поетапна градация, заедно с отчетливото натрупване на частици близо до самата граница на бариерата, доказва, че електроните не просто са били пренесени от далечни области, а са били ускорени локално на самото място.

Последиците от пробива през май 2024 година не изчезват с края на бурята. Спътникът Arase продължава да отчита повишени нива и само постепенно намаляване на високоенергийните електрони в продължение на пет месеца – чак до октомври 2024 година, когато околоземното пространство е ударено от нова силна геомагнитна буря.

"Това откритие подчертава необходимостта да разберем и да предсказваме поведението на енергичните електрони при екстремни условия на космическото време", заявява Йошизуми Мийоши. По думите на ръководителя на научния екип новите данни са от решаващо значение за точната оценка на радиационните рискове за спътниците и за усъвършенстването на прогнозите за космическото време.