Мощная магнитная буря разрушила считавшийся непреодолимым радиационный барьер Земли
Во время мощнейшей магнитной бури в мае 2024 года поток высокоэнергетических электронов в области магнитосферы Земли, ранее считавшейся практически недоступной для таких частиц, увеличился более чем в 5000 раз. Японский спутник Arase зафиксировал ускорение электронов до энергий свыше 3 миллионов электронвольт внутри так называемого непреодолимого барьера. Открытие показало, что при экстремальной солнечной активности опасные для спутников частицы могут ускоряться гораздо ближе к Земле, чем предполагалось ранее.
Исследование провела международная группа специалистов под руководством Ёсидзуми Миёси из Нагойского университета в Японии. Учёные проанализировали данные японского спутника Arase, который с 2017 года изучает радиационные пояса Земли, регистрируя потоки заряженных частиц, магнитные поля и плазменные волны.
Землю окружают два основных радиационных пояса Ван Аллена — области, в которых её магнитное поле удерживает энергичные протоны и электроны. Во внешнем поясе особенно много электронов, ускоренных в результате процессов, связанных с солнечной активностью. Некоторые из них движутся со скоростью, близкой к скорости света, и способны проникать через защитные материалы космических аппаратов, повреждая электронику.
В 2014 году измерения американских спутников Van Allen Probes выявили необычно чёткую границу на расстоянии примерно трёх радиусов Земли от её центра, что соответствует высоте около 12 тысяч километров над поверхностью в экваториальной области. Электроны с чрезвычайно высокими энергиями редко проникали внутрь этой границы. Её назвали «непреодолимым барьером».
Однако в мае 2024 года Земля пережила одну из сильнейших геомагнитных бурь последних десятилетий. Она достигла максимального уровня G5 по пятибалльной шкале NOAA и сопровождалась масштабными возмущениями магнитосферы.
По данным исследования, скорость солнечного ветра во время события превышала 1200 километров в секунду, а показатель геомагнитной активности Dst опускался ниже −406 нанотесла. Это была наиболее интенсивная магнитная буря с 2003 года.
После её основной фазы спутник Arase обнаружил резкое увеличение числа высокоэнергетических электронов внутри ранее установленной границы. Для частиц с энергией 3,128 миллиона электронвольт поток на отдельных участках вырос более чем в 5000 раз по сравнению с уровнем до бури.
Ещё более интересной оказалась последовательность изменений. Сначала увеличилось количество электронов с энергией около 692 тысяч электронвольт. Примерно через 12 часов вырос поток частиц с энергией 1,093 миллиона электронвольт. Примерно через сутки после первоначального увеличения значительно возросло количество электронов с энергией более 3 миллионов электронвольт.
Такая последовательность указывает на постепенное ускорение частиц непосредственно внутри магнитосферы, а не только на их перемещение из более удалённых областей.
Дополнительным подтверждением стало обнаружение локального максимума плотности электронов в фазовом пространстве вблизи прежней границы барьера. Это означает, что в данной области сформировался источник высокоэнергетических частиц, которые впоследствии распространялись как ближе к Земле, так и дальше от неё.
Исследователи связывают происходившее с изменениями плазмосферы — внутренней области магнитосферы, заполненной сравнительно холодной плазмой. Под воздействием магнитной бури её внешняя граница резко приблизилась к Земле, а восстановление плотности плазмы оказалось необычно медленным.
Плотность электронов в районе прежнего барьера снизилась с нескольких сотен до менее чем 200 частиц на кубический сантиметр. Такие условия оказались благоприятными для усиления электромагнитных волн, известных как хоровые волны.
Эти волны получили название из-за характерного звучания, напоминающего птичье пение, при преобразовании их частот в слышимый диапазон. Взаимодействуя с заряженными частицами, они способны передавать им энергию и ускорять их до околосветовых скоростей.
Спутник Arase зарегистрировал интенсивные хоровые волны именно в области, где происходило увеличение энергии электронов. Совпадение наблюдений с изменениями плотности плазмы указывает на вероятную роль этого механизма в ускорении частиц.
Повышенный уровень высокоэнергетических электронов сохранялся длительное время. После майской бури их поток постепенно уменьшался вплоть до октября 2024 года, когда магнитосферу вновь возмутила сильная геомагнитная буря.
Открытие имеет значение для оценки радиационных рисков в околоземном космическом пространстве. Высокоэнергетические электроны способны вызывать сбои электроники, накапливать электрические заряды в материалах спутников и сокращать срок службы космического оборудования. Они также представляют потенциальную опасность для астронавтов.
Результаты показывают, что даже сравнительно близкие к Земле области магнитосферы способны становиться источниками интенсивного высокоэнергетического излучения при экстремальных магнитных бурях. При этом обнаруженное явление не означает разрушения магнитного поля планеты или появления новой радиационной угрозы для людей на поверхности Земли.
Исследование в журнале Geophysical Research Letters.