Учёные выяснили, куда исчезли электроны из радиационного пояса Земли во время супербури 2024 года
Учёные выяснили, почему во время мощнейшей геомагнитной бури мая 2024 года внешний радиационный пояс Земли внезапно потерял огромную часть высокоэнергетических электронов. Наблюдения японского спутника Arase показали, что поток электронов с энергиями порядка миллионов электронвольт за короткое время уменьшился на несколько порядков. Новое моделирование позволило восстановить механизмы этого резкого исчезновения частиц.
Геомагнитная буря началась 10 мая 2024 года после прихода к Земле мощного возмущения солнечного ветра, связанного с несколькими выбросами корональной массы. Она стала самой сильной бурей нынешнего солнечного цикла и наиболее интенсивным событием такого рода со времён бурь октября–ноября 2003 года. Минимальное значение индекса SYM-H, характеризующего силу глобального возмущения магнитного поля, достигло примерно −512 нанотесла.
Радиационные пояса Ван Аллена представляют собой области вокруг Земли, в которых магнитное поле удерживает высокоэнергетические электроны и протоны. Во время сильных солнечных бурь структура магнитосферы резко меняется, поэтому концентрация частиц в этих областях может как увеличиваться, так и уменьшаться. Такие изменения особенно важны для спутников, поскольку энергичные электроны способны повреждать электронику и вызывать сбои.
Во время майской бури спутник Arase зарегистрировал резкое падение количества электронов с энергиями 1 и 2,4 мегаэлектронвольта во внешнем радиационном поясе. Чтобы выяснить, куда они исчезли, исследователи объединили спутниковые и наземные наблюдения с компьютерной моделью VERB, предназначенной для расчёта поведения частиц в радиационных поясах.
Анализ показал, что главную роль сыграли два механизма. Первый связан с сильным сжатием магнитосферы под давлением солнечного ветра. Дневная граница магнитного поля Земли — магнитопауза — приблизилась к планете настолько, что часть электронов внешнего радиационного пояса оказалась за пределами области, где магнитное поле могло их удерживать. Эти частицы были выброшены в межпланетное пространство.
Во время наиболее сильного сжатия магнитопауза приблизилась примерно до расстояния 3,3 радиуса Земли от её центра. Для сравнения, геостационарные спутники находятся приблизительно на расстоянии 6,6 радиуса Земли. Таким образом, граница магнитосферы на некоторое время оказалась значительно ближе к планете, чем геостационарная орбита.
Второй механизм действовал иначе. Электромагнитные волны внутри магнитосферы изменяли траектории оставшихся электронов, заставляя часть из них уходить из радиационного пояса и выпадать в верхние слои атмосферы. Особенно важными оказались низкочастотные плазменные волны, способные рассеивать энергичные частицы.
Ключевым результатом исследования стало то, что для объяснения наблюдаемого исчезновения электронов было недостаточно просто включить оба процесса в модель. Необходимо было правильно воспроизвести момент их начала. Быстрый перенос электронов наружу должен был начаться практически одновременно с резким сжатием магнитосферы, после чего к потерям добавилось рассеяние частиц плазменными волнами. Только такая последовательность позволила модели приблизиться к данным Arase.
Исследователи обнаружили проблему и в моделях, которые сегодня применяются для описания радиационных поясов. Многие из них оценивают скорость переноса электронов по индексу геомагнитной активности Kp. Во время бури 2024 года такой подход запускал усиленный перенос частиц примерно на два часа раньше, чем показывали реальные наблюдения электромагнитных волн.
Для обычных магнитных бурь эта погрешность может быть не столь заметной, но при экстремальном событии неправильное время запуска процессов приводит к существенно неверной оценке состояния радиационных поясов. Авторы считают, что будущие модели космической погоды должны учитывать не только общие показатели геомагнитной активности, но и реальные данные о сжатии магнитосферы и активности волн.
Более точное описание этих процессов важно для оценки риска для спутников. Во время будущей супербури условия в околоземном пространстве могут измениться всего за несколько часов, поэтому понимание того, когда и каким образом энергичные частицы покидают радиационные пояса, позволит точнее прогнозировать радиационную обстановку на орбитах.
Исследование в журнале AGU Advances.