Слънчева буря проби щита на Земята

Една от най-загадъчните защитни бариери около Земята се оказа далеч по-уязвима, отколкото учените предполагаха. Мощна слънчева буря предизвикала проникването и ускоряването на опасни електрони в област, която повече от десетилетие се смяташе за практически непроницаема. Японски спътник регистрира увеличение на потока от високоенергийни частици над 5000 пъти.

Откритието, направено след анализ на събитията от май 2024 г., разкрива нови подробности за защитата на нашата планета и рисковете за космическите апарати.

Около нашата планета съществуват две огромни области, изпълнени със заредени частици, задържани от земното магнитно поле. Те са известни като радиационните пояси на Ван Алън и имат приблизително формата на гигантски пръстени. Външният пояс съдържа предимно електрони, които придобиват огромна енергия под въздействието на процеси, свързани със Слънцето. Във вътрешния пояс се срещат много високоенергийни протони, част от които се образуват вследствие на взаимодействието между космическите лъчи и земната атмосфера.

Особен интерес за учените представляват така наречените „електрони убийци“. Това са частици, които могат да се движат със скорост, близка до скоростта на светлината. Те притежават достатъчно енергия, за да проникват през защитните покрития на спътниците, да повреждат чувствителната им електроника и да съкращават експлоатационния им живот. Повишената концентрация на подобни частици създава и радиационни рискове за астронавтите

През 2014 г. наблюденията на космическите апарати „Ван Алън“ на НАСА разкриха изненадващо отчетлива граница на разстояние около три земни радиуса от центъра на планетата. Най-енергичните електрони почти никога не преминават навътре през нея. Изследователите я наричат „непроницаемата бариера“.

Дълго време учените смятаха, че определени електромагнитни вълни в обгръщащата Земята студена плазма не позволяват на опасните електрони да достигат по-близките до планетата области. Тези вълни разсейват частиците и ги отклоняват от орбитите им. Така се създава естествена граница, отвъд която високоенергийните електрони почти не проникват.

Още през 2018 г. обаче започнаха да се появяват съмнения в абсолютната устойчивост на тази бариера. Изследователите предположиха, че границата може да съществува не толкова заради непреодолима физическа преграда, колкото заради сравнително кратката продължителност на обичайните геомагнитни бури

При подобни явления колебанията в магнитното поле придвижват електроните към Земята. Но бурите обикновено отслабват, преди частиците да успеят да проникнат достатъчно навътре.

През 2024 г. учени откриха и друго любопитно явление. Анализ на наблюдения от периода 1996-2006 г. показа, че електромагнитни вълни, породени от мълнии, могат да насочват високоенергийни електрони от вътрешния радиационен пояс към земната атмосфера.

Решаващото събитие настъпи през май 2024 г., когато Слънцето изхвърли огромни количества намагнетизирана плазма в междупланетното пространство. Последва изключително мощна геомагнитна буря от категория G5 - най-високата степен по използваната за тези явления скала

Магнитното поле на Земята беше подложено на силни смущения, а въздействието на бурята достигна дори до измервателни уреди на океанското дъно.

Необичайно мощното явление предизвика значително намаляване на студената плазма около планетата. Така се образуваха условия за възникването на особен вид електромагнитни вълни, наречени „хорус“. Именно те са един от ключовите елементи в откритието.

Международният научен екип, ръководен от космическия физик Йошизуми Мийоши от японския университет в Нагоя, установи, че вълните „хорус“ могат да ускоряват електроните до изключително високи енергии. Те имат и една необикновена особеност.

"Когато бъдат преобразувани в звук, наподобяват птича песен", разказва Мийоши пред научното издание „Сайънс алърт“

При слънчевата супербуря от май 2024 г. тези вълни действаха по различен начин от електромагнитните вълни, които обикновено разсейват електроните. Вместо да ги отклонят, те създадоха условия частиците да получават допълнителна енергия непосредствено във вътрешната област на радиационните пояси.

Така електрони, способни да достигнат почти светлинна скорост, се появиха в зона, която учените доскоро смятали за защитена от тях.

Най-силните доказателства дойдоха от японския научен спътник „Арасе“, който наблюдава радиационните пояси на Земята от 2017 г. По време на отслабването на бурята апаратът регистрира необичайно рязко увеличение на потока от високоенергийни електрони във вътрешната област.

При енергии около 3 мегаелектронволта измереният поток нарасна повече от 5000 пъти в сравнение със стойностите преди бурята

Изследователите установиха и нещо още по-интересно. Увеличаването на енергията на частиците не беше едновременно. Първо се появиха големи количества електрони с по-ниска енергия. Около половин денонощие по-късно бяха регистрирани и частици с по-висока енергия. След приблизително още половин денонощие рязко се увеличи и потокът от електрони с енергия над 3 мегаелектронволта.

Тази последователност даде на учените важна следа. Тя показва, че частиците не просто са пренесени от по-далечни области към Земята, а постепенно придобиват енергия на самото място. Допълнителен аргумент беше разпределението на електроните, при което се образува отчетливо натрупване близо до границата на смятаната за непроницаема бариера.

Необичайното състояние на радиационните пояси не изчезна веднага след края на най-мощната фаза на бурята.

Спътникът „Арасе“ продължи да наблюдава постепенно намаляване на потока от високоенергийни електрони чак до октомври 2024 г., когато в околоземното пространство се разрази друга силна геомагнитна буря

Резултатите от новото изследване са публикувани в научното списание „Геофизикъл рисърч летърс“ под заглавие „Локално ускоряване на електрони с енергия от няколко мегаелектронволта във вътрешността на непроницаемата бариера на Земята по време на супербурята от май 2024 г.“.

"Това откритие подчертава необходимостта да разберем и да предсказваме поведението на енергичните електрони при екстремни условия на космическото време“, заявява Йошизуми Мийоши.

Според ръководителя на изследването тези знания са важни за оценяването на радиационните рискове за космическите апарати и за подобряването на бъдещите прогнози за космическото време.