|
Космические волны незаметно очищают Землю
|
|
|
|
Высоко над нашими головами в магнитном щите Земли разворачивается тихая битва. На протяжении десятилетий ученые отслеживали «электроны-убийцы» — сверхбыстрые частицы, способные пробивать броню спутников и представлять опасность для астронавтов, проносясь сквозь радиационные пояса Ван Аллена. Хотя мы знали, что эти опасные частицы в конечном итоге выходят из поясов и попадают в атмосферу, основной механизм «очистки» электронов с самой высокой энергией оставался загадкой космической погоды.
|
|
|
|
Теперь исследование, опубликованное в журнале Geophysical Research Letters, раскрыло виновника, проанализировав данные за три года, полученные с помощью зондов НАСА Ван Аллена. Исследование, проведенное Лисянь Ян и группой исследователей, выявило скрытую популяцию хорусных волн, которые противоречат стандартным физическим моделям.
|
|
|
|
В отличие от типичных космических волн, которые в основном являются магнитными, эти сильно наклонные квазиэлектростатические (HOQE) волны обладают настолько мощным электрическим полем, что оно доминирует в их характере. Этот уникальный электрический удар позволяет им выбивать электроны с энергией до 2 МэВ с орбиты в атмосферу, рассеивая их с силой, намного большей, чем предсказывала любая предыдущая модель.
|
|
|
|
|
|
|
Наша планета окружена двумя огромными кольцеобразными областями энергетических частиц, известными как радиационные пояса Ван Аллена. Эти пояса служат естественным щитом от большей части агрессивного излучения, испускаемого Солнцем. Но электроны, захваченные в них, могут быть очень разрушительными для нашей техники и представлять серьезную угрозу для спутников и даже космонавтов. Электроны с энергией более 0,1 МэВ могут вызывать «глубокую зарядку», которая может повредить чувствительную электронику космических аппаратов. Именно поэтому так важно понимать механизмы, посредством которых такие электроны попадают в эти пояса и, что особенно важно, выходят из них. Электроны в основном покидают их, рассеиваясь естественными плазменными волнами в космосе.
|
|
|
|
Среди этих плазменных волн «хорусные волны» играют важную роль в контроле численности электронов. Часто описываемые как похожие на птичий хор в аудиоформате, эти волны обычно генерируются вблизи магнитного экватора Земли. Ученые давно знают, что хорусные волны играют ключевую роль в формировании радиационных поясов, иногда активизируя электроны, а иногда рассеивая их. Традиционно модели предполагали, что эти волны распространяются в основном прямо вдоль линий магнитного поля Земли. Однако новые данные, полученные с помощью зондов Ван Аллена, ставят под сомнение это давнее предположение.
|
|
|
|
В то время как традиционные модели изображали хорусные волны, распространяющиеся прямо вдоль линий магнитного поля, зонды Ван Аллена (2013–2015) зафиксировали другую, более мятежную популяцию волн. Было обнаружено, что эти волны «наклоняются» под экстремальными углами — явление, которое ученые называют большими углами нормали к волне. Этот наклон меняет все. По мере наклона волн их магнитная сила ослабевает, и их электрическое поле берет верх, превращая их в волны HOQE.
|
|
|
|
Проще говоря, они перестают вести себя как традиционные радиоволны и начинают вести себя как интенсивные, локализованные всплески статического электричества. Исследование показало, что эти волны высокого квантового усиления (HOQE) предпочитают находиться в «зонах низкой плотности» — областях пространства, где плазма необычайно разрежена. В этих разреженных областях волнам не приходится пробиваться сквозь скопление частиц, что позволяет их электрическому воздействию быть гораздо более эффективным. Это похоже на порыв ветра, ударяющий по отдельному листу на открытом поле, а не в густом лесу; даже умеренная волна может заставить электрон резко свернуть с первоначального пути.
|
|
|
|
В этих специфических условиях нижний диапазон этих волн HOQE оказался удивительно мощным очистителем радиационных поясов. Расчеты исследователей показали, что эти волны не просто подталкивают частицы; они могут запускать процесс, называемый диффузией по углу наклона, для сверхбыстрых электронов с энергией до 2 МэВ. Используя то, что ученые называют резонансами высокого порядка, по сути, воздействуя на электроны с определенным, быстрым ритмом, волны выбивают эти опасные высокоскоростные частицы из поясов и отправляют их в атмосферу.
|
|
|
|
Как отмечают авторы исследования: «Эти результаты раскрывают важный механизм рассеяния электронов с энергией в МэВ во внутренней магнитосфере».
|
|
|
|
Это означает, что пояса могут отводить больше электронов, чем предполагалось в моделях. Хорусные волны HOQE действуют как скрытая команда уборщиков, откачивая частицы с самой высокой энергией.
|
|
|
|
Как отмечают авторы: «Это исследование расширяет наше понимание взаимодействия хорусных волн и энергичных электронов в магнитосфере Земли и предоставляет новые данные для моделирования глобальной динамики радиационных поясов».
|
|
|
|
Включение этих почти электростатических волн и реалистичных условий низкой плотности в глобальные модели может улучшить прогнозы опасных уровней радиации.
|
|
|
|
На данный момент эта работа напоминает о том, что даже разреженная плазма вокруг Земли способна к саморегуляции. Невидимые волны, которые мы не слышим, незаметно влияют на то, насколько опасными становятся радиационные пояса. Раскрывая эту тонкую популяцию волн, исследование показывает, что мельчайшие детали — такие как угол и электрическая природа космических волн — могут оказать существенное влияние на защиту наших спутников и технологий.
|
|
|
|
Источник
|
