Мощнейшая солнечная буря пробила радиационный барьер, который учёные считали непроницаемым

В мае 2024 года мощнейшая солнечная буря вызвала неожиданное явление в околоземном пространстве. Японский спутник обнаружил резкое увеличение количества высокоэнергетических электронов в области, куда, как считалось, они практически не способны проникнуть. Поток этих частиц вырос более чем в 5000 раз. Теперь учёные выяснили, что произошло и почему считавшийся непроницаемым радиационный барьер не выдержал экстремальных условий.

Землю окружают два радиационных пояса Ван Аллена — огромные области в форме бубликов, заполненные заряженными частицами, которые удерживаются магнитным полем планеты. Во внешнем поясе преобладают электроны, получающие энергию под воздействием процессов, связанных с Солнцем. Во внутреннем находится множество протонов, часть которых возникает при взаимодействии космических лучей с атмосферой.

Особую опасность представляют электроны, разогнанные почти до скорости света. Их иногда называют «электронами-убийцами». Они способны проникать через защитные оболочки спутников, повреждать электронику и сокращать срок службы космических аппаратов. Для космонавтов такие частицы тоже представляют радиационную угрозу.

В 2014 году исследователи обнаружили удивительную особенность распределения этих электронов. На расстоянии примерно трёх земных радиусов от центра планеты существовала довольно чёткая граница, внутрь которой наиболее энергичные электроны почти не проникали. Учёные назвали её «непроницаемым барьером».

Предполагалось, что его существование связано с электромагнитными волнами в окружающей Землю области холодной плазмы. Эти волны могут изменять движение электронов, заставляя их покидать устойчивые орбиты и попадать в атмосферу. Поскольку перемещение частиц ближе к планете обычно происходит медленно, большая часть наиболее энергичных электронов не успевает преодолеть эту границу.

Однако постепенно появились сомнения в том, что барьер действительно непроницаем. В 2018 году исследователи предположили, что наблюдаемая граница может существовать лишь потому, что геомагнитные бури обычно заканчиваются раньше, чем электроны успевают продвинуться достаточно глубоко. Позднее анализ более старых спутниковых наблюдений также показал присутствие высокоэнергетических электронов внутри предполагаемого барьера.

Решающие данные удалось получить во время солнечной бури в мае 2024 года. Тогда серия мощных солнечных вспышек и выбросов плазмы вызвала на Земле геомагнитную бурю категории G5 — высшей по принятой шкале.

Буря резко уменьшила количество холодной плазмы в плазмосфере — области пространства, окружающей Землю. В результате возникли необычные условия для распространения определённого типа электромагнитных волн. Если преобразовать их колебания в звук, они напоминают птичье пение.

Именно эти волны, по мнению исследователей, сыграли ключевую роль. Вместо того чтобы способствовать удалению электронов, они могли передавать частицам энергию и разгонять их непосредственно внутри области, которая прежде считалась практически недоступной.

Подтверждение этой версии обнаружилось в наблюдениях японского спутника «Арасэ», изучающего радиационные пояса Земли с 2017 года. Во время восстановления магнитного поля после бури приборы зафиксировали стремительный рост количества высокоэнергетических электронов внутри предполагаемого барьера.

Особенно показательным оказался порядок появления частиц. Сначала увеличилось количество электронов с относительно небольшой энергией. Примерно через половину суток начали появляться более энергичные частицы, а ещё спустя некоторое время резко выросло число электронов с энергией свыше трёх мегаэлектронвольт. При энергии около трёх мегаэлектронвольт поток оказался более чем в 5000 раз выше уровня до бури.

Такая последовательность стала важной подсказкой. Если бы электроны просто перемещались из внешних областей ближе к Земле, наблюдаемую картину было бы трудно объяснить. Гораздо лучше она согласуется с тем, что частицы постепенно набирали энергию непосредственно в этой области.

Дополнительным аргументом стало пространственное распределение электронов. Вблизи прежней границы исследователи обнаружили отчётливый максимум их концентрации, который также соответствует сценарию местного ускорения с последующим распространением частиц в разные стороны.

Таким образом, экстремальная солнечная буря, вероятно, изменила условия в околоземном пространстве настолько сильно, что электроны смогли ускоряться там, где обычно этого не происходит. При этом последствия оказались продолжительными: спутник наблюдал постепенное снижение количества наиболее энергичных электронов вплоть до октября 2024 года, когда произошла следующая солнечная буря.

Исследование, опубликованное в журнале Geophysical Research Letters, показывает, что радиационные пояса Земли могут вести себя иначе, чем предполагалось ранее. Считавшийся непроницаемым барьер оказался не абсолютной границей, а результатом физических процессов, которые способны существенно меняться во время особенно сильных геомагнитных бурь.

Понимание этих механизмов необходимо прежде всего для оценки радиационных рисков для спутников и космонавтов. Если учёные научатся точнее предсказывать появление подобных высокоэнергетических частиц, это поможет лучше оценивать последствия экстремальной космической погоды.