Потужний сонячний шторм у травні 2024 року, який спричинив полярні сяйва аж до Флориди та Мексики, виявився ще небезпечнішим, ніж здавалося спочатку. Як показує нова робота Йошізумі Мійосі (Yoshizumi Miyoshi) з Університету Нагоя та його колег, під час цієї події всередині так званого «непроникного бар’єра» навколо Землі з’явилися електрони, розігнані до релятивістських швидкостей. Про це йдеться в статті, на яку звертає увагу видання Universe Today.
Що таке «щит» із радіаційних поясів
Радіаційне оточення Землі визначається поясами Ван Аллена. Їх відкрив апарат Explorer 1 на початку космічної ери. Внутрішній пояс переважно складається з протонів, а зовнішній — з високоенергетичних електронів, які надходять від Сонця та затримуються магнітним полем планети.
У 2014 році місія NASA Van Allen Probes виявила різку межу: ультрарелятивістські «електрони-вбивці», що рухаються майже зі швидкістю світла, зупиняються приблизно на висоті 11 500 км над поверхнею Землі. Здавалося, ніби існує невидима «скляна стіна», яка не дає найнебезпечнішій радіації проникати ближче до планети.
Цей бар’єр вважали стабільним захистом внутрішніх областей магнітосфери. Але травневий супершторм 2024 року показав, що за певних умов природа може тимчасово «вимкнути» цю оборону.
Як супутник Arase побачив прорив бар’єра
Японський супутник Arase (місія Exploration of energization and Radiation in Geospace, ERG), який з 2017 року досліджує магнітосферу Землі, весь час до 2024 року фіксував, що високоенергетичні електрони не проходять крізь цей бар’єр.
Під час травневого шторму швидкість сонячного вітру сягала 1200 км/с, що сильно стиснуло магнітне поле Землі та спричинило найінтенсивніше геомагнітне збурення з часів «хелловінського» шторму 2003 року. У розпал події Arase зафіксував концентрацію ультрарелятивістських електронів, що перевищувала звичайний фон у 5000 разів.
Сплески радіації під час сонячних штормів відомі давно, але старі апарати не могли точно показати, звідки беруться ці частинки та як саме вони прискорюються. Дані Arase дозволили застосувати математичний підхід, відомий як «фазова густина електронів» — він описує розподіл частинок за енергією та рухом.
Якби електрони просто проникали ззовні, з області за межами бар’єра, фазова густина мала б плавно зменшуватися в напрямку до Землі. Натомість Arase зафіксував чіткий максимум саме там, де раніше проходила «непроникна» межа. Для фізиків космосу це є прямою ознакою локального прискорення — електрони набирали енергію саме в тій точці, де їх спостерігали.
Роль «хорових хвиль» і зниклого плазмового щита
Наступне запитання — що саме їх розганяло. Автори роботи пов’язують це з явищем, яке називають «хоровими хвилями» (chorus waves). Зазвичай внутрішній радіаційний пояс оточений плазмосферою — оболонкою з зарядженого газу (плазми). Така плазма добре поглинає високочастотні електромагнітні хвилі, послаблюючи їх.
Під час травневого шторму 2024 року плазмосфера була сильно стиснута ближче до Землі, утворивши порожню зону там, де зазвичай міститься щільна плазма. Додатково виникла так звана «негативна іоносферна буря», яка ще більше зменшила локальну густину плазми.
У такому «розрідженому» електромагнітному середовищі ідеальні умови для хорових хвиль — низькочастотних електромагнітних коливань, що під час магнітних бур генеруються менш енергійними частинками. Якщо перетворити їх на звук, вони нагадують свист.
У зоні зі зниженою плазмовою густиною ці хвилі можуть дуже ефективно передавати свою енергію навколишнім електронам. За оцінками дослідників, вони здатні розганяти електрони з енергій нижче мільйона електронвольт до мульти-МеВ — тобто створювати потужне електронне випромінювання всередині області, яка раніше вважалася «забороненою» для такої радіації.
Нова загроза космічної погоди
З часом ця новостворена зона високоенергетичних електронів почала розширюватися як у бік Землі, так і назовні. Ефект не був миттєвим: підвищений рівень радіації зберігався протягом місяців і залишався помітним для Arase аж до наступного великого сонячного шторму в жовтні 2024 року, який знову змінив конфігурацію магнітного поля.
Автори роботи розглядають це як попередження про новий тип небезпеки космічної погоди: локалізовану радіацію, що виникає не стільки через прямий удар сонячних частинок, скільки через тимчасовий відступ власного плазмового «щита» Землі.
У міру того як людство виводить дедалі більше супутників і планує пілотовані місії в області, де проявляються такі ефекти, стає важливо враховувати подібні сценарії. За версією дослідників, у майбутньому може знадобитися ще потужніше екранування для захисту чутливої електроніки та біологічних об’єктів від раптових сплесків високоенергетичних електронів у зоні, яку раніше вважали відносно безпечною.