Землю оточують два радіаційні пояси Ван Аллена — області магнітосфери, у яких магнітне поле планети утримує високоенергетичні заряджені частинки. Внутрішній пояс тривалий час вважали природним захистом від надзвичайно енергійних електронів, здатних становити загрозу для супутників і космонавтів. Однак спостереження під час потужного сонячного шторму в травні 2024 року показали, що цей бар’єр можна подолати.
Дослідники під керівництвом фізика космосу Йошізумі Мійоші з Університету Нагої виявили, що під час екстремальної космічної погоди електрони всередині внутрішнього радіаційного поясу прискорювалися до енергій у кілька мегаелектронвольт. Результати роботи опубліковано в журналі Geophysical Research Letters.
Так звані електрони-вбивці можуть рухатися майже зі швидкістю світла. Вони здатні проникати крізь захисні оболонки супутників, пошкоджувати чутливу електроніку та скорочувати термін служби космічних апаратів. Для астронавтів ці частинки також становлять підвищену радіаційну небезпеку.
У 2014 році дані зондів NASA Van Allen Probes виявили незвично чітку межу приблизно на відстані трьох радіусів Землі від її центра. За нею найенергійніші електрони майже не проникали. Науковці припускали, що хвилі в холодній плазмі розсіюють частинки та спрямовують їх у земну атмосферу, не дозволяючи наближатися до планети.
Згодом з’явилися свідчення, що цей захист не є абсолютним. Зокрема, дослідження 2018 року припустило, що межа може бути наслідком обмеженої тривалості геомагнітних бур: електрони починають рухатися всередину, але бурі зазвичай завершуються раніше, ніж частинки встигають проникнути глибше. Інші спостереження також показали, що електромагнітні хвилі, породжені блискавками, можуть впливати на енергійні електрони у внутрішньому поясі.
Нове відкриття пов’язане із суперштормом травня 2024 року. Тоді серія сонячних спалахів і викидів корональної маси спричинила геомагнітну бурю найвищого рівня G5. Вона різко зменшила кількість холодної плазми в навколоземному просторі. У таких умовах посилилися так звані хорові хвилі — електромагнітні коливання, здатні не розсіювати, а прискорювати електрони.
Докази отримали за допомогою японського супутника Arase, який спостерігає за радіаційними поясами з 2017 року. Під час фази відновлення після бурі апарат зафіксував різке зростання кількості надвисокоенергетичних електронів усередині передбачуваного бар’єра. Потік частинок з енергією близько 3 мегаелектронвольт збільшився більш ніж у 5000 разів порівняно з рівнем до шторму.
Послідовність змін допомогла зрозуміти механізм процесу. Спочатку зросла кількість електронів із нижчою енергією, приблизно через 12 годин — більш енергійних, а ще приблизно через добу різко побільшало частинок із енергією понад 3 мегаелектронвольти. Це свідчить, що електрони могли прискорюватися безпосередньо всередині внутрішнього поясу, а не просто переміщуватися туди ззовні.
Дослідники також виявили характерний пік концентрації електронів поблизу межі бар’єра. Такий розподіл узгоджується з локальним прискоренням частинок, після якого вони поширюються в різні боки.
Наслідки шторму зберігалися місяцями. Супутник Arase фіксував поступове зниження кількості надвисокоенергетичних електронів аж до жовтня 2024 року, коли нова сонячна буря знову вплинула на навколоземний простір.
На думку авторів роботи, відкриття демонструє, наскільки складними можуть бути процеси в магнітосфері Землі під час екстремальних космічних явищ. Краще розуміння поведінки таких електронів допоможе точніше оцінювати радіаційні ризики для супутників і вдосконалювати прогнози космічної погоди.
