Как Земля избавляется от разрушающих спутники электронов: что выяснили ученые

Земля окружена двумя огромными «бубликами» из заряженных частиц — поясами Ван Аллена. Это зоны, где магнитное поле планеты удерживает электроны и ионы, вырванные из солнечного ветра. Внутри этих поясов постоянно носятся электроны с колоссальными скоростями — некоторые разогнаны до энергий в 2 МэВ (мегаэлектронвольт). Это так называемые релятивистские электроны, то есть частицы, которые двигаются на скоростях, близких к скорости света. Они способны пронизывать корпуса спутников и выводить из строя электронику — именно поэтому их называют электронами-убийцами.

Солнце сбивает спутники: как геомагнитные бури вредят космонавтике

Вопрос о том, как пояса Ван Аллена самоочищаются от таких частиц, оставался открытым десятилетиями. Ученые знали, что электроны в конце концов уходят в атмосферу, но не могли назвать главный механизм этого процесса — особенно для самых высокоэнергетических частиц. Стандартные модели предсказывали, что хоровые волны — плазменные волны, которые возникают вблизи магнитного экватора Земли — играют в этом роль, но расчеты не сходились с наблюдениями.

Теперь группа исследователей под руководством Лисиань Ян опубликовала работу в журнале Geophysical Research Letters, в которой проанализировала данные зондов NASA Van Allen Probes с 2013 по 2015 год. Они обнаружили особый вид хоровых волн, который до этого выпадал из расчетов.

Хоровые волны получили свое название потому, что если перевести их колебания в звук, они напоминают пение птиц на рассвете. По своей природе это электромагнитные волны в плазме — том же состоянии вещества, из которого состоит солнечный ветер и сами пояса Ван Аллена. Обычно такие волны распространяются вдоль линий магнитного поля Земли и несут в себе преимущественно магнитную составляющую. С такими волнами работали прежние модели.

Но зонды Van Allen Probes зафиксировали другую разновидность. Эти волны распространяются под очень большим углом к магнитным линиям — буквально заваливаются набок. Как только угол наклона становится достаточно большим, магнитная составляющая волны слабеет, а электрическая — резко усиливается. В итоге волна становится почти чисто электростатической: она действует не как радиоволна, а как сильный локализованный электрический импульс. Такие волны авторы исследования назвали HOQE — от английского highly oblique quasi-electrostatic, то есть сильно наклоненные квазиэлектростатические.

Эти волны чаще всего встречаются в разреженных карманах — участках пространства, где плазмы значительно меньше, чем в среднем. В плотной среде волна быстро теряет силу, «размазываясь» по множеству частиц. В разреженной — действует сосредоточенно и мощно: электрическое поле волны бьет прицельно по отдельным электронам.

Механизм, которым HOQE-волны выбивают электроны из поясов, называется рассеянием по питч-углу. Питч-угол — это угол между вектором скорости электрона и линией магнитного поля. Если этот угол меняется достаточно сильно, электрон уже не удерживается в поясе и соскальзывает вдоль магнитной линии прямо в атмосферу. Исследование показало, что HOQE-волны меняют этот угол значительно эффективнее, чем предсказывали все предыдущие модели — за счет так называемых резонансов высших порядков, когда волна бьет электрон не один раз за оборот, а несколько.

Нижняя полоса хоровых HOQE-волн (с более низкой частотой) справляется именно с самыми энергичными электронами — теми, что разогнаны до 2 МэВ и наиболее опасны для спутников. Верхняя полоса (более высокочастотные волны) работает с другими частицами — электронами плазменного слоя, у которых энергия значительно меньше — порядка десятков килоэлектронвольт. Именно они, попадая в атмосферу, зажигают диффузные полярные сияния — тот мягкий рассеянный свет, что затягивает полярное небо без четких контуров.

До этой работы глобальные модели космической погоды — системы, которые предсказывают уровень радиации вокруг Земли и помогают защищать спутники и экипажи орбитальных станций — просто не учитывали HOQE-волны. Теперь авторы исследования предлагают включить их в расчеты вместе с реалистичными данными о плотности плазмы.

На обложке генерация Pro Космос