Якобы непроницаемый радиационный барьер Земли был прорван: чем это грозит человечеству?

В мае 2024 года электроны-убийцы прорвали радиационный барьер Земли, который больше десяти лет считали непроницаемым. Так близко к планете ученые эти частицы увидеть не рассчитывали. Что помогло электронам пересечь границу и стоит ли ждать последствий?

Электроны-убийцы

Электроны с мрачным прозвищем известны физикам вот уже несколько десятилетий. Электроны-убийцы разгоняются почти до скорости света, когда взаимодействуют с электромагнитными волнами в магнитном поле Земли. Чаще всего это случается во время солнечных бурь.

Живут такие частицы в поясах Ван Аллена. Это две области в форме бублика вокруг планеты, где магнитное поле удерживает энергичные протоны и электроны. Внешний пояс в основном состоит из электронов, которым энергию дают процессы на Солнце.



Во внутреннем поясе находится приличное количество протонов, многие из них рождаются, когда космические лучи сталкиваются с атмосферой. Но самое важное для нашей истории находится на краю этого пояса: в 2014 году там заметили нечто странное.

Проницаемая граница

В 2014 году аппараты NASA «Ван Аллен» увидели странно четкую границу примерно в трех радиусах Земли от центра планеты. Это около 12 000 км над поверхностью. Самые энергичные электроны за эту черту проникали редко, и ученые назвали ее «непроницаемым барьером».

Объяснение предложили такое. Вокруг Земли есть слой холодной плазмы, и электромагнитные волны в этом слое помогают электронам сойти с орбит и упасть в атмосферу. Одновременно сами электроны очень медленно смещались ближе к планете.

Эти два процесса вместе, по версии исследователей, и держали электроны на расстоянии. Версия выглядела убедительно, но проверку временем выдержала недолго. Уже в 2018 году появились первые сомнения.

Трещины в защите

В 2018 году исследователи предположили, что барьер только кажется барьером. По их мнению, иллюзию создает то, что магнитные бури длятся недолго.

Колебания магнитного поля Земли могут толкать энергичные электроны вглубь. Но бури, которые запускают это движение, обычно стихают раньше, чем частицы успевают продвинуться дальше. Выходит, дело в нехватке времени, а не в защите.



В 2024 году исследователи пересмотрели наблюдения с 1996 по 2006 год и нашли вторую странность. Волны от молний способны сбрасывать смертоносные электроны, уже попавшие во внутренний пояс, в атмосферу Земли. Значит, мощные электроны забирались за границу и раньше, но настоящий удар по барьеру нанесло Солнце.

Супербуря-2024

В мае позапрошлого года Солнце выдало серию вспышек и выбросов вещества, и миллиарды тонн намагниченной плазмы на огромной скорости понеслись через Солнечную систему. На Земле это превратилось в магнитную бурю уровня G5, самую сильную по шкале таких бурь. Ее следы нашли даже на дне океана.

Буря резко опустошила слой холодной плазмы вокруг Земли. В разреженном пространстве смогли распространиться волны другого типа, хорус. Их звук описывает космический физик Ёсидзуми Миёси из Университета Нагои: «В аудиоформате это звучит как пение птиц».

Обычные волны рассеивают электроны, а хорус, судя по всему, разгонял их до огромной энергии прямо внутри «непроницаемого» барьера. Возможно, помогло и время: обычно слой плазмы восстанавливается примерно за двое суток, а в мае 2024 года на это ушло от 4,3 до 4,7 суток, и волны могли разгонять электроны несколько дней подряд. Что именно увидел японский спутник, расскажем дальше.

Взгляд «Арасе»

Японский спутник «Арасе» следит за радиационными поясами с 2017 года. Когда буря пошла на спад, он зафиксировал резкий скачок числа сверхмощных электронов внутри барьера. Поток самых мощных частиц (около 3 МэВ) вырос более чем в 5000 раз по сравнению с тем, что было до бури.



Интересно то, в каком порядке появлялись электроны. Сначала показались частицы с небольшой энергией, примерно через полдня к ним добавились более мощные, а еще примерно через сутки после первого скачка резко выросло количество электронов с энергией выше 3 МэВ.

Такая «лесенка» подсказывает: электроны разгонялись прямо на месте, а не заносились извне. Миёси с коллегами нашли и второй аргумент: у барьера образовался четкий пик. При простом переносе частиц внутрь его объяснить трудно, зато он хорошо ложится на версию о местном ускорении. А у той же бури оказались и последствия, которые заметили на Земле.

В то же время на планете

У нескольких спутников во время бури начались электрические сбои или пропала связь, нарушились сигналы GPS, а радиосвязь пострадала. Беды не ограничились космосом, и самые наглядные примеры нашлись на полях.

Особенно буря затронула Соединенные Штаты, где активно использует сельскохозяйственная техника с GPS. Например, в штате Северная Дакота тракторы на спутниковой навигации, которые должны были по спутниковой навигации держать точность около сантиметра, на деле уходили в сторону примерно на три метра. В итоге фермерам пришлось остановить работу до конца бури.



Буря так сильно изменила верхний слой атмосферы, что тот еще долго приходил в норму и в определенные часы суток искажал сигналы даже после затишья. Ученые связывают эти сбои с самой бурей и состоянием верхней атмосферы.

Чем рискуют спутники и космонавты

Энергии электронов-убийц хватает, чтобы пройти сквозь защиту некоторых спутников. Внутри аппарата они могут испортить чувствительную электронику и сократить срок службы техники. Кроме того, такие электроны способны навсегда повредить детали и уменьшить выработку электричества солнечными батареями.

Больше всего рискуют спутники на средних орбитах, аппараты, которые поднимаются к геостационарной орбите, и пилотируемые полеты за пределы низкой орбиты, проходящие через пояса. Для космонавтов электроны-убийцы повышают радиационный риск.

Людям на земле опасная радиация от этих электронов, к счастью, не грозит. По словам ученого, такие знания нужны, чтобы оценивать радиационные риски для космических аппаратов и точнее прогнозировать космическую погоду.