Nie powinno ich tam być, a jednak się pojawiły. Japońska sonda wykryła groźne cząstki za niewidzialną barierą Ziemi. Teraz wiemy, skąd się wzięły.
Przez ponad dekadę naukowcy byli przekonani, iż wokół Ziemi istnieje niewidzialna granica, której nie potrafią przekroczyć elektrony o ekstremalnie wysokich energiach. Tymczasem potężna burza geomagnetyczna z maja 2024 r. pokazała, iż choćby ten pozornie bezpieczny obszar może wypełnić się niebezpiecznym promieniowaniem.
Japońska sonda Arase zarejestrowała zjawisko, którego mechanizmu dotąd nie udało się wyjaśnić. Międzynarodowy zespół badaczy ustalił, iż cząstki nie musiały wcale przebijać się przez barierę. Mogły zostać rozpędzone do ogromnych energii już po jej wewnętrznej stronie.
Niewidzialna ściana 12 tys. km nad Ziemią
Naszą planetę otaczają pasy radiacyjne Van Allena, czyli rozległe obszary, w których ziemskie pole magnetyczne więzi wysokoenergetyczne elektrony i protony. To środowisko wyjątkowo nieprzyjazne dla satelitów, ponieważ rozpędzone cząstki mogą uszkadzać elektronikę i zakłócać pracę urządzeń.
W 2014 r. naukowcy odkryli jednak coś zaskakującego. Elektrony o ekstremalnie wysokich energiach praktycznie nie docierały poniżej pewnej granicy znajdującej się około 12 tys. km nad powierzchnią planety. Nazwano ją nieprzenikalną barierą. Nie jest to fizyczna powłoka ani dodatkowe pole siłowe, ale obszar, w którym obserwowano gwałtowne ograniczenie występowania takich cząstek.
Przez lata wydawało się, iż odpowiada za to połączenie procesów ograniczających transport elektronów w stronę Ziemi oraz mechanizmów powodujących ich utratę. istotną rolę odgrywa plazmosfera, czyli otaczający planetę obszar stosunkowo chłodnej, gęstej plazmy.
Nie oznacza to oczywiście, iż całe ziemskie pole magnetyczne działa jak doskonała tarcza. Pisaliśmy już o miejscach, w których magnetosfera pozwala energii wiatru słonecznego przenikać do swojego wnętrza. Nowe odkrycie dotyczy jednak innego zjawiska: zachowania elektronów wewnątrz pasów radiacyjnych.
Potężna burza zrobiła coś, czego nie przewidywano
W maju 2024 r. Ziemię nawiedziła jedna z najsilniejszych burz geomagnetycznych ostatnich dekad. To właśnie wtedy nad Polską można było obserwować wyjątkowo intensywne zorze polarne. Zjawisko było spektakularne, ale dla naukowców znacznie ciekawsze rzeczy rozgrywały się tysiące kilometrów wyżej.
Wystrzelony w grudniu 2016 r. satelita Arase zarejestrował wtedy gwałtowny wzrost liczby elektronów o energiach około 3 MeV wewnątrz obszaru uznawanego za nieprzenikalny. To cząstki poruszające się z prędkością bardzo bliską prędkości światła, zdolne do przenikania przez niektóre osłony satelitów.
Międzynarodowy zespół kierowany przez Yoshizumiego Miyoshiego z Nagoya University przeanalizował dane zgromadzone przez Arase od 2017 r. Wyniki badania pokazały, iż podczas zwykłych zaburzeń geomagnetycznych bariera pozostawała skuteczna. Dopiero ekstremalna burza z maja 2024 r. stworzyła zupełnie inne warunki.
Naukowcy musieli rozstrzygnąć, czy wysokoenergetyczne elektrony przedostały się tam z zewnętrznego pasa radiacyjnego, czy zostały przyspieszone na miejscu. Odpowiedź okazała się znacznie ciekawsza od prostego przebicia niewidzialnej ściany.
Elektrony zostały rozpędzone po drugiej stronie bariery
Badacze przeanalizowali rozkład cząstek, uwzględniając nie tylko ich liczbę, ale także energię i charakter ruchu. W pobliżu dotychczasowej granicy powstało wyraźne lokalne maksimum gęstości w przestrzeni fazowej, które stopniowo rosło.
Takiego wyniku trudno byłoby oczekiwać, gdyby elektrony zostały jedynie przeniesione z bardziej odległych rejonów magnetosfery. Pomiary dostarczyły silnych dowodów, iż cząstki zyskiwały energię na miejscu, a następnie rozprzestrzeniały się zarówno w kierunku Ziemi, jak i na zewnątrz.
Kluczowe okazały się naturalne fale elektromagnetyczne nazywane falami chórowymi. Ich nazwa pochodzi od charakterystycznych dźwięków przypominających ptasi śpiew, które można usłyszeć po przekształceniu sygnałów radiowych na dźwięk. Fale te potrafią przekazywać energię elektronom poprzez rezonans, stopniowo zwiększając ich prędkość.
Podczas burzy ziemska plazmosfera dramatycznie się skurczyła, a jej zewnętrzna granica przesunęła się znacznie bliżej planety. Jednocześnie spadła gęstość elektronów w jonosferze, co utrudniło odbudowę plazmosfery. Powrót gęstości plazmy do ponad połowy wcześniejszego poziomu trwał lokalnie około 4,3-4,7 dnia.
To właśnie te nietypowe warunki sprzyjały pojawieniu się intensywnych fal chórowych w obszarze, w którym zwykle są słabe lub nieobecne. Elektrony mogły dzięki nim osiągnąć energie kilku MeV bez konieczności pokonywania bariery z zewnątrz.
Satelity mogą być zagrożone tam, gdzie wcześniej były bezpieczniejsze
Odkrycie ma ogromne znaczenie, tak naprawdę sporo wykraczające poza lepsze zrozumienie ziemskiego pola magnetycznego. Pokazuje bowiem, iż rejony przestrzeni okołoziemskiej uznawane za stosunkowo stabilne mogą podczas ekstremalnych burz stać się miejscem powstawania niebezpiecznego promieniowania.
Problem dotyczy przede wszystkim satelitów przemieszczających się przez pasy radiacyjne. Elektrony o energiach kilku MeV mogą wnikać w elementy konstrukcji, gromadzić ładunek elektryczny i powodować awarie elektroniki. Sondy Van Allen Probes przez lata badały właśnie takie zagrożenia, dostarczając danych potrzebnych do projektowania odporniejszych urządzeń.
Nowe wyniki pokazują również, dlaczego samo obserwowanie aktywności Słońca nie wystarcza do przewidywania wszystkich skutków burzy. Wcześniej opisywaliśmy badania tej samej superburzy z maja 2024 r., które wykazały istotny udział cząstek pochodzących z ziemskiej jonosfery w jej przebiegu.
Teraz okazuje się, iż zmiany w jonosferze i plazmosferze mogą także tworzyć warunki sprzyjające rozpędzaniu elektronów w zupełnie nieoczekiwanych miejscach. Naukowcy zamierzają wykorzystać obserwacje Arase do udoskonalenia modeli pogody kosmicznej. Dzięki temu w przyszłości łatwiej będzie przewidywać, gdzie podczas najpotężniejszych burz pojawią się szczególnie niebezpieczne obszary promieniowania.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
