Pasy Van Allena zareagowały na burzę geomagnetyczną z maja 2024 roku w sposób, który podważa wcześniejsze wyobrażenia o ich stabilności. Japoński satelita Arase wykrył wysokoenergetyczne elektrony w obszarze uznawanym za chroniony przez „nieprzenikalną barierę”. Nowa analiza wskazuje, że cząstki zyskiwały energię bezpośrednio w tym regionie. Strumień elektronów o energii około 3 megaelektronowoltów wzrósł tam ponad 5000 razy względem poziomu sprzed burzy.
Nie oznacza to pęknięcia osłony otaczającej Ziemię ani zniszczenia jej pola magnetycznego. „Bariera” jest nazwą nadaną ostrej granicy, poza którą najbardziej energetyczne elektrony zwykle nie docierały. Obserwacje pokazują jednak, że podczas ekstremalnej pogody kosmicznej także po jej wewnętrznej stronie mogą powstać warunki sprzyjające przyspieszaniu cząstek.
Badaniem kierował Yoshizumi Miyoshi z Uniwersytetu Nagoi. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Geophysical Research Letters”.
Pasy Van Allena — niewidoczne otoczenie naszej planety
Przestrzeń wokół Ziemi nie jest pusta. Pole magnetyczne zatrzymuje naładowane cząstki, tworząc dwa główne obszary promieniowania o kształcie przypominającym pierścienie. To pasy Van Allena.
W pasie wewnętrznym ważną rolę odgrywają energetyczne protony, w znacznej części związane z procesami zapoczątkowanymi przez zderzenia promieniowania kosmicznego z atmosferą. Pas zewnętrzny jest zdominowany przez elektrony, których liczba i energia silnie reagują na zaburzenia wywoływane aktywnością Słońca.
Najbardziej energetyczne z tych elektronów poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Nazywa się je czasem „zabójczymi elektronami”, ponieważ mogą przenikać przez część osłon satelitów, uszkadzać elektronikę i skracać czas działania urządzeń.
Skąd wzięła się „nieprzenikalna bariera”?
W 2014 roku obserwacje sond Van Allen należących do NASA ujawniły wyjątkowo ostrą wewnętrzną granicę występowania ultrarelatywistycznych elektronów. Znajdowała się ona w przybliżeniu w odległości trzech promieni Ziemi od środka planety.
Nie była materialną ścianą. Jedno z wyjaśnień zakładało, że bardzo powolne przemieszczanie się elektronów ku Ziemi, połączone z ich rozpraszaniem przez fale elektromagnetyczne, skutecznie ogranicza docieranie cząstek do bliższych regionów. Rozproszone elektrony mogły opuszczać uwięzione trajektorie i wpadać w atmosferę.
Już w 2018 roku naukowcy przedstawili jednak model wskazujący, że pozorna nieprzenikalność może wynikać z ograniczonego czasu trwania zaburzeń. Burza ustępuje, zanim elektrony zdążą przemieścić się dostatecznie daleko do wewnątrz.
Kolejnej wskazówki dostarczyła opublikowana w 2024 roku analiza pomiarów z lat 1996–2006. Wykazano w niej, że fale związane z wyładowaniami atmosferycznymi mogą kierować elektrony o energiach megaelektronowoltowych z wewnętrznego pasa ku atmosferze. Potwierdzało to, że takie cząstki bywają obecne również głęboko po wewnętrznej stronie umownej granicy.
Superburza z maja 2024 roku zmieniła warunki
Przełomowych danych dostarczyła wyjątkowo silna burza geomagnetyczna z maja 2024 roku. Poprzedziła ją seria słonecznych rozbłysków i koronalnych wyrzutów masy, które skierowały w przestrzeń namagnesowaną plazmę.
Zaburzenia przy Ziemi osiągnęły kategorię G5, najwyższą w skali NOAA. Warunki tej kategorii odnotowano 10 maja 2024 roku.
Burza mocno zmniejszyła zasięg plazmosfery — obszaru względnie chłodnej i gęstej plazmy otaczającej planetę. W pobliżu dotychczasowej bariery pozostało znacznie mniej tej materii.
Tak zmienione środowisko sprzyjało aktywności fal elektromagnetycznych nazywanych chórem. Po przekształceniu ich zapisów na dźwięk przypominają one ptasie świergoty. W odpowiednich warunkach mogą przekazywać energię elektronom i przyspieszać je do bardzo wysokich energii.
Arase zarejestrował wzrost strumienia elektronów ponad 5000 razy
Satelita Arase regularnie obserwuje ziemskie środowisko radiacyjne od 2017 roku. Podczas fazy ustępowania majowej burzy wykrył gwałtowny wzrost strumienia ultrarelatywistycznych elektronów po wewnętrznej stronie bariery.
Dla cząstek o energii około 3 MeV, czyli 3 milionów elektronowoltów, wzrost przekroczył 5000-krotność poziomu sprzed burzy.
Poszczególne grupy energetyczne nie pojawiły się jednocześnie. Najpierw wzrosła intensywność elektronów o niższej energii. Około pół dnia później podążyły za nimi bardziej energetyczne cząstki, a po mniej więcej dobie wyraźnie zwiększył się również strumień elektronów o energii przekraczającej 3 MeV.
Taka kolejność wskazywała na stopniowe przyspieszanie cząstek, a nie wyłącznie na ich jednorazowe napłynięcie z bardziej odległych obszarów.
Elektrony zyskiwały energię na miejscu
Badacze sprawdzili także rozkład elektronów z uwzględnieniem ich położenia i ruchu. W pobliżu umownej granicy pojawiło się lokalne maksimum gęstości w przestrzeni fazowej, które z czasem stawało się wyraźniejsze.
Ten wynik trudno wyjaśnić samym transportem cząstek ku Ziemi. Stanowi natomiast mocny argument za tym, że w badanym regionie działało lokalne źródło przyspieszania. Dopiero później energetyczne elektrony mogły rozprzestrzeniać się zarówno do wewnątrz, jak i na zewnątrz.
Jednoczesna obecność intensywnych fal chórowych i małej gęstości chłodnej plazmy wspiera wyjaśnienie, według którego to oddziaływania fal z cząstkami odpowiadały za wzrost energii.
Skutki w pasach radiacyjnych utrzymywały się miesiącami
Zwiększona populacja wysokoenergetycznych elektronów nie zniknęła wraz z końcem najsilniejszych zaburzeń. Arase obserwował stopniowy spadek ich strumienia aż do października 2024 roku, kiedy nastąpiła kolejna silna burza geomagnetyczna.
Odkrycie ma znaczenie dla oceny zagrożeń dla satelitów i innych pojazdów kosmicznych. Pokazuje, że region zwykle ubogi w najbardziej energetyczne elektrony może podczas wyjątkowej burzy sam stać się miejscem ich przyspieszania.
Lepsze prognozy wymagają więc przewidywania nie tylko tego, dokąd cząstki mogą dotrzeć, lecz także gdzie mogą zyskać niebezpiecznie wysoką energię. Właśnie w tym nowe pomiary Arase mogą pomóc badaczom pogody kosmicznej.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Geophysical Research Letters .