Одна из наиболее распространенных форм космической погоды, геомагнитная буря, описывает любое событие, при котором магнитосфера внезапно, временно нарушается. Такое событие также может привести к изменению радиационных поясов, окружающих Землю, но исследователям редко удавалось наблюдать, что происходит. Но в день геомагнитной бури в марте 2015 года один из зондов Ван Аллена вращался прямо через пояса, обеспечивая беспрецедентно высокое разрешение данных о редко наблюдаемом явлении.
Статья об этих наблюдениях была опубликована в Journal of Geophysical Research 15 августа 2016 г.Исследователи хотят изучать сложную космическую среду вокруг Земли, потому что радиация и энергия могут воздействовать на наши спутники самыми разными способами — от прерывания бортовой электроники до увеличения сопротивления трения и нарушения связи и навигационных сигналов.«Мы изучаем радиационные пояса, потому что они представляют опасность для космических кораблей и астронавтов», — сказал Дэвид Сибек, научный сотрудник миссии Van Allen Probes из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, который не участвовал в написании статьи. «Если бы вы знали, насколько сильным может быть радиация, вы бы построили лучший космический корабль, чтобы приспособиться к этому».
Изучение радиационных поясов — это часть наших усилий по мониторингу, изучению и пониманию космической погоды. НАСА запустило двойные зонды Ван Аллена в 2012 году, чтобы понять фундаментальные физические процессы, которые создают эту суровую среду, чтобы ученые могли разработать более совершенные модели радиационных поясов. Эти космические аппараты были специально разработаны, чтобы выдерживать постоянную радиационную бомбардировку этой области и продолжать сбор данных даже в самых интенсивных условиях.
Набор наблюдений за тем, как радиационные пояса реагируют на значительный шторм космической погоды из этой суровой космической среды, является золотой жилой.Недавнее исследование описывает то, что произошло: шторм в марте 2015 года был вызван межпланетным ударом, мчащимся к Земле — гигантской ударной волной в космосе, вызванной CME, так же, как цунами вызвано землетрясением.
Расширяясь и сжимаясь в ответ на такие события и солнечную радиацию, пояса Ван Аллена представляют собой высокодинамичные структуры в магнитосфере нашей планеты. Иногда меняющиеся условия в околоземном космическом пространстве могут возбуждать электроны в этих постоянно меняющихся регионах.
Ученые пока не знают, распространены ли события активизации, вызванные межпланетными потрясениями. Тем не менее, эффекты межпланетных потрясений являются сильно локализованными событиями — это означает, что, если космический корабль не находится точно в нужном месте при ударе толчка, он вообще не зарегистрирует событие. В этом случае только один из зондов Ван Аллена находился в нужном месте, глубоко внутри магнитосферы, но он смог отправить обратно ключевую информацию.Космический корабль измерил внезапный импульс электронов, возбужденных до экстремальных скоростей — почти таких же быстрых, как скорость света, — когда удар ударил по внешнему радиационному поясу.
Эта популяция электронов была недолговечной, и их энергия рассеивалась за считанные минуты. Но пять дней спустя, спустя много времени после того, как другие процессы, вызванные штормом, утихли, зонды Ван Аллена обнаружили увеличенное количество электронов еще более высоких энергий. Такое увеличение намного позже является свидетельством уникальных процессов возбуждения после шторма.
«Удар вводил — то есть толкал — электроны из внешних областей магнитосферы глубоко внутрь пояса, и в этом процессе электроны набирали энергию», — сказал Шри Канекал, заместитель научного сотрудника миссии Van Allen Probes в Годдарде. ведущий автор статьи по этим результатам.Теперь исследователи могут включить этот пример в то, что им уже известно о поведении электронов в поясах, чтобы попытаться понять, что произошло в этом случае, и лучше наметить там процессы космической погоды. Существует несколько способов возбуждения или ускорения электронов в радиационных поясах: радиально, локально или посредством удара.
При радиальном ускорении электроны переносятся низкочастотными волнами к Земле. Локальное ускорение описывает процесс получения электронами энергии от волн относительно более высокой частоты, когда электроны движутся по орбите Земли.
И, наконец, во время ударного ускорения сильный межпланетный удар внезапно сжимает магнитосферу, создавая большие электрические поля, которые быстро заряжают электроны.Ученые изучают различные процессы, чтобы понять, какую роль каждый процесс играет в возбуждении частиц в магнитосфере. Возможно, эти механизмы действуют в комбинации, а может быть, только по одному.
Ответ на этот вопрос остается основной целью исследования радиационных поясов — сложной задачей, учитывая случайный характер сбора данных, особенно в отношении ударного ускорения.Кроме того, степень возбуждения электронов зависит от процесса, который их возбуждает. Можно сравнить процесс ударного ускорения, наблюдаемый зондом Ван Аллена, с толчком качелей.«Думайте о« толчке »как о явлении, которое увеличивает энергию», — сказал Канекал. «Чем больше вы толкаете качели, тем выше они поднимаются».
И более быстрые электроны будут двигаться после удара.В этом случае эти дополнительные толчки, вероятно, привели ко второму пику высокоэнергетических электронов. Пока электромагнитные волны от ударной волны задерживались в магнитосфере, они продолжали повышать энергию электронов.
Чем сильнее шторм, тем дольше сохраняются такие волны. После мартовской бури 2015 г. возникшие электромагнитные волны длились несколько дней. Результат: пик энергии электронов, измеренный зондом Ван Аллена пять дней спустя.
Эта геомагнитная буря в марте 2015 года была одной из самых сильных за последнее десятилетие, но бледнеет по сравнению с некоторыми более ранними бурями. Буря в марте 1991 года была настолько сильной, что произвела долгоживущие заряженные электроны, которые оставались внутри радиационных поясов в течение нескольких лет.
Если повезет, зонды Ван Аллена могут оказаться в правильном положении на своей орбите, чтобы наблюдать реакцию радиационного пояса на большее количество геомагнитных бурь в будущем. По мере того, как ученые собирают данные о различных событиях, они могут сравнивать и сопоставлять их, в конечном итоге помогая создавать надежные модели малоизученных процессов, происходящих в этих гигантских поясах.
Лаборатория прикладной физики Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд, построила и эксплуатирует зонды Ван Аллена для отдела гелиофизики НАСА в Управлении научной миссии. Зонды Ван Аллена — это вторая миссия в программе НАСА «Жизнь со звездой», инициативе, управляемой Годдардом и сосредоточенной на аспектах системы Солнце-Земля, которые напрямую влияют на жизнь людей и общества.Видео: https://www.youtube.com/watch?v=CKlho5eXuLQ