«Это исследование решает некоторые фундаментальные научные вопросы о нашей космической среде, а также может помочь понять фундаментальные процессы, которые происходят в других частях космоса, на Солнце, на внешних планетах, далеких галактиках и экзопланетах», — говорит Юрий Шприц. Он добавляет: «Это исследование также поможет нам предсказать и оценить космическую среду и защитить ценные спутники в космосе».
Исследование будет опубликовано в Nature Communications.Физик Джеймс Ван Аллен обнаружил, что космос радиоактивен, используя измерения, полученные во время первого американского спутника «Эксплорер-1», запущенного 31 января 1958 года.
Земля окружена двумя вложенными друг в друга зонами в форме пончика с очень высоким уровнем излучения частиц, которые называются радиационными поясами Ван Аллена. Частицы высоких энергий, которые населяют пояса, создают очень суровые условия для спутников и людей в космосе. Обладая очень высокой энергией и летая со скоростью, очень близкой к скорости света, эти частицы могут вызывать дифференциальную зарядку на поверхности или внутри космического корабля и вызывать многочисленные спутниковые аномалии для телекоммуникационных, навигационных, научных спутников и спутников для наблюдения за Землей. Частицы, от которых сложнее всего защитить космический аппарат, — это релятивистские и ультрарелятивистские электроны.
В последние годы возник большой интерес к пониманию радиационных поясов Ван Аллена. Сейчас мы больше, чем когда-либо, полагаемся на космические технологии. Новые технологии подъема на электрическую орбиту теперь требуют, чтобы телекоммуникационные спутники проводили очень долгое время в поясах Ван Аллена, а спутники GPS работали прямо в центре поясов.
Повышенная миниатюризация космической электроники делает спутники более уязвимыми для космического излучения, чем когда-либо прежде.Хотя можно увеличить экранирование спутников и защитить спутники от релятивистских частиц (скорости более 0,9 скорости света), экранирование от ультрарелятивистских частиц (скорости более 0,99 скорости света) практически невозможно. Понимание динамики популяций этих частиц было серьезной проблемой для ученых с тех пор, как более полувека назад было открыто космическое излучение.
Ранние наблюдения показали, что ремни очень динамичные. В отличие от океанов и атмосфер, которые не претерпевают значительных изменений за короткий промежуток времени, потоки частиц в радиационных поясах могут измениться с точностью до 1000 раз в течение нескольких часов или меньше. Наиболее драматичными являются так называемые выпадения, которые часто возникают во время геомагнитных бурь, вызванных солнечными вспышками или быстрым солнечным ветром из корональных дыр.С конца 1960-х и начала 1970-х годов большое количество исследований было посвящено пониманию потери электронов из поясов Ван Аллена.
Ученые изучали наблюдения с земли, аэростатные наблюдения рентгеновских всплесков и наблюдения на месте. Механизмы потерь оставались неуловимыми и малоизученными. «И все же понимание процессов потерь необходимо для определения радиационной среды и разработки моделей, которые теперь могут моделировать и прогнозировать радиационную среду», — говорит Юрий Шприц, который недавно присоединился к Немецкому исследовательскому центру геонаук GFZ на совместной встрече с Университетом Потсдам.
Одна из предложенных теорий заключалась в том, что частицы рассеиваются в атмосфере электромагнитными ионными циклотронными волнами (ЭМИЦ). Эти волны создаются инжекцией ионов, которые тяжелее электронов и несут много энергии.
Эти волны потенциально могут рассеивать электроны в атмосфере. До недавнего времени это оставалось наиболее вероятным кандидатом на потерю электронов.
В 2006 году Юрий Шприц и его коллеги предложили другой механизм. В этом механизме частицы были потеряны в межпланетном пространстве, что привело к истощению плотности частиц и диффузии электронов наружу. Эта теория привлекла большое внимание, и ряд исследований предоставил наблюдательные доказательства этого механизма потерь. Моделирование объемных популяций электронов при релятивистских энергиях также, по-видимому, благоприятствовало этому механизму и не требовало дополнительных процессов потерь из-за электромагнитных волн.
Оставалось неясным, какой механизм действовал или преобладал во время штормов, но действительно объяснял наиболее резкое сокращение численности населения в космической среде.Даже расширенные подробные многоточечные спутниковые наблюдения, которые были доступны после запуска зонда штормов радиационного пояса Ван Аллена НАСА, казалось, не смогли дать окончательных ответов.
Реальную потерю частиц может быть трудно сделать вывод, поскольку она может быть замаскирована вариациями, связанными с вариациями магнитного поля или конкурирующими механизмами ускорения, которые могут работать по-разному при разных энергиях. Кроме того, оба предложенных механизма потерь усиливаются во время штормов, что затрудняет их различение. Ученые пытались изолировать разные процессы друг от друга, но задача казалась практически невыполнимой.«Уникальное сочетание событий, произошедших до и во время геомагнитных бурь 17 января 2013 года, наконец, позволило нам окончательно решить этот давний научный вопрос», — говорит ведущий автор исследования, профессор Юрий Шприц.
Сочетание условий во время штормов 17 января 2013 года обеспечило уникальное совпадение различных факторов, что наконец позволило ученым из GFZ, Потсдамского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Стэнфорда, Беркли, Аугсбургского колледжа, LASP, UNH и геофизической обсерватории Соданкила решить эту проблему. давняя научная проблема. Среди удачных совпадений, которые помогли исследователям: 1) пояса были заселены предыдущей бурей, что позволило детекторам измерить детальное распределение частиц в пространстве, энергию и направление распространения во время этой бури; 2) что самые интенсивные потоки релятивистского и ультрарелятивистского были в разных местах в поясах, и поэтому популяции частиц не влияли друг на друга; 3) ультрарелятивистские частицы располагались глубоко внутри магнитосферы и на них не влияли потери на магнитопаузе.Детальные измерения с помощью зондов Ван Аллена показали, что электромагнитные волны действительно рассеивают частицы в атмосфере, но влияют только на ультрарелятивистские электроны, не влияя на релятивистские частицы, которые рассматривались во многих предыдущих исследованиях. При ультрарелятивистских энергиях электроны летают очень близко к скорости света и в своей системе отсчета вращаются вокруг силовой линии в том же смысле, что и волны.
Находясь в резонансе с электронами, волны могут очень эффективно рассеивать ультрарелятивистские выборы в атмосфере. Распределения по радиальному расстоянию, энергии и направлению скорости — все это дает окончательное доказательство того, что этот механизм потерь наиболее эффективен при ультрарелятивистских энергиях. Детальное моделирование, включая EMIC-волны, показало удивительно хорошие результаты, в основном идентичные наблюдениям, что еще раз подтверждает выводы исследования.Это исследование решает некоторые фундаментальные научные вопросы о нашей космической среде, а также может помочь понять фундаментальные процессы, которые происходят в других частях космоса (на Солнце, на внешних планетах, далеких галактиках и экзопланетах).
Юрий Шприц добавляет: «Это исследование также поможет нам прогнозировать и теперь определять космическую среду и защищать ценные спутники в космосе. Оно также может помочь разработать методы очистки радиационных поясов от вредного излучения и сделать окружающую среду вокруг Земли более благоприятной для спутников. . " В исследовании приняли участие двое аспирантов GFZ Ирина Желавская и Никита Асеев.