В феврале этого года группа ученых сообщила об удивительном открытии ранее неизвестного третьего радиационного кольца — узкого, которое ненадолго появилось между внутренним и внешним кольцами в сентябре 2012 года и сохранялось в течение месяца.В новом исследовании космические ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе успешно смоделировали и объяснили беспрецедентное поведение этого третьего кольца, показав, что чрезвычайно энергичные частицы, составляющие это кольцо, известные как ультрарелятивистские электроны, управляются совершенно иной физикой, чем обычно наблюдали Ван Аллен. частицы радиационного пояса.
Область, которую занимают пояса — от 1000 до 50 000 километров над поверхностью Земли — заполнена электронами, настолько энергичными, что они движутся со скоростью, близкой к скорости света.«В прошлом ученые думали, что все электроны в радиационных поясах вокруг Земли подчиняются одной и той же физике», — сказал Юрий Шприц, геофизик-исследователь из Департамента наук о Земле и космосе Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Сейчас мы обнаруживаем, что радиационные пояса состоят из разных популяций, которые двигаются очень разными физическими процессами».
Шприц, который также является доцентом Российского Сколковского института науки и технологий, нового университета, совместно организованного Массачусетским технологическим институтом, руководил исследованием, которое опубликовано 22 сентября в журнале Nature Physics.Пояса Ван Аллена могут представлять серьезную опасность для спутников и космических кораблей, от незначительных аномалий до полного отказа критически важных спутников. По словам Шприца, лучшее понимание радиации в космосе играет важную роль в защите людей и оборудования.Шприц и Адам Келлерман отметили, что ультрарелятивистские электроны, составляющие третье кольцо и присутствующие как во внешнем, так и во внутреннем поясах, особенно опасны и могут проникать через экранирование наиболее защищенных и наиболее ценных спутников в космосе. научный сотрудник группы Шприца.
«Их скорость очень близка к скорости света, а энергия их движения в несколько раз больше, чем энергия, содержащаяся в их массе, когда они находятся в состоянии покоя», — сказал Келлерман. «Различие между поведением ультрарелятивистских электронов и электронов с более низкими энергиями было ключевым в этом исследовании». Шприц и его команда обнаружили, что 1 сентября 2012 года плазменные волны, создаваемые ионами, которые обычно не влияют на энергичные электроны, «вытеснили ультрарелятивистские электроны во внешнем поясе почти до внутреннего края внешнего пояса». Лишь узкое кольцо ультрарелятивистских электронов пережило эту бурю.
Этот остаток образовал третье кольцо.После шторма холодный пузырь плазмы вокруг Земли расширился, чтобы защитить частицы в узком кольце от ионных волн, позволяя кольцу существовать. Группа Шприца также обнаружила, что очень низкочастотные электромагнитные пульсации, которые считались доминирующими в ускорении и потере электронов радиационного пояса, не влияли на ультрарелятивистские электроны.Радиационные пояса Ван Аллена «больше нельзя рассматривать как одну постоянную массу электронов.
Они ведут себя в соответствии со своей энергией и по-разному реагируют на возмущения в космосе», — сказал Шприц, которого президент Обама в июле прошлого года удостоил чести президента. Премия за раннюю карьеру для ученых и инженеров.
«Ультрарелятивистские частицы движутся очень быстро и не могут иметь нужную частоту с волнами, когда они близки к экваториальной плоскости», — сказала Ксения Орлова, научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе в группе Шприца, финансируемой стипендиатом Джека Эдди НАСА. «Это основная причина, по которой ускорение и рассеяние в атмосфере ультрарелятивистских электронов этими волнами менее эффективно».«Это исследование показывает, что в космосе существуют совершенно разные популяции частиц, которые изменяются в разных временных масштабах, управляются разной физикой и демонстрируют очень разные пространственные структуры», — сказал Шприц.Команда выполнила симуляции с моделью радиационных поясов Земли за период с конца августа 2012 года по начало октября 2012 года.
Моделирование, проведенное с использованием физики ультрарелятивистских электронов и условий космической погоды, отслеживаемых наземными станциями, соответствовало наблюдениям с фургона НАСА. Миссия Аллена зонда необычайно хороша, подтверждая теорию команды о новом кольце.
«У нас есть замечательное согласие между нашей моделью и наблюдениями, которые охватывают широкий диапазон энергий», — сказал Дмитрий Субботин, бывший аспирант Шприца и нынешний научный сотрудник Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.«Я считаю, что этим исследованием мы раскрыли верхушку айсберга», — сказал Шприц. «Нам все еще необходимо полностью понять, как эти электроны ускоряются, откуда они берутся и как динамика поясов различается для разных бурь».
Радиационные пояса Земли были обнаружены в 1958 году спутником Explorer I, первым американским спутником, побывавшим в космосе.