С 1950-х годов, когда ученые впервые начали формировать картину этих колец из энергичных частиц, наше понимание их формы в основном осталось неизменным — небольшой внутренний пояс, в значительной степени пустое пространство, известное как область прорези, а затем внешнее пространство. пояс, в котором преобладают электроны, который является более крупным и динамичным из двух. Но новое исследование данных NASA Van Allen Probes показывает, что история может быть не такой простой.«Форма ремней на самом деле сильно различается в зависимости от того, на какой тип электронов вы смотрите», — сказал Джефф Ривз из Лос-Аламосской национальной лаборатории и Консорциума Нью-Мексико в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, ведущий автор исследования, опубликованного в 28 декабря 2015 г., в Journal of Geophysical Research. «Электроны с разными уровнями энергии по-разному распределены в этих регионах».
Вместо классического изображения радиационных поясов — небольшой внутренний пояс, пустая область прорезей и больший внешний пояс — этот новый анализ показывает, что форма может варьироваться от одиночной непрерывной ленты без области прорезей до большего внутреннего пояса с внешний ремень меньшего размера, чтобы вообще не было внутреннего ремня. Многие различия объясняются раздельным рассмотрением электронов на разных уровнях энергии.«Это похоже на прослушивание разных частей песни», — сказал Ривз. «Басовая партия звучит иначе, чем вокал, а вокал отличается от ударных и так далее».
Исследователи обнаружили, что внутренний пояс — меньший пояс в классической картине поясов — намного больше внешнего пояса при наблюдении электронов с низкими энергиями, в то время как внешний пояс больше при наблюдении электронов с более высокими энергиями. При очень высоких энергиях внутренняя структура ремня полностью отсутствует. Итак, в зависимости от того, на чем сосредоточиться, может показаться, что радиационные пояса имеют одновременно очень разные структуры.
Эти структуры дополнительно изменяются геомагнитными бурями. Когда быстро движущийся магнитный материал от Солнца — в виде высокоскоростных потоков солнечного ветра или выбросов корональной массы — сталкивается с магнитным полем Земли, они заставляют его колебаться, создавая геомагнитную бурю.
Геомагнитные бури могут временно увеличивать или уменьшать количество энергичных электронов в радиационных поясах, хотя через некоторое время пояса возвращаются к своей нормальной конфигурации.Эти вызванные штормом электронные увеличения и уменьшения в настоящее время непредсказуемы, без четкой картины, показывающей, какой тип или сила шторма приведет к каким результатам. В сообществе космических физиков есть поговорка: если вы видели одну геомагнитную бурю, вы видели одну геомагнитную бурю.
Как оказалось, эти наблюдения в основном были основаны на электронах лишь на нескольких энергетических уровнях.«Когда мы смотрим на широкий диапазон энергий, мы начинаем видеть некоторую согласованность в динамике шторма», — сказал Ривз. «Отклик электронов на разных уровнях энергии различается в деталях, но есть некоторое общее поведение. Например, мы обнаружили, что электроны исчезают из областей щели быстро после геомагнитной бури, но расположение области щели зависит от энергии электроны ".
Часто внешний электронный пояс расширяется внутрь к внутреннему поясу во время геомагнитных бурь, полностью заполняя область щели электронами с более низкой энергией и образуя один огромный радиационный пояс. При более низких энергиях щель образуется дальше от Земли, создавая внутренний пояс, который больше внешнего пояса.
При более высоких энергиях щель формируется ближе к Земле, меняя сравнительные размеры на противоположные.Спутники-близнецы Van Allen Probes расширяют диапазон данных об энергичных электронах, которые мы можем получить. В дополнение к изучению электронов чрезвычайно высоких энергий, несущих миллионы электрон-вольт, которые были изучены ранее, зонды Ван Аллена могут собирать информацию об электронах с более низкими энергиями, которые содержат всего несколько тысяч электрон-вольт.
Кроме того, космический аппарат измеряет электроны радиационного пояса с большим количеством различных энергий, чем это было возможно ранее.«Предыдущие инструменты измеряли только пять или десять уровней энергии одновременно», — сказал Ривз. «Но зонды Ван Аллена измеряют сотни».
В прошлом измерение потока электронов при таких более низких энергиях было затруднительным из-за присутствия протонов в ближайших к Земле регионах радиационного пояса. Эти протоны проходят через детекторы частиц, создавая зашумленный фон, на котором нужно было определять истинные измерения электронов.
Но данные Van Allen Probes с более высоким разрешением показали, что эти электроны с более низкой энергией циркулируют намного ближе к Земле, чем считалось ранее.«Несмотря на протонный шум, зонды Ван Аллена могут однозначно определять энергии электронов, которые они измеряют», — сказал Ривз.Подобные точные наблюдения на сотнях энергетических уровней, а не только на нескольких, позволят ученым создать более точную и строгую модель того, что именно происходит в радиационных поясах, как во время геомагнитных бурь, так и в периоды относительной спокойствие.«Вы всегда можете настроить несколько параметров своей теории, чтобы она соответствовала наблюдениям на двух или трех уровнях энергии», — сказал Ривз. «Но наличие наблюдений при сотнях энергий ограничивает теории, которые вы можете сопоставить с наблюдениями».
Лаборатория прикладной физики Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд, построила и эксплуатирует зонды Ван Аллена для Управления научной миссии НАСА. Это вторая миссия в программе НАСА «Жизнь со звездой», которую осуществляет Центр космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд.