Открытие того, что частицы ускоряются за счет местного источника энергии, сродни открытию того, что ураганы возникают из местного источника энергии, такого как область теплой океанской воды. В случае радиационных поясов источником является область интенсивных электромагнитных волн, отбирающих энергию от других частиц, находящихся в той же области. Знание места ускорения поможет ученым улучшить прогнозы космической погоды, потому что изменения в радиационных поясах могут быть опасными для спутников, находящихся рядом с Землей.
Результаты опубликованы в журнале Science 25 июля 2013 г.Чтобы ученые могли лучше понять пояса, зонды Ван Аллена были разработаны, чтобы летать прямо через эту интенсивную область космоса. Когда миссия стартовала в августе 2012 года, у нее была главная цель понять, как частицы в поясах ускоряются до сверхвысоких энергий и как частицы иногда могут улетать.
Определив, что это сверхбыстрое ускорение происходит из-за этих локальных выбросов энергии, в отличие от более глобального процесса, ученые впервые смогли окончательно ответить на один из этих важных вопросов.«Это один из самых долгожданных и захватывающих результатов исследований Van Allen Probes, — сказал Дэвид Сибек, ученый проекта Van Allen Probes в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. миссия ".Радиационные пояса были обнаружены при запуске самых первых успешных спутников США, отправленных в космос, Explorers I и III.
Быстро стало понятно, что ремни представляют собой одни из самых опасных сред, в которых может находиться космический корабль. Большинство спутниковых орбит выбираются так, чтобы уклоняться ниже радиационных поясов или кружиться за их пределами, а некоторые спутники, такие как космические корабли GPS, должны работать между этими двумя поясами. Когда пояса разбухают из-за приближающейся космической погоды, они могут охватить эти космические корабли, подвергая их опасному излучению.
Действительно, значительное количество необратимых отказов космических аппаратов было вызвано радиацией. Имея достаточное количество предупреждений, мы можем защитить технологии от наихудших последствий, но такое предупреждение может быть достигнуто только в том случае, если мы действительно понимаем динамику того, что происходит внутри этих таинственных поясов.«До 1990-х годов мы думали, что ремни Ван Аллена довольно хорошо себя ведут и меняются медленно», — сказал Джефф Ривз, первый автор статьи и ученый с радиационными поясами из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико. и проведя больше измерений, мы поняли, насколько быстро и непредсказуемо меняются радиационные пояса.
Они в основном никогда не находятся в равновесии, а находятся в постоянном состоянии изменения ».Фактически, ученые поняли, что ремни даже не меняются постоянно в ответ на, казалось бы, похожие раздражители.
Некоторые солнечные бури заставляли пояса усиливаться; другие вызвали истощение поясов, а некоторые, казалось, почти не оказали никакого действия. Такие несопоставимые эффекты от явно похожих событий предполагали, что этот регион гораздо более загадочен, чем считалось ранее. Чтобы понять — и в конечном итоге предсказать — какие солнечные бури усиливают радиационные пояса, ученые хотят знать, откуда берется энергия, ускоряющая частицы.Двойные зонды Ван Аллена были разработаны, чтобы различать две широкие возможности того, какие процессы ускоряют частицы до таких удивительных скоростей: радиальное ускорение или локальное ускорение.
При радиальном ускорении частицы переносятся перпендикулярно магнитным полям, окружающим Землю, из областей с низкой магнитной силой, удаленных от Земли, в области с высокой магнитной силой ближе к Земле. Законы физики диктуют, что скорости частиц в этом сценарии будут увеличиваться при увеличении напряженности магнитного поля. Таким образом, скорость будет увеличиваться по мере того, как частицы движутся к Земле, подобно тому, как скала, катящаяся с холма, набирает скорость просто за счет силы тяжести.
Теория локального ускорения утверждает, что частицы получают энергию от местного источника энергии, более похожего на то, как горячая океанская вода порождает над собой ураган.Чтобы помочь различить эти возможности, зонды Ван Аллена состоят из двух космических аппаратов. С помощью двух наборов наблюдений ученые могут одновременно измерять частицы и источники энергии в двух областях космоса, что имеет решающее значение для различения причин, возникающих локально или издалека. Кроме того, каждый космический корабль оснащен датчиками для измерения энергии и положения частиц, а также определения угла тангажа, то есть угла движения по отношению к магнитным полям Земли.
Все они будут меняться по-разному в зависимости от действующих на них сил, что поможет ученым различать теории.Обладая такими данными, Ривз и его команда наблюдали быстрое увеличение энергии высокоэнергетических электронов в радиационных поясах 9 октября 2012 года. Если бы ускорение этих электронов происходило из-за радиального переноса, можно было бы измерить эффекты, начинающиеся сначала далеко. от Земли и движется внутрь из-за самой формы и силы окружающих полей.
В таком сценарии частицы, движущиеся через магнитные поля, естественным образом прыгают от одной к другой в подобном каскаде, набирая скорость и энергию по пути, что коррелирует с этим сценарием скатывания камней с холма.Но наблюдения не показали усиления, которое формировалось дальше от Земли и постепенно двигалось внутрь.
Вместо этого они показали увеличение энергии, которое началось прямо в середине радиационных поясов и постепенно распространилось как внутрь, так и наружу, подразумевая локальный источник ускорения.«В этом конкретном случае все ускорение произошло примерно за 12 часов», — сказал Ривз. «Согласно предыдущим измерениям, спутник мог бы пролететь через такое событие только один раз и не получить шанс засвидетельствовать происходящие изменения. С помощью зондов Ван Аллена у нас есть два спутника, и мы можем наблюдать, как все меняется и где эти изменения начинаются ".Ученые считают, что эти новые результаты позволят лучше предсказать сложную цепочку событий, которые усиливают радиационные пояса до уровней, которые могут вывести из строя спутники.
Хотя работа показывает, что местная энергия исходит от электромагнитных волн, проходящих через ремни, точно не известно, какие именно волны могут быть причиной. Во время серии наблюдений, описанных в статье, зонды Ван Аллена наблюдали особый вид волны, называемой хорусовыми волнами, в то же время, когда частицы ускорялись, но необходимо проделать дополнительную работу, чтобы определить причину и следствие.
«Этот документ помогает различить два общих решения, — сказал Сибек. «Это показывает, что ускорение может происходить локально. Теперь ученые, изучающие волны и магнитные поля, вскочат, чтобы сделать свою работу, и выяснят, какая волна дала толчок».К счастью, в этой задаче также помогут зонды Ван Аллена, которые также были тщательно разработаны для измерения и различения многочисленных типов электромагнитных волн.«Когда ученые разрабатывали миссию и приборы для зондов, они смотрели на неизвестные научные данные и говорили:« Это отличный шанс открыть некоторые фундаментальные знания о том, как ускоряются частицы », — сказала Никола Дж.
Фокс, заместитель научного сотрудника проекта. в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд ". С пятью идентичными наборами инструментов на борту двух космических кораблей — каждый с широким диапазоном обнаружения частиц, поля и волн — у нас есть лучшая из когда-либо созданных платформ для лучшего понимания эта критическая область космоса над Землей ».Лаборатория прикладной физики построила и эксплуатирует двойные зонды Ван Аллена для Управления научной миссии НАСА.
Зонды Ван Аллена составляют вторую миссию в программе НАСА «Жизнь со звездой», управляемую Годдардом, по изучению аспектов связанной системы Солнце-Земля, которые напрямую влияют на жизнь и общество.Для получения дополнительной информации о датчиках Ван Аллена посетите: http://www.nasa.gov/vanallenprobes/