Удары молний связывают погоду на Земле и в космосе

В любой момент времени над вашей головой со свистом проносятся триллионы заряженных частиц — протонов и электронов, основных строительных блоков материи. Эти высокоэнергетические частицы, которые могут перемещаться со скоростью, близкой к скорости света, обычно остаются за тысячи километров от Земли, удерживаемые там формой магнитного поля Земли.

Однако иногда случается событие, которое может сдвинуть их с места, и электроны дождем падают в атмосферу Земли. Эти высокоэнергетические частицы в космосе образуют так называемые радиационные пояса Ван Аллена, и их открытие стало одним из первых в космическую эру. Новое исследование, проведенное моей исследовательской группой, показало, что электромагнитные волны, генерируемые молнией, могут вызывать эти потоки электронов.

Краткий урок истории

В начале космической гонки в 1950-х годах профессору Джеймсу Ван Аллену и его исследовательской группе из Университета Айовы было поручено провести эксперимент по запуску самого первого американского спутника "Эксплорер-1". Они разработали датчики для изучения космического излучения, которое вызывается высокоэнергетическими частицами, исходящими от Солнца, галактики Млечный Путь или из-за ее пределов.

Однако после запуска "Эксплорера-1" они заметили, что их прибор регистрирует значительно более высокие уровни радиации, чем ожидалось. Вместо того, чтобы измерять отдаленный источник излучения за пределами нашей Солнечной системы, они, по-видимому, измеряли локальный и чрезвычайно интенсивный источник.

Это измерение привело к открытию радиационных поясов Ван Аллена - двух областей в форме бублика с электронами и ионами высоких энергий, окружающих планету.

Ученые полагают, что внутренний радиационный пояс, достигающий максимума примерно в 621 миле (1000 километрах) от Земли, состоит из электронов и высокоэнергетических протонов и относительно стабилен с течением времени.

Внешний радиационный пояс, расположенный примерно в три раза дальше, состоит из электронов высокой энергии. Этот пояс может быть очень динамичным. Его местоположение, плотность и энергетическое содержание могут значительно меняться в зависимости от солнечной активности.

Открытие этих областей с высоким уровнем радиации - это не только интересная история о первых днях космической гонки, но и напоминание о том, что многие научные открытия были сделаны по счастливой случайности.

Это урок для ученых-экспериментаторов, в том числе и для меня, - сохранять непредвзятость при анализе и оценке данных. Если данные не соответствуют нашим теориям или ожиданиям, эти теории, возможно, придется пересмотреть.

Наши любопытные наблюдения

Хотя я преподаю историю космической гонки на курсе космической политики в Университете Колорадо в Боулдере, я редко связываю это со своим собственным опытом ученого, исследующего радиационные пояса Земли. По крайней мере, до недавнего времени я этого не делал.

В ходе исследования, проведенного под руководством Макса Файнланда, студента-старшекурсника из моей исследовательской группы, мы наткнулись на некоторые из наших собственных неожиданных наблюдений за радиационными поясами Земли. Наши результаты заставили нас переосмыслить наше понимание внутреннего радиационного пояса Земли и процессов, влияющих на него.

Первоначально мы намеревались обнаружить очень быстрые — менее чем за секунду - всплески электронов высокой энергии, попадающих в атмосферу из внешнего радиационного пояса, где они обычно наблюдаются.

Многие ученые полагают, что тип электромагнитных волн, известный как "хорус", может сбивать эти электроны с толку и направлять их в атмосферу. Их называют хорус-волнами из-за их отчетливого стрекочущего звука, который они издают при прослушивании в радиоприемнике.

Файнланд разработал алгоритм поиска этих событий на основе многолетних измерений со спутника SAMPEX. Когда он показал мне график с местоположением всех обнаруженных им событий, мы заметили, что некоторые из них оказались не там, где мы ожидали. Некоторые события были связаны с внутренним радиационным поясом, а не с внешним.

Это открытие было любопытным по двум причинам. Во-первых, в этом регионе не распространены хоровые волны, поэтому что-то еще должно было высвобождать эти электроны.

Другим сюрпризом стало то, что во внутреннем радиационном поясе вообще были обнаружены электроны с такой энергией. Измерения, проведенные зондом Ван Аллена НАСА, вызвали новый интерес к внутреннему радиационному поясу. Наблюдения с помощью зондов Ван Аллена показали, что высокоэнергетические электроны часто отсутствуют в этом внутреннем радиационном поясе, по крайней мере, в течение первых нескольких лет этой миссии, с 2012 по 2014 год.

Наши наблюдения показали, что на самом деле иногда внутренний пояс содержит электроны высокой энергии. Как часто это происходит и при каких условиях, остается открытым вопросом для изучения. Эти высокоэнергетические частицы могут повредить космический аппарат и нанести вред людям в космосе, поэтому исследователям необходимо знать, когда и в каком месте космоса они присутствуют, чтобы лучше спроектировать космический аппарат.

Определение виновника

Один из способов возмущения электронов во внутреннем радиационном поясе и выброса их в атмосферу Земли фактически начинается в самой атмосфере.

Молнии, крупные электромагнитные разряды, которые озаряют небо во время грозы, на самом деле могут генерировать электромагнитные волны, известные как свист молнии.

Затем эти волны могут проникать через атмосферу в космос, где они взаимодействуют с электронами во внутреннем радиационном поясе — подобно тому, как волны хора взаимодействуют с электронами во внешнем радиационном поясе.

Чтобы проверить, были ли молнии причиной того, что мы обнаружили во внутреннем радиационном поясе, мы проанализировали электронные всплески и сравнили их с данными о грозах. Некоторая активность молний, по-видимому, коррелировала с нашими электронными событиями, но большая их часть - нет.

В частности, только молнии, которые происходили сразу после так называемых геомагнитных бурь, приводили к обнаруженным нами всплескам электронов.

Геомагнитные бури - это возмущения в околоземном пространстве, часто вызываемые крупными извержениями на поверхности Солнца. Эта солнечная активность, если она направлена в сторону Земли, может привести к тому, что исследователи называют космической погодой. Космическая погода может привести к потрясающим полярным сияниям, но она также может нарушить работу спутников и энергосистем.

Мы обнаружили, что сочетание погоды на Земле и погоды в космосе создает уникальные электронные сигнатуры, которые мы наблюдали в нашем исследовании. Солнечная активность нарушает работу радиационных поясов Земли и заполняет внутренний пояс электронами очень высокой энергии, затем молния взаимодействует с этими электронами и создает быстрые вспышки, которые мы наблюдали.

Эти результаты служат приятным напоминанием о взаимосвязанной природе Земли и космоса. Они также стали для меня приятным напоминанием о зачастую нелинейном процессе научных открытий.

Источник