Физики объяснили появление частиц высоких энергий в магнитосфере Земли
Электроны релятивистских энергий в радиационном поясе Земли могут возникать в результате резонансных взаимодействий с низкочастотными электромагнитными волнами ионосферы планеты. Такой вывод сделали немецкие исследователи из Потсдамского центра имени Гельмгольца. Работу, в которой изложены выводы ученых, 10 сентября опубликовал журнал Nature Communications.
В работе представлен уникальный способ анализа спутниковых наблюдений, который демонстрирует, что локальное ускорение способно разгонять электроны до энергий в 7 МэВ. Понимание природы появления частиц высоких энергий в радиационных поясах Земли позволит точнее выявлять и прогнозировать возникновение потоков частиц высоких энергий на Солнце, в магнитосферах далеких планет и удаленных космических объектов.
Наличие в радиационных поясах Земли частиц, движущихся не просто на высоких, а на релятивистских (близких к световым) скоростях — известный факт. Причины их появления там — дискуссионный вопрос.
Изучению в качестве основных версий разгона частиц до таких энергий подвергаются: — разгон под воздействием электромагнитных колебаний в верхних слоях ионосферы, — увеличение скорости заряженых частиц в результате корректировки их орбиты под влиянием магнитного поля Земли (подобно тому, как увеличивается скорость вращения тела, вращающегося на веревке вокруг оси, когда в результате наматывания нити уменьшается радиус вращения), — различные комбинации этих факторов.
Немецкие исследователи предложили способ различить влияние разных факторов, разгоняющих частицы. Предложенный метод они применили к данным нескольких наблюдений.
В частности, исследователи из Потсдама подвергли подробному анализу данные наблюдений мощной электромагнитной бури, произошедшей 9 октября 2012 года, во время которой релятивистский электронно–протонный телескоп (РЭПТ) на зондах НАСА, запущенных к верхнему слою радиационного пояса Земли, зафиксировал усиление потока электронов в верхнем диапазоне энергий, в том числе при 7,7 МэВ.
Геомагнитный шторм развивался в течение нескольких часов. Данные показали, что во время этого события начальным разгонным импульсом стало электромагнитное возмущение, обеспечившее рост числа электронов с энергией от 2,6 до 3,3 МэВ.
В дальнейшем лишь незначительная часть этих частиц, изменив траекторию, нарастила свою энергию до 8-12 МэВ. Основная часть наблюдаемых частиц набрала скорость до величин 7-7,7 МэВ, резонируя с электромагнитными колебаниями ионосферы.
Накопившие энергию частицы непрерывно вступали во взаимодействие с окружающей средой, излучая и замедляясь. По окончании возмущающего импульса в течение нескольких часов ситуация пришла к обычным фоновым значениям.
Наличие радиационных поясов Земли было предсказано теоретически в первой половине ХХ века, впервые экспериментально их наличие зафиксировал «Спутник-2», запущенный СССР 3 ноября 1957 года. Сейчас эти радиационные пояса известны как пояса Ван-Алена — по имени американского исследователя, обнародовавшего результаты своих изысканий.
Электрон-вольт — кинетическая энергия, которую приобретает электрон, разогнанный разницей потенциалов в 1 Вольт.
