Ученые выяснили, как разгоняются электроны в радиационных поясах Земли

Ученые выяснили, что электроны в радиационных поясах Земли разгоняются до сверхвысоких энергий в особых зонах. Этому способствует низкая плотность плазмы. Результаты наблюдений опубликовал научный журнал Science Advances.

Радиационными поясами называют две области космоса, которые расположены на высоте в 6 и 58 тыс. километров от поверхности Земли. Внутри них скапливаются электроны и протоны высоких энергий, которые "поймало" магнитное поле планеты.

При определенных условиях, к примеру, во время мощных вспышек на Солнце, эти частицы могут попасть в атмосферу, вызывая помехи в радиоэфире и полярные сияния в высоких широтах. Ученых давно интересует, как протоны и электроны попадают в эти пояса и какие физические процессы разгоняют их до сверхвысоких энергий.

Для изучения радиационных поясов NASA в 2012 году запустило на орбиту два зонда Ван Аллена (Van Allen Probes). Практически сразу после запуска зонды открыли третий радиационный пояс, который периодически возникает между двумя другими. Кроме того, они обнаружили много странностей в поведении электронов на орбите Земли.

В частности, ученые предположили механизм, по которому они разгоняются, – так называемый "хор". Он представляет собой особые электромагнитные волны, которые циркулируют по плазме радиационных поясов. Однако его открытие никак не объясняло, почему энергия некоторых электронов достигала 7 мегаэлектронвольт (МэВ) – это в несколько раз больше максимального значения, которое им мог придать "хор".

Раньше считалось, что электроны высоких энергий могут проникать в радиационные пояса извне или разгоняться во время магнитных суббурь – локальной разновидности планетарных магнитных бурь. Несмотря на все усилия, ученые не смогли найти свидетельств в пользу обеих гипотез.

В новом исследовании ученые под руководством профессора Потсдамского университета (Германия) Юрия Шприца выяснили, где и как эти частицы возникают. Для этого они детально изучили, как менялась плотность плазмы в разных точках радиационных поясов, наблюдая за ними на протяжении нескольких месяцев.

Оказалось, что концентрация заряженных частиц в разное время могла резко повышаться или падать. Сопоставив полученные данные с тем, как часто и где появлялись пучки электронов высоких энергий, физики обнаружили, что перед этими событиями всегда формировались скопления очень разреженной плазмы. Шприц и его коллеги просчитали, как будут вести себя частицы в подобных условиях.

Резкое понижение плотности плазмы заметно повышало эффективность работы "хора", позволяя ему ускорять медленно движущиеся электроны до энергий больше 7 МэВ. Доля частиц с такой большой энергией была относительно невелика, но их вполне хватало, чтобы объяснить данные зондов Ван Аллена и других аппаратов, которые изучают магнитосферу Земли.

Ученые предполагают, что схожие процессы могут происходить и в окрестностях других планет с мощным магнитным полем, таких как Юпитер или Сатурн. Их существование необходимо учитывать при подготовке и отправке миссий, которые периодически пролетают через радиационные пояса этих объектов, подытожили исследователи.