"Эффект зебры" в радиационном поясе Земли

Космические зонды показывают странное явление в радиационном поясе Земли: вместо того чтобы распределяться равномерно, сверхбыстрые электроны образуют полосы, как у зебры. Американские исследователи выяснили: причина этого кроется в эффекте, который считался ранее слишком слабым и несущественным. Его неожиданно сильное воздействие на радиационный пояс не только изменило наше представление о процессах вокруг Земли. Это явление даёт ценную информацию о взаимодействии других планет Солнечной системы с окружающей их средой.

Радиационный пояс Земли

Наша планета окружена толстым кольцом быстрых высокоэнергетических частиц и лучей. Этот радиационный пояс возникает при взаимодействии с солнечным ветром магнитного поля Земли. Он содержит во внутреннем слое, прежде всего, положительно заряженные частицы и более медленные электроны, далее снаружи - высокоэнергетические электроны, движущиеся вокруг Земли почти со скоростью света. Если они наталкиваются на незащищенные спутники или другие космические аппараты, то могут нанести серьезный ущерб чувствительной электронике. Отчасти поэтому радиационный пояс интенсивно исследуется, однако многие явления и особенности этой зоны учёные объяснить до сих пор не могли.

"Полосы зебры" во внутреннем кольце

Одним из таких феноменов является возникновение в определенное время четко выраженных полос во внутреннем поясе. "Несущие меньшую энергию электроны расположены во всем внутреннем радиационном поясе правильными узорами - мы называем их полосами зебры", - пишут Александр Укхорский и его коллеги (Лаборатория прикладной физики, Университет Джона Хопкинса, Лорел). Однако было неясно, что является причиной этих полос. Исследователи предполагают, что они вызваны турбулентностью во время особенно сильных солнечных бурь. Тем не менее, данные зондов-близнецов "Van Allen Probes" (НАСА) опровергают это. «Узоры были обнаружены на всех орбитах, - говорят исследователи. - Они появляются при слабом солнечном ветре даже более регулярно, чем во время геомагнитных бурь". Поэтому должно быть, по их мнению, другое объяснение странного явления.

Радиационный пояс окружает Землю толстым кольцом из разных высокоэнергетических частиц Фото: NASA/JHUAPL

Одним из возможных виновников феномена исследователи считали вращение Земли. Поскольку ось вращения смещена от магнитной оси примерно на 11 °, окружающее Землю электрическое поле попадает в регулярные колебания. До сих пор это воздействие считалось слишком слабым, чтобы влиять на электроны в радиационном поясе. Но Укхорский и его команда предположили, что между ними есть связь, и использовали компьютерную модель, сконструировав в уменьшенном масштабе радиационный пояс, где электроны дрейфовали в магнитном диполе, подобном земному, а затем постепенно изменяли энергию и высоту полета тестовых частиц.

Резонансный эффект от колебаний поля

Результат оказался удивительным: изначально равномерно распределенные электроны начали через некоторое время выстраиваться полосами. Как установили исследователи, свою роль в этом сыграл резонансный эффект между дрейфом электронов и вибрирующим электрическим полем Земли. "Этот эффект привел к непрерывному увеличению плотности полос". Но в случае земного радиационного пояса время от времени турбулентность из-за солнечных бурь прерывает этот процесс. Исследователи смогли продемонстрировать и на модели, что этим поддерживается постоянное возобновление полос. Они никогда не могут быть настолько плотными, чтобы сливаться друг с другом.

Эти данные проливают новый свет на процессы, происходящие в радиационном поясе Земли. Сейчас физикам придется пересмотреть свои концепции динамики и сложности таких радиационных поясов, комментирует сообщение в том же номере Дрю Тернер из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе. Особенно интересны были бы данные космических зондов радиационных поясов Юпитера, Нептуна и Урана, так как у ​​этих планет ось вращения и магнитное поле еще больше отклонены друг от друга, чем у Земли. Поэтому у них "эффект зебры" мог бы быть выражен сильнее, пишет wissenschaft.de.