Высокоэнергетические электроны шныряют вокруг Земли

По данным новой спутниковой миссии, вызванные реконнекцией (пересоединением) электромагнитные волны ускоряют высокоэнергетические электроны.

Существование частиц высоких энергий внешних слоев атмосферы нашей планеты было известно в течение многих десятилетий. Популяция высокоэнергетических электронов (до нескольких сотен килоэлектронвольт) найдена не только в радиационных поясах Ван Аллена. Но неясно, что ускоряет электроны до таких высоких энергий. Есть разные теоретические модели, но взаимодействие в экзосфере тонкой плазмы и солнечного ветра настолько сложно, что объяснить механизмы ускорения могут только непосредственные измерения на месте.

С этой целью НАСА начала чуть более года назад Магнитосферную многомасштабную миссию (MMS). Она состоит из четырех небольших спутников, вращающихся вокруг Земли по высокой эллиптической орбите (на расстоянии 2500-150000 км). Четыре космических аппарата летят в Пространстве, как тетраэдр с длиной ребра в несколько десятков километров. Это позволяет им воспринимать небольшие изменения в магнитной структуре экзосферы во времени и в пространстве.

Опыт предыдущих миссий показал, что охваченной области пространства и тонких измерений было недостаточно, чтобы точно понять иногда очень недолговечные и быстро протекающие в плазме процессы. С этой целью НАСА усовершенствовало, по сравнению с предыдущими космическими зондами, электронику на борту MMS-спутников. Они измеряют электромагнитные поля в экзосфере с временным разрешением 0,1 мс, а энергетический спектр электронов - с разрешением 30 мс.

Четыре MMS-зонда пролетают сквозь магнитопаузу, где магнитное поле солнечного ветра (желтый и оранжевый) попадает на земное (синий) Художественное изображение: NASA

Уже более года MMS-спутники мониторят Космос. Появились первые научные результаты, помогающие объяснить ускорение электронов до высоких энергий. Ученые MMS смогли идентифицировать короткие электромагнитные импульсы, сопровождающиеся значительным подъемом энергии электронов. Эти импульсы, названные "time domain struc­tures"(сокращенно TDS), возникают, предположительно, путем магнитного пересоединения, если сталкиваются противоположно ориентированные магнитные поля солнечного ветра и атмосферы Земли и в плазме снова выравниваются скрещенные магнитные поля. При этом выделяется много энергии. Важную роль этот эффект может играть и при солнечных вспышках.

Такие TDS длятся лишь миллисекунды. Они мчатся сквозь плазму со скоростью нескольких тысяч км/час. Очевидно, вызванная реконнекцией волна электронов, несущаяся со скоростью 4000 км/час, увеличивает их изначальную энергию до 40 раз. Два из четырех MMS-спутников смогли захватить такую TDS. Как показали MMS-измерения, прохождение одной единственной TDS явно передвинуло энергетический спектр электронов с сторону более высоких энергий.

Исследователи иногда наблюдали при этом увеличение энергии электронов от пяти до двухсот электронвольт. Но этого было все еще слишком мало, чтобы объяснить энергию некоторых электронов в экзосфере, составляющую много килоэлектронвольт. Однако ключ к пониманию этих процессов может дать умножение энергии частицы одним таким отражением Ферми.

Астрофизики давно предполагали, что отражения Ферми играют решающую роль в возникновении высокоэнергетических частиц не только в космических масштабах, например, в ударных фронтах сверхновых, но и в сравнительно безобидных электромагнитных импульсах, которые могут быть вызваны магнитным пересоединением верхних слоев земной атмосферы. В отражениях Ферми заряженная частица получает энергию, когда ударяется об электромагнитную волну в плазме и таким путем ускоряется. При соответствующих условиях это может вызывать многократные отражения и тем самым эффективно преобразовывать электромагнитную энергию в кинетическую. В космическом пространстве этот механизм, вероятно, создает крайне высокоэнергетическое космическое излучение, роль которого в земных масштабах пока плохо изучена.

Исследователи надеются, что MMS-миссия не только даст информацию о взаимодействии земной экзосферы: и для других планет будет важно подобное воздействие, особенно для вспышек и извержений на Солнце. Но некоторые детали измерений из-за вариабельности плазменных импульсов недостаточно хорошо изучены. Однако запланированный срок службы MMS-спутников не истек. Во второй половине своей миссии они должны подробнее изучить магнитную реконнекцию на более высокой орбите.

Источник: pro-physik.de