Potężna burza geomagnetyczna, która nawiedziła Ziemię w maju 2024 roku, doprowadziła do naruszenia granicy wewnętrznego pasa radiacyjnego, dotychczas uznawanej za praktycznie nieprzenikalną. Obserwacje japońskiego satelity Arase wykazały obecność elektronów o ekstremalnie wysokich energiach w obszarze, do którego zgodnie z wcześniejszymi ustaleniami nie powinny docierać. Odkrycie może mieć istotne znaczenie dla bezpieczeństwa satelitów oraz prognozowania pogody kosmicznej.
Pole magnetyczne Ziemi nie zapewnia całkowitej ochrony
Międzynarodowy zespół naukowców pod kierownictwem Yoshizumiego Miyoshiego z Uniwersytetu w Nagoi przeanalizował dane dotyczące zachowania wysokoenergetycznych cząstek podczas jednej z najsilniejszych burz geomagnetycznych ostatnich lat.
Wyniki badań wskazują, że nawet obszary magnetosfery uznawane wcześniej za skutecznie chronione przed napływem ekstremalnie energetycznych elektronów mogą zostać naruszone w wyjątkowych warunkach.
„Pokazujemy, że tę barierę można naruszyć w skrajnych warunkach pogody kosmicznej” – napisali autorzy w pracy naukowej.
Odkrycie zmienia dotychczasowe rozumienie procesów zachodzących w ziemskim środowisku radiacyjnym i wskazuje na konieczność dokładniejszego uwzględniania ekstremalnych zjawisk słonecznych w modelach naukowych.
Czym są pasy radiacyjne Van Allena?
Ziemię otaczają dwa główne pasy radiacyjne Van Allena, czyli obszary o kształcie zbliżonym do torusa, w których pole magnetyczne zatrzymuje wysokoenergetyczne cząstki naładowane elektrycznie.
Szczególnie istotne są elektrony o energiach liczonych w megaelektronowoltach (MeV). Mogą one przenikać przez materiały osłonowe, zakłócać działanie urządzeń elektronicznych i powodować uszkodzenia systemów pokładowych satelitów.
Wysokoenergetyczne promieniowanie stanowi również zagrożenie dla astronautów, zwłaszcza podczas misji realizowanych poza obszarami zapewniającymi skuteczną ochronę magnetyczną.
W 2014 roku analiza pomiarów amerykańskich sond Van Allen Probes pozwoliła zidentyfikować wyraźną granicę położoną w odległości około trzech promieni Ziemi od środka planety.
Granica ta została opisana jako praktycznie nieprzenikalna dla elektronów o najwyższych energiach. Już w 2018 roku pojawiły się jednak hipotezy sugerujące, że jej pozorna trwałość może wynikać z ograniczonego czasu trwania obserwowanych burz geomagnetycznych.
Superburza słoneczna z maja 2024 roku zmieniła sytuację
W maju 2024 roku Ziemia znalazła się pod wpływem wyjątkowo silnej aktywności słonecznej. Doszło wówczas do burzy geomagnetycznej najwyższej, piątej kategorii w pięciostopniowej skali G.
Ekstremalne zaburzenia ziemskiej magnetosfery doprowadziły między innymi do znacznego osłabienia plazmosfery, czyli obszaru wypełnionego stosunkowo chłodną plazmą.
Zmiana warunków umożliwiła intensywny rozwój charakterystycznych fal elektromagnetycznych określanych jako chorus waves.
„Po konwersji na dźwięk brzmią jak śpiew ptaków” – przekazał Miyoshi.
W analizowanym przypadku fale te odegrały szczególną rolę. Zamiast powodować przede wszystkim rozpraszanie elektronów, przyczyniały się do ich przyspieszania w obszarze znajdującym się wewnątrz dotychczasowej bariery.
Satelita Arase wykrył ponad 5000-krotny wzrost strumienia elektronów
Kluczowych danych dostarczył japoński satelita Arase, który od 2017 roku prowadzi obserwacje ziemskich pasów radiacyjnych.
Podczas fazy wygaszania majowej burzy geomagnetycznej urządzenia pomiarowe zarejestrowały gwałtowny wzrost strumienia elektronów o energii około 3 MeV.
Wartości te były ponad 5000 razy wyższe niż poziomy obserwowane przed rozpoczęciem zjawiska.
Naukowcy zauważyli również charakterystyczną kolejność pojawiania się cząstek o różnych energiach.
Początkowo wzrastała liczba elektronów o stosunkowo niższych energiach. Po około 12 godzinach zaczęły pojawiać się cząstki bardziej energetyczne, natomiast po upływie doby odnotowano elektrony przekraczające 3 MeV.
Taka sekwencja stanowi ważny argument przemawiający za lokalnym przyspieszaniem cząstek przez fale elektromagnetyczne, a nie wyłącznie za ich przemieszczaniem się z innych części magnetosfery.
Skutki burzy geomagnetycznej utrzymywały się przez wiele miesięcy
Analiza przestrzennego rozkładu elektronów ujawniła kolejne interesujące zjawisko. Początkowo największe natężenie strumienia cząstek występowało w pobliżu wcześniej zidentyfikowanej granicy.
Następnie obszar podwyższonej koncentracji wysokoenergetycznych elektronów stopniowo rozszerzał się zarówno w kierunku Ziemi, jak i na zewnątrz.
Co istotne, skutki majowej burzy nie ustąpiły wraz z zakończeniem jej najbardziej intensywnej fazy.
Zwiększone poziomy promieniowania utrzymywały się przez kolejne miesiące. Stopniowe spadki rejestrowano aż do października 2024 roku, kiedy następna burza geomagnetyczna zakłóciła dalsze obserwacje.
Oznacza to, że pojedyncze ekstremalne zdarzenie związane z aktywnością Słońca może na długi czas zmienić warunki radiacyjne w otoczeniu naszej planety.
Odkrycie ma znaczenie dla bezpieczeństwa satelitów i misji kosmicznych
Wyniki badań wskazują, że modele opisujące zachowanie wysokoenergetycznych elektronów w ziemskiej magnetosferze powinny uwzględniać możliwość naruszenia granic uznawanych wcześniej za stabilne.
Ma to szczególne znaczenie dla operatorów satelitów, projektantów systemów elektronicznych oraz instytucji odpowiedzialnych za przygotowanie misji kosmicznych.
Dokładniejsze przewidywanie zmian natężenia promieniowania może pomóc w ograniczaniu ryzyka awarii urządzeń oraz lepszym planowaniu działań w przestrzeni kosmicznej.
„To wiedza kluczowa dla oceny ryzyka dla statków kosmicznych i lepszych prognoz pogody kosmicznej” – podsumował Miyoshi.
Obserwacje satelity Arase pokazują, że ziemska magnetosfera jest znacznie bardziej dynamicznym środowiskiem, niż sugerowały wcześniejsze pomiary. Ekstremalne burze słoneczne mogą nie tylko chwilowo zaburzać jej strukturę, lecz także wywoływać długotrwałe zmiany w rozmieszczeniu wysokoenergetycznych cząstek. Wiedza ta będzie istotna dla rozwoju skuteczniejszych systemów monitorowania pogody kosmicznej i ochrony infrastruktury orbitalnej.
Maria Konopnicka jest autorką publikującą na portalu glodniwiedzy.pl, zajmującą się tematami newsowymi, polityką, biznesem, technologią, sportem, rozrywką i stylem życia. Skupia się na jasnym i przystępnym przekazie informacji, aktualnych wydarzeniach oraz historiach istotnych dla czytelników, dbając o rzetelność, klarowność i czytelność publikowanych treści.
More Stories
Satelita miał uratować obserwatorium NASA. Teraz sam wymaga pomocy
Niezwykła supernowa zaskoczyła astronomów. Śmierć gwiazdy bez typowego rozbłysku
Pierwsze zdjęcia śladu po uderzeniu rakiety w Księżyc. Koreańska sonda uchwyciła zmianę powierzchni