Patrząc na pustkę otaczającego Ziemię kosmosu można by dojść do wniosku, że nic nam z jej strony nie grozi. Nic bardziej mylnego – przestrzeń kosmiczna jest bezustannie przemierzana przez wysokoenergetyczne cząstki, które zaszkodziłyby żywym organizmom, gdyby Ziemia nie była w jakiś sposób chroniona. Nasz świat chronią m.in. pasy Van Allena – dwa obszary w kształcie torusa, wypełnione wysokoenergetycznymi protonami i elektronami, utrzymywanymi przez ziemskie pole magnetyczne. W zewnętrznym pasie przebywają głównie elektrony napędzane i pobudzane przez procesy zachodzące na Słońcu. Z kolei znaczna część protonów w pasie wewnętrznym pochodzi z cząstek powstających w momencie uderzenia promieniowania kosmicznego w atmosferę Ziemi.
WIDEO…
Pasy Van Allena uważano do tej pory za nieprzeniknioną barierę, która uniemożliwia dotarcie najniebezpieczniejszych cząstek do Ziemi. Nowe badania dowodzą jednak, że wcale nie są tak szczelne, jak do tej pory sądzono.
Dogmat o nieprzeniknionej barierze podważony
Przez ponad dekadę uważano, że wewnętrzny pas Van Allena stanowi nieprzeniknioną barierę dla ultra-relatywistycznych, „zabójczych” elektronów, nie pozwalając im zbliżyć się do naszej planety. Z nowych dowodów wynika jednak, że w odpowiednich warunkach obszar ten wcale nie jest tak bezpieczny.
Podczas potężnej burzy słonecznej, która nawiedziła Ziemię w maju 2024 roku, japoński satelita zarejestrował w tym regionie elektrony przyspieszane do energii rzędu megaelektronowoltów. W tym miejscu nie miało prawa to nastąpić. – W niniejszej pracy wykazujemy, że bariera ta może zostać przełamana w warunkach ekstremalnej pogody kosmicznej – pisze zespół pod kierunkiem fizyka Yoshizumiego Miyoshiego z Uniwersytetu w Nagoi, w artykule opublikowanym na łamach czasopisma „Geophysical Research Letters”.
Czym są „zabójcze elektrony”?
Tak zwane zabójcze elektrony stanowią poważne zagrożenie na niskiej orbicie okołoziemskiej. Mogą rozpędzać się niemal do prędkości światła, w wyniku oddziaływania z falami elektromagnetycznymi wokół Ziemi, szczególnie w trakcie burz geomagnetycznych. Niosą ze sobą tak ogromną energię, że są w stanie przenikać przez osłony satelitów, uszkadzając wrażliwą elektronikę. Stwarzają również ryzyko radiacyjne dla astronautów.
W 2014 roku obserwacje należących do NASA sond badających pasy Van Allena, ujawniły zaskakująco ostrą granicę, w odległości około trzech promieni Ziemi od jej środka. Poza nią zabójcze elektrony zapuszczały się niezwykle rzadko. Naukowcy mówili wtedy o „nieprzeniknionej barierze”. Wysunęli hipotezę, że fale elektromagnetyczne w chłodnej plazmie otaczającej Ziemię pomagają wybijać niektóre elektrony z ich orbit i unieszkodliwiać je w ten sposób. Inne z kolei powoli migrują do wewnątrz obszaru. Te procesy wydawały się tworzyć naturalną barierę wokół naszej planety.
Pierwsze dziury w ochronnej barierze Ziemi
Już w 2018 roku na owej „nieprzeniknionej” barierze zaczęły pojawiać się pierwsze pęknięcia. Badacze zasugerowali, że wcale nie jest ona prawdziwą przeszkodą, lecz iluzją wynikającą z krótkiego czasu trwania burz geomagnetycznych. Energetyczne elektrony mogły być wypychane bliżej Ziemi przez wahania pola magnetycznego, ale burze wywołujące ten ruch zazwyczaj słabły, zanim cząstki zdołały dotrzeć dalej. Z kolei w 2024 roku naukowcy analizujący dane z lat 1996–2006 odkryli, że fale elektromagnetyczne generowane przez wyładowania atmosferyczne mogą powodować spadanie zabójczych elektronów – uwięzionych w wewnętrznym pasie Van Allena – prosto w ziemską atmosferę.
Słoneczna superburza z maja 2024 roku
Przełom przyniósł maj 2024 roku, gdy doszło do potężnej burzy słonecznej. Na naszej gwieździe nastąpiła seria rozbłysków i koronalnych wyrzutów masy, które wystrzeliły w przestrzeń Układu Słonecznego miliardy ton namagnesowanej plazmy.
Na Ziemi zaowocowało to burzą geomagnetyczną najwyższej klasy G5 – tak silną, że jej efekty zarejestrowano nawet na dnie oceanu. Wywołała też niezwykle silne zorze polarne. Zjawisko to doprowadziło do drastycznego uszczuplenia chłodnej plazmy wokół Ziemi. W takich warunkach zaczął dominować inny typ fal elektromagnetycznych, zwany falami „chorus”. – Po przetworzeniu na sygnał dźwiękowy przypominają one śpiew ptaków – wyjaśnia Miyoshi. Zamiast rozpraszać elektrony, doprowadziły do ich gwałtownego przyspieszenia do ekstremalnych energii, wewnątrz obszaru uznawanego za bezpieczny.
Dowody z japońskiego satelity Arase
Dowodów na to zjawisko dostarczył japoński satelita Arase, który monitoruje pasy radiacyjne od 2017 roku. W fazie wyciszania się burzy Arase odnotował gwałtowny wzrost liczby ultra-relatywistycznych elektronów wewnątrz bariery. Przy energiach sięgających około 3 megaelektronwoltów, strumień elektronów wzrósł ponad 5000 razy w porównaniu z poziomem sprzed burzy.
Najpierw w dużej ilości pojawiły się elektrony o niższych energiach. Około pół doby później dołączyły do nich cząstki o wyższych energiach. Po upływie doby gwałtownie wzrosła liczba elektronów o energiach przekraczających 3 megaelektronwolty. Ta stopniowa sekwencja sugerowała, że elektrony nie zostały po prostu wepchnięte z zewnątrz. Zyskały energię lokalnie – bezpośrednio w ochronnym obszarze domniemanej „nieprzekraczalnej” bariery.
Kluczowe wnioski dla przyszłej eksploracji kosmosu
Wszystkie te dowody wskazują, że ubytki w plazmosferze Ziemi stworzyły idealne warunki dla wysokoenergetycznych elektronów. Powrót do stanu równowagi zajął całe miesiące. Satelita Arase rejestrował stopniowy spadek poziomu ultra-relatywistycznych elektronów aż do października 2024 roku, kiedy to w przestrzeń okołoziemską uderzyła kolejna burza słoneczna.
Odkrycie to wyraźnie pokazuje, że dynamika przestrzeni otaczającej naszą planetę jest znacznie bardziej skomplikowana, niż dotąd myśleliśmy. – Nasze wyniki podkreślają potrzebę lepszego zrozumienia i przewidywania zachowania wysokoenergetycznych elektronów w warunkach ekstremalnej pogody kosmicznej – podsumowuje Miyoshi. To odkrycie ma kluczowe znaczenie dla oceny ryzyka radiacyjnego dla statków kosmicznych oraz prognozowania pogody kosmicznej.
Źródło: Geophysical Research Letters
