"Nieprzenikalna bariera" Ziemi została naruszona. Badacze sprawdzili, jak to się stało

Zorza polarna, Jezioro Sarbsko koło Łeby (10.10)

Źródło wideo: Kontakt24 / Może zorzę / Mateusz Możuch

Źródło zdj. gł.: Maciek/ Kontakt 24

W 2014 roku naukowcy po raz pierwszy opisali "nieprzenikalną barierę" Ziemi, zatrzymującą ultrarelatywistyczne elektrony, zwane potocznie "zabójczymi". Są to cząstki obdarzone ogromną energią, które potrafią przedostawać się przez osłony satelitów i uszkadzać ich podzespoły. Dane zebrane dzięki prowadzonej przez NASA misji Van Allen Probes wskazywały, że w wewnętrznej części magnetosfery, mniej więcej trzy promienie Ziemi od jej środka, elektrony te napotykają wyraźną granicę, której zazwyczaj nie przekraczają w kierunku

Od tamtej pory naukowcy badają możliwości i ograniczenia "nieprzenikalnej bariery". Wcześniejsze obserwacje pokazywały, że czasami liczba "zabójczych elektronów" może wzrastać po wewnętrznej stronie bariery, ale nie wiadomo było, co stoi za tym procesem. Odpowiedzi na to pytanie dostarczyła gigantyczna burza geomagnetyczna, która w maju 2024 roku doprowadziła do powstania spektakularnych zórz polarnych. To, co działo się podczas niej, opisuje badanie opublikowane w "Geophysical Research Letters".

"Zabójcze" elektrony wewnątrz bariery

W trakcie superburzy i tuż po niej dane z wnętrza "nieprzenikalnej bariery" zbierała japońska sonda kosmiczna Arase. W fazie ustępowania zjawiska zarejestrowała ona obecność dużej liczby ultrarelatywistycznych elektronów o wysokiej energii, poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Niektóre cząstki dysponowały energią wystarczającą, by przebić się przez osłony satelitarne.

Wydawało się, że "nieprzenikalna bariera" została przełamana, a naukowcy zaczęli się zastanawiać, w jaki sposób do tego doszło. Jak wyjaśnił kierownik badania, profesor Yoshizumi Miyoshi z Uniwersytetu w Nagoi, kluczowym zagadnieniem było to, w jaki sposób wysokoenergetyczne elektrony znalazły się wewnątrz bariery - czy zostały przetransportowane z zewnątrz, czy też zostały przyspieszone bliżej Ziemi.

W tym celu badacze przyjrzeli się rozmieszczeniu elektronów i ich energii. Jak zauważyli, najpierw pojawiło się wiele elektronów o niższej energii, następnie zaczęto wykrywać bardziej energetyczne cząstki. Po kilkunastu godzinach gwałtownie wzrosła również liczba "zabójczych elektronów". Sugerowało to, że cząstki rozpędzały się i nabierały energii wewnątrz bariery, a nie napływały z zewnątrz.

Sprzyjające warunki pogodowe

Odkrycie zrodziło kolejne pytanie - jaki czynnik sprawił, że elektrony zaczęły przyspieszać? Jak się okazało, pod koniec burzy sonda Arase zarejestrowała także silne fale elektromagnetyczne o charakterystycznych zmianach częstotliwości zwane falami chóralnymi. W odpowiednich warunkach mogą one przekazywać energię elektronom. W tym przypadku burza geomagnetyczna mocno osłabiła plazmosferę, czyli obszar gęstej, stosunkowo chłodnej plazmy otaczającej Ziemię. Dzięki temu powstały warunki sprzyjające powstawaniu fal chóralnych i przyspieszaniu elektronów.

Z badania wynikało, że powrót do normy trochę potrwał - zazwyczaj plazmosfera odbudowuje się w około dwa dni, ale w maju 2024 r. prawie pięć dni po burzy w obserwowanym miejscu odnowiła się zaledwie jej połowa. Stworzyło to dalsze korzystne warunki do pojawiania się wysokoenergetycznych elektronów. Sonda obserwowała spadające poziomy "zabójczych elektronów" aż do października 2024 r., kiedy to Ziemię nawiedziła kolejna burza słoneczna.

Miyoshi stwierdził, że wyniki pokazują, iż nawet obszary przestrzeni kosmicznej w pobliżu Ziemi, które wcześniej uważano za dobrze chronione przed elektronami o ekstremalnie wysokiej energii, mogą być wrażliwe na gwałtowną kosmiczną pogodę.

- Nasze odkrycie pokazuje, że musimy lepiej poznać i przewidywać zachowania wysokoenergetycznych elektronów podczas ekstremalnych warunków pogody kosmicznej. Taka wiedza jest ważna dla oceny zagrożeń promieniowaniem dla satelitów i statków kosmicznych oraz poprawy dokładności prognoz podobnych zjawisk - powiedział.