1 октября 2013
Сколково

Внесена ясность в природу радиационного пояса Земли

Международная группа астрофизиков во главе с профессором Сколтеха Юрием Шприцем определила природу недавно открытого третьего радиационного пояса Земли.

Радиационный пояс – это внутренняя область земной магнитосферы, в которой магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы. О результатах исследования ученые отчитались на страницах Nature Physics. Сколковский институт науки и технологий впервые был указан местом работы основного автора публикации в одном из журналов, входящих в Nature Publishing Group, которые наряду с Science принято считать самыми уважаемыми научными изданиями. В интервью sk.ru профессор Шприц рассказал о сути работы и ее прикладном значении.

Существование в космосе радиации было обнаружено первым же американским спутником «Эксплорер-1», запущенным в 1958-ом году. Установленный на аппарате счетчик Гейгера в один из моментов повел себя крайне странно, показав ноль. Вскоре стало понятно, что из-за уровня радиации прибор просто зашкалило. Так удалось выяснить, во-первых, что космос радиоактивен, и, во-вторых, что Земля окружена внутренним радиационным поясом, состоящим из электронов и протонов. Внешний пояс из электронов несколькими годами позже обнаружили советские спутники, летавшие дальше американских. С тех пор тезис о том, что Земля окружена двумя тороидальными радиационными поясами, вошел в учебники; этому учили специалистов по физике магнитосферы и инженеров, конструирующих космические аппараты. Состоящий из протонов внутренний пояс – удобное место для спутников, но они не могут там работать из-за сильной радиации.

Но недавно представление о том, что Земля окружена двумя радиационными поясами, пришлось серьезно корректировать. В августе прошлого года НАСА запустило два одинаковых специализированных спутника. Вместо ожидаемых двух поясов (ширина внутреннего соизмерима с радиусом Земли, то есть почти 6,5 тысяч км; ширина внешнего - от 3-х до 7-ми радиусов Земли) спутники обнаружили между ними еще одну загадочную структуру. Она напоминала тонкое кольцо, срок ее жизни составил около месяца. С помощью новых, очень точных приборов, гораздо более чувствительных, чем все прочие, исследователи установили: эта структура состоит из частиц с очень высокой энергией. Их называют еще ультрарелятивистскими электронами: скорость этих частиц настолько велика, что их кинетическая энергия прeвышает энергию покоя, а скорость - больше 99% скорости света. Эти наблюдения были описаны Дэном Бейкером из университета Колорадо и его коллегами в недавней статье в журнале Science.

В новой статье в Nature Physics мы объяснили механизм формирования и природу этого третьего пояса. Для этого мы использовали компьютерные программы, эффективность которых была доказана в предыдущих исследованиях двух известных радиационных поясов. За последние два десятилетия мы многое узнали про их динамику и происходящие в них процессы, у нас было достаточное количество статей в научных журналах, включая, кстати, и Nature.

Например, мы часто наблюдаем, что в начале магнитной бури большая часть внешнего пояса вдруг пропадает. В прошлом мы установили, что это происходит из-за того, что частицы «выбиваются» в межпланетное пространство. Но компьютерное моделирование этих процессов не давало нам картинку, подтверждающую существование нового радиационного пояса в дополнение к двум известным.

Изучив, как ведут себя сверхбыстрые частицы и чем они отличаются от обычных частиц, исследователи под руководством Юрия Шприца создали более реалистичную компьютерную модель поведения радиационных поясов. Видео предоставлено Ю. Шприцем

Мы стали искать объяснение и поняли, что ответ - во включении в компьютерную модель эффекта, оказываемого на частицы электромагнитными циклотронными волнами. Это плазменные и волны, производимые ионами, и обычно они не взаимодействую с частицами с низкой энергией, то есть теми, что находятся в первом и втором поясах. Но ультрарелятивистские электроны летят так быстро, что начинают вступать во взаимодействие с электромагнитными циклотронными волнами. И оказывается, что это взаимодействие выбрасывает эти частицы с высокой энергией в атмосферу. Из малого количества оставшихся электронов и формируется узкий третий радиационный пояс, который прожил примерно месяц до следующей большой солнечной бури.

- Понимание этих процессов в космосе имеет какое-то прикладное значение? 

- Конечно, ведь ультрарелятивистские электроны в силу своей скорости представляют серьезную угрозу для искусственных спутников Земли. Если от частиц с меньшей энергией можно защититься, например, сделав обшивку толще, то в случае с ультрарелятивистскими электронами этот рецепт не сработает – они все равно прошьют аппарат насквозь. Понимание того, как ведут себя такие частицы, позволит разрабатывать более защищенные спутники, причем делать это, соотнося стоимость аппаратов и их защиты. Выносить тонны алюминия в космос очень затратно. Если спутник не слишком дорогой и не критически важный, может быть, не имеет смысла тратить гигантские суммы на то, чтобы обезопасить его на 99.9%; определенный риск допустим. Оптимальный дизайн может уменьшить стоимость такого спутника во много раз. Иное дело, скажем, телекоммуникационные спутники, выход которых из строя может повлечь за собой катастрофические последствия.

Сколково: свежие публикации