В обширни пояси около Земята частиците се ускоряват до скоростта на светлината
Когато гледаме небето, то пространството около Земята ни се струва спокойно, но там протичат много процеси, които не забелязваме. В последните години сондите, изучаващи излъчването, улавяно от магнитното поле на Земята, са открили нещо необикновено, а именно, че при определени условия електроните в така наречените пояси на Ван Алън се ускоряват до скорости, близки до скоростта на светлината. Учени от Немския център на геонауки GFZ са установили, че такова явление се наблюдава при намалена плазмена плътност в тези пояси. Резултатите от това изследване са публикувани в Science Advance.
Това не е нещо много учудващо. Електрони със скорост, близки до светлинната са добре известни в космоса, благодарение на процеси, ускоряващи космическите частици. Но интересното е защо по време едни слънчеви бури се появяват свръхбързи ултрарелативистки електрони, а при други не.
Екип от учени начело с космолога Хейли Елисън от Немския център на геонауки GFZ в Германия се заели да установят защо това се случва. Оказало се, че това е свързано с невидимите радиационни пояси, запълнени с частици около Земята. Изследователите са открили, че единствено ако плазмата в радиационния пояс е била значително изтощена, електроните могат да достигнат до тези ултрарелативистки скорости.
Официално тези радиационни пояси са известни като поясите на Ван Алън и са разположени в космическото пространство, сравнително близо до Земята. Вътрешният колан е разположен на височина приблизително между 640 до 9600 километра, а външният е приблизително между 13 500 до 58 000 километра. Това са областите, в които магнитното поле на Земята улавя радиационните частици на слънчевия вятър.
Тук на Земята тези области имат незабележимо влияние върху земния живот, освен ако по някаква причина не изчезнат и тогава слънчевият вятър ще ни бомбардира със заредени частици. Но важна част от тази област е на височина около 2000 километра, където са разположени болшинството от спътниците. Затова е полезно да се знае как космическото време влияе на появата на ултрарелативистки електрони. Електроните, ускоряващи се до такива високи скорости, стават опасни. Заради високата си енергия даже и най-добрата защита не може да бъде преграда за тях, а когато проникват в космически летателен апарат те могат да разрушат , намиращата се там чувствителна електроника.
Елисън и неговия екип са анализирали данните от двете сонди на Ван Алън на НАСА. Тези два космически апарата са изстреляни специално за изучаването на поясите на Ван Алън през 2012 година.
За това време сондите са регистрирали редица слънчеви бури, които са интензивни събития, при които изригванията на Слънцето попадат във вид на слънчев вятър и радиация върху земната магнитосфера.
Те са се опитали да изяснят защо едни от тези бури водят до появата на ултрарелативистки електрони, а при други – не. В частност, са искали да изследват плътността на плазмата в тези слоеве. На база данните от сондите на Ван Алън за плазмените вълни учените успели да определят плазмената плътност, която иначе е много трудно да бъде измерена директно. Плазмените вълни са колебания на електрическото и магнитното поле, които както е известно , оказват ускоряващо въздействие върху електроните, които могат да „летят“ върху тях, подобно на сърфист, използващ вълните за ускоряване. Оказало се,че плазмена плътност има основна роля върху ускоряването до ултрарелативистични енергии и това се случва само когато плътността на плазмата спадне до много ниски стойности (~ 10 cm – 3 ). Такава ниска плътност създава подходящи условия за локално дифузионно ускорение на електроните от стотици килоелектронволта до повече от 7 MeV. Предишните математически модели не са можели да възпроизведат локалното ускорение на електроните до толкова високи енергии, докато моделът на екипа на Алисън на база условията за екстремно изчерпване на плазмата предсказва ускорението до енергии по-големи от 7 MeV.
Както по-рано беше установено с помощта на сондите на Ван Алън, слънчевите бури възбуждат плазмените вълни около Земята, а сега се установи че те при определени условия ускоряват електроните до ултрарелативистки скорости.
