Геофизики изучили космические хоры в радиационном поясе Земли

Ученые из Полярного геофизического института исследуют низкочастотные сигналы, которые способны влиять на радиационный пояс Земли. Прогноз поведения пояса позволит минимизировать вред от космической радиации для спутников и космонавтов. В будущем ученые видят возможность искусственно влиять на радиационный пояс. Одна из статей по результатам исследований опубликована в журнале Geophysical Research Letters. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Магнитное поле Земли влияет на потоки заряженных частиц от Солнца — солнечный ветер — заставляя их менять траекторию. Возникающие при этом электрические поля ускоряют заряженные частицы. Эти частицы накапливаются в околоземном космосе, поскольку геомагнитное поле образует для них гигантскую магнитную ловушку. Наиболее энергичные частицы (с энергией порядка мегаэлектрон-вольта и более) образуют радиационные пояса Земли. Их радиационная опасность зависит от количества и энергии. Ускоренные заряженные частицы проникают сквозь защиту скафандров и космических аппаратов, нанося вред здоровью космонавтов и повреждая ценную аппаратуру. В спокойные периоды их основное скопление находится выше траектории полета космических станций, однако во время магнитных бурь энергичные частицы могут опускаться вплоть до верхних слоев атмосферы.

За изменение концентрации энергичными электронами радиационных поясов Земли отвечают волны очень низкочастотного (ОНЧ) диапазона: от 3 до 30 килогерц. В этом диапазоне существуют так называемые хоровые излучения (хоры) — короткие импульсы, по звуку напоминающие птичьи трели. Эти сигналы генерируются в области радиационного пояса, а механизм их создания до сих пор вызывает споры среди исследователей.

Сегодня данных для изучения ОНЧ-излучений накоплено много, однако случаи наблюдений, когда одинаковые сигналы наблюдаются хотя бы в двух разных точках пространства, достаточно редки, а для хоровых сигналов — уникальны.

«Несмотря на более чем пятидесятилетнюю историю изучения и десятки публикаций только за последние пять лет, до сих пор никому не удавалось наблюдать одну и ту же последовательность хоровых элементов на земле и в магнитосфере. Нам впервые удалось найти такое событие, используя данные наземных измерений в Финляндии и спутников Van Allen Probes», — рассказал Андрей Демехов.

Зарегистрировав хоры на Земле и на спутнике, ученые обнаружили, что хоровые сигналы могут достигать поверхности Земли, отражаться от нее и возвращаться в область их генерации на расстояниях в десятки тысяч километров. При этом сложная последовательность хоров, позволяющая воздействовать на электроны, практически не искажается. Формирование и изменение во времени таких сигналов и особенности их воздействия на заряженные частицы – основные вопросы, на решение которых направлена работа ученых.

Фото: спектрограммы хоровых элементов, зарегистрированных на Земле (вверху) и на спутнике Van Allen Probe A (RBSP-A, внизу). Запись наземных данных сдвинута на 1,3 с, т.е. сигналы сначала были приняты наземной станцией (Каннуслехто, Финляндия), и лишь спустя 1,3 с – на спутнике. Цветовая шкала обозначает спектральную плотность энергии волн. Из статьи Demekhov A.G. et al. (2017), Geophys. Res. Lett., doi:10.1002/2017GL076139

В последнее время интенсивно обсуждаются перспективы активного воздействия на радиационные пояса (их «очистки») посредством электромагнитных сигналов искусственного происхождения. Сгенерировав низкочастотный сигнал с подходящими свойствами, можно было бы «выбивать» заряженные частицы из магнитных ловушек и тем самым уменьшать радиацию в некоторой области пространства. Но действия даже самой мощной из существующих установок хватит лишь на кратковременный и локальный эффект. Поэтому необходимо хотя бы научиться прогнозировать периоды возрастания радиации, что позволит вовремя включать дополнительную защиту или выключать наиболее чувствительные приборы в космосе.