Миссия Cluster раскрыла механизм формирования электронов высокой энергии.

В течение последних пяти лет серия открытий в рамках программы Cluster, состоящей из нескольких космических аппаратов (см. рис.), значительно расширила наши понимание о том, как, где и при каких условиях образуются эти электроны в магнитосфере Земли.

общий вид аппаратов Cluster

Более ранние измерения на спутниках обнаружили существование двух устойчивых колец энергичных частиц вокруг нашей планеты. Обычно называемые «радиационные пояса Ван Аллена» (Van Allen radiation belts, см. на рис.), они содержат частицы, захваченные магнитным полем Земли. Наблюдения показали, что внутренний пояс содержит довольно стабильную популяцию протонов, тогда как внешний состоит из электронов, количество которых может меняться. Некоторые из электронов внешнего пояса могут ускоряться до высоких энергий, и тем самым, становиться исследуемыми «электронами-убийцами», проникающими через толстые защитные слои и повреждающие чувствительную электронику спутников. Также они представляют угрозу и для людей.

радиационные пояса Ван Аллена

В течение долгого времени ученые пытались понять, почему количество заряженных частиц в поясах меняется так сильно. Основной прорыв здесь произошел тогда, когда две солнечные вспышки произошли последовательно, в октябре и ноябре 2003 года. Во время вспышек, часть пояса Ван Аллена потеряла свои электроны и затем сформировалась гораздо ближе к Земле, в той области, которая традиционно считалась относительно безопасной для спутников.

При такой перестройки сработала так называемая «радиальная диффузия», вызывающая ускорения частиц. В данной теории силовые линии магнитного поля Земли рассматриваются как эластичные нити, которые могут колебаться при внешнем воздействии. Если колебание происходит с той же частотой, с какой частицы дрейфуют вокруг Земли, тогда они движутся поперек магнитного поля и потому ускоряются. Всем процессом управляет солнечная активность.

Группа европейских и американских ученых под руководством Ричарда Хорна (Richard Horne) использовала данные миссии Cluster и с наземных приемников в Антарктике, чтобы показать, что описанные колебания - волны сверхнизкой частоты - действительно вызывают ускорение частиц. Такие волны, названные «хором», являются электромагнитным излучением в слышимом диапазоне. Они состоят из отдельных элементов короткой длительности (короче одной секунды) и звучат как хор птиц на рассвете.

Оказалось, что количество электронов с высокой энергией действительно возрастает в тысячи раз при прохождении пика магнитной бури и в последующие несколько дней. Кроме того, интенсивная солнечная активность сдвигает внешний пояс ближе к Земле, подвергая спутники более жесткому воздействию, чем они рассчитаны.

До этого открытия некоторые ученые сомневались в том, что такие волны достаточно сильны для перестройки внешнего радиационного пояса. Теперь, благодаря исследованиям миссии Cluster, было показано, что при определенных геофизических условиях такое возможно. Также, благодаря возможности вести одновременное измерение во многих точках пространства, впервые были оценены характерные размеры области источника волн: несколько сотен километров в направлении, перпендикулярном магнитному полю Земли, и несколько тысяч километров – в параллельном направлении.

Из-за того, что число космических технологий и средств коммуникации постоянно растет, проведенные исследования имеют большую важность.