Третье радиационное кольцо

Международная группа ученых под руководством выпускника МФТИ, профессора Сколковского института науки и технологий Юрия Шприца сказала новое слово в понимании природы и изменчивости радиационных поясов Земли.

Радиационные пояса Земли (в западной литературе их принято называть поясами Ван-Аллена) были открыты в 1958 году после полета первого американского спутника Explorer-I. В течение долгого времени считалось, что этих поясов, представляющих собой окружающие нашу планету тороиды, два. Внутренний пояс (на высоте около 4 тыс. км) состоит из протонов, внешний (17 тыс. км) — преимущественно из электронов.

«Джеймс Ван-Аллен был первым, кто понял, что космос радиоактивен, — рассказал «Газете.Ru» Юрий Шприц. — В августе 2012 года NASA запустило два спутника Van Allen Probes, которые обнаружили внутри радиационных поясов очень тонкое, четкое третье кольцо.

Это промежуточное кольцо, просуществовавшее около месяца, конечно, очень озадачило всех».

Ученым известно, что в околоземном пространстве присутствуют низкочастотные плазменные волны, колебания электрического и магнитного поля, которые называют низкочастотными хорами и шипением, слышимым на коротких волнах в радиоэфире. Эти волны способны как выбрасывать частицы радиационных поясов в атмосферу Земли, так и ускорять их до очень больших энергий. Но разогнанные до высоких скоростей частицы перестают быть в резонансе с этими волнами, и на них начинают действовать волны другого типа – ионно-циклотронные волны.

Теоретики под руководством Шприца смоделировали условия, предшествовавшие возникновению третьего радиационного пояса, и не нашли в нем ничего загадочного. «Мы поняли, что сначала был широкий внешний пояс, затем циклотронные волны во время шторма практически выбросили его частицы в атмосферу и он был потерян.

От него и осталось это тонкое колечко, и, поскольку его частицы не взаимодействовали с низкочастотным шипением, оно смогло прожить еще месяц», – рассказал Шприц.

Тем временем частицы из солнечного ветра продолжали пополнять внешний пояс, поэтому, когда Van Allen Probes были отправлены в космос, ученые увидели сразу три радиационных пояса.

Ученые уже давно занимаются моделированием радиационных поясов Земли.

Дело в том, что высокоэнергичные электроны способны прошивать обшивку спутников, накапливаться в полупроводниках и, вызывая разряд микромолнии, разрушать компоненты электроники.

Самые энергичные, ультрарелятивистские электроны, обладающие максимальной проникающей способностью, присутствуют во внутреннем и внешнем поясах, а третье, промежуточное кольцо состоит вообще исключительно из них. «Скорость их близка к скорости света, а энергия движения в несколько раз превосходит энергию покоя. Отличия в поведении ультрарелятивистских электронов и менее быстрых и оказались ключевым моментом нашего исследования», – пояснил Адам Келлерман из Калифорнийского университета, соавтор публикации.

В настоящее время Юрий Шприц является приглашенным профессором в Массачусетском технологическом институте, он участвует в создании Центра космических технологий Сколковского института науки и технологий, одним из направлений которого будет изучение влияния космической радиации на спутники и космонавтов.

В работе, опубликованной в журнале Nature Physics, приняли участие еще ряд ученых из России.

Это Дмитрий Субботин, выпускник физического факультета МГУ, работающий в UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анжелесе), Александр Дроздов, защитивший кандидатскую в Институте ядерной физики физфака МГУ, который недавно приехал в UCLA, Ксения Орлова, получившая престижную стипендию, чтобы работать в UCLA, и Мария Усанова, которая, работая в Канаде, наблюдала проявление циклотронных волн с помощью наземных магнитометров.

«Я надеюсь, что многие из них в скором времени захотят приехать в Сколтех и стать его сотрудниками», — добавил Шприц.