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).
"Если мы сможем понять механизмы генерации и
распространения в магнитосфере таких сигналов и их взаимодействие с
энергичными заряженными частицами, это позволит нам в перспективе лучше
прогнозировать возрастание потоков радиации на разных высотах. А
научившись их прогнозировать, мы сможем вовремя включать дополнительную
защиту или просто выключать наиболее чувствительные приборы, и это
поможет нам лучше защитить аппаратуру и людей, которые работают в
космосе", - сообщил главный научный сотрудник Полярного геофизического
института, доктор физико-математических наук Андрей Демехов.
Магнитное
поле Земли влияет на потоки заряженных частиц - протонов и электронов -
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 - это в миллионы
раз больше энергии основной доли частиц) образуют радиационные пояса
Земли. Их радиационная опасность зависит от количества заряженных частиц
и их энергии. Ускоренные (энергичные) 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 - "высыпаться" в атмосферу.
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 (элементы), по звуку напоминающие птичьи
трели. Если вывести их на радиоприемник, мы услышим высокие отрывистые
свистки, как правило, быстро повышающиеся по частоте. Эти сигналы
создаются в области радиационного пояса, а механизм их создания до сих
пор вызывает споры среди исследователей.
При помощи таких
сигналов передается энергия между ускоренными электронами: частицы с
меньшими энергиями генерируют волны, а с большими - поглощают их. Что
позволяет последним разогнаться до скоростей света. Таких электронов
относительно мало, но именно они представляют опасность для космической
аппаратуры. Пока одни электроны ускоряются и взаимодействию с волнами,
другие "высыпаются" из геомагнитной ловушки в атмосферу. Найти общий
баланс между ускорением и потерями частиц - сложная задача.
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, то есть 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.
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.
Как
известно, космос и планеты постоянно "шумят", посылая огромное
количество излучений на разных частотах. Однако не все эти сигналы
сливаются в монотонное шипение, одинаковое во всех направлениях.
Возникновение сигналов в узком частотном диапазоне, в частности хоровых
излучений, можно рассматривать как пример самоорганизации в системе
космоса, поэтому исследование их природы представляет большой интерес с
точки зрения фундаментальной науки. Их описание - непростая задача,
учитывая, что система обладает сложным характером нелинейности. Помимо
того, что низкочастотные электромагнитные волны регулируют динамику
радиационных поясов Земли, они формируют электромагнитную обстановку в
околоземном и околопланетном пространстве. Генерируемые электромагнитные
сигналы несут важную диагностическую информацию.
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.
Исследования
ведутся совместно с коллегами из Института прикладной физики Российской
академии наук (ИПФ РАН), Института физики атмосферы АН Чехии, факультета
математики и физики Карлова университета в Праге и Геофизической
обсерватории Соданкюля в Финляндии.
Геофизики изучили космические хоры в радиационном поясе Земли
Геофизики изучили космические хоры в радиационном поясе Земли
Геофизики изучили космические хоры в радиационном поясе Земли