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.