Existují biliony nabitých částic – protony a elektrony, základní stavební bloky hmoty – v jakémkoli daném okamžiku se rozběhnou nad hlavou. Tyto vysoce energetické částice, které mohou cestovat téměř rychlostí světla, obvykle zůstávají tisíce kilometrů od Země, uvězněné tam tvarem magnetického pole Země.
Občas se však stane událost, která je může vyrazit z místa a posílat elektrony prší do zemské atmosféry. Tyto vysoce energetické částice ve vesmíru tvoří tzv. Radiační pásy Van Allen a jejich objev byl jedním z prvních kosmických věků. A Nová studie Z mého výzkumného týmu zjistil, že elektromagnetické vlny generované bleskem mohou tyto elektronové sprchy spustit.
Krátká lekce historie
Na začátku kosmického závodu v 50. letech 20. století byli profesor James Van Allen a jeho výzkumný tým na University of Iowa pověřeni budováním experimentu, aby létal na prvním satelitu Spojených států, Průzkumník 1.. Navrhli senzory pro studium kosmického záření, které je způsobeno vysoce energetickými částicemi pocházejícími z slunce, Milky Way Galaxie, nebo dále.
Po spuštění průzkumníka 1 však všimli, že jejich nástroj detekuje výrazně vyšší hladiny záření, než se očekávalo. Zdálo se, že spíše než měření vzdáleného zdroje záření mimo naši sluneční soustavu měří místní a extrémně intenzivní zdroj.
Toto měření vedlo k objevu radiačních pásů Van Allen, dvěma oblastmi ve tvaru vysoké energie elektronů a iontů obklopujících planetu.
Vědci se domnívají, že vnitřní radiační pás, vrchol asi 1 000 km od Země, se skládá z elektronů a vysokoenergetických protonů a je v průběhu času relativně stabilní.
Vnější radiační pás, asi třikrát dále, se skládá z vysokoenergetických elektronů. Tento pás může být vysoce dynamický. Jeho umístění, hustota a obsah energie se mohou výrazně lišit v hodině v reakci na sluneční aktivitu.
Objev těchto oblastí s vysokou radiací není jen zajímavým příběhem o prvních dnech kosmického závodu; Slouží také jako připomínka, že mnoho vědeckých objevů došlo ke šťastné nehodě.
Je to lekce pro experimentální vědce, včetně mě, aby si udrželi otevřenou mysl při analýze a hodnocení dat. Pokud data neodpovídají našim teoriím nebo očekáváním, možná bude nutné tyto teorie revidovat.
Naše zvědavá pozorování
Zatímco učím historii kosmického závodu v kurzu vesmírné politiky na University of Colorado, Boulder, jen zřídka ji spojuji s vlastní zkušeností jako vědec zkoumající radiační pásy Země. Nebo alespoň donedávna ne.
Ve studii vedené Maxem Feinlandem, vysokoškolským studentem v mé výzkumné skupině, jsme narazili na některá z našich vlastních neočekávaných pozorování radiačních pásů Země. Naše zjištění nás přiměla přehodnotit naše chápání vnitřního záření zemského a procesu, které jej ovlivňují.
Původně jsme se rozhodli hledat velmi rychlé-subsekundové-výbuchy vysoce energetických elektronů vstupujících do atmosféry z vnějšího záření, kde jsou obvykle pozorovány.
Mnoho vědců se domnívá, že typ elektromagnetické vlny známé jako „sbor“ může tyto elektrony vyřadit z pozice a poslat je do atmosféry. Říká se jim vlny Chorus kvůli jejich zřetelnému zvukovému zvuku, když poslouchají na rádiovém přijímači.
Feinland vyvinul algoritmus pro vyhledávání těchto událostí po desetiletích měření ze satexu Sampex. Když mi ukázal spiknutí s místem všech událostí, které zjistil, všimli jsme si, že řada z nich nebyla tam, kde jsme očekávali. Některé události mapovaly spíše na vnitřní radiační pás než na vnější pás.
Toto zjištění bylo zvědavé ze dvou důvodů. Za prvé, vlny sboru nejsou v této oblasti převládající, takže něco jiného muselo tyto elektrony třese.
Dalším překvapením bylo najít elektrony tento energický ve vnitřním záření. Měření z mise Van Allen sondy NASA vyvolala obnovený zájem o vnitřní radiační pás. Pozorování z sond Van Allen naznačovala, že vysoce energetické elektrony nejsou v tomto vnitřním záření často přítomny, alespoň ne během prvních několika let této mise, od roku 2012 do roku 2014.
Naše pozorování nyní ukázala, že ve skutečnosti jsou chvíle, kdy vnitřní pás obsahuje vysokoenergetické elektrony. Jak často je to pravda a za jakých podmínek zůstává otevřené otázky k prozkoumání. Tyto vysoce energetické částice mohou poškodit kosmickou loď a poškodit lidi ve vesmíru, takže vědci musí vědět, kdy a kde jsou v prostoru přítomni, aby lépe navrhli kosmickou loď.
Určování viníku
Jeden ze způsobů, jak rušit elektrony ve vnitřním záření a nakopat do zemské atmosféry, ve skutečnosti začíná v samotné atmosféře.
Lightning, velké elektromagnetické vypouštění, které rozsvítí oblohu během bouřky, mohou ve skutečnosti generovat elektromagnetické vlny známé jako blesky generované whistlers.
Tyto vlny pak mohou cestovat atmosférou do vesmíru, kde interagují s elektrony ve vnitřním záření – stejně jako vlny sboru interagují s elektrony ve vnějším záření.
Abychom otestovali, zda blesk byl za našimi detekcemi vnitřního záření, ohlédli jsme se zpět na elektronové výbuchy a porovnali je s údaji o bouřce. Zdálo se, že některá blesková činnost korelovala s našimi elektronovými událostmi, ale většina z toho nebyla. Konkrétně pouze blesk, ke kterému došlo hned po tzv. Geomagnetických bouřích, vedly k detekovaným výbuchům elektronů.
Geomagnetické bouře jsou narušením vesmírného prostředí blízkého země často způsobené velkými erupcemi na slunečním povrchu. Tato sluneční aktivita, pokud je směrována na Zemi, může produkovat to, co vědci nazývají kosmické počasí. Prostorové počasí může mít za následek ohromující Auroras, ale může také narušit operace satelitního a výkonu.
Zjistili jsme, že kombinace počasí na Zemi a počasí ve vesmíru produkuje jedinečné elektronové podpisy, které jsme pozorovali v naší studii. Sluneční aktivita narušuje radiační pásy Země a naplňuje vnitřní pás velmi vysokoenergetickými elektrony, pak blesk interaguje s těmito elektrony a vytváří rychlé výbuchy, které jsme pozorovali.
Tyto výsledky poskytují pěknou připomínku propojené povahy Země a prostoru. Byli mi také vítanou připomínkou o často nelineárním procesu vědeckého objevu.
Lauren Blum je docentem atmosférické a vesmírné fyziky, University of Colorado Boulder. Tento článek je znovu publikován z Konverzace.
Publikováno – 28. února 2025 14:58
