Područje oko Zemlje koje su znanstvenici nazvali „neprobojnom barijerom” tijekom snažne geomagnetske oluje ispunili su elektroni iznimno visokih energija. Mjerenja japanskog satelita Arase sada upućuju na objašnjenje: elektroni nisu morali prijeći barijeru izvana, nego su se ubrzavali unutar nje.
Međunarodni tim analizirao je oluju iz svibnja 2024. i utvrdio gdje se razvila nova populacija elektrona s energijama od nekoliko milijuna elektronvolta. Takve čestice mogu oštetiti satelitsku elektroniku, pa je važno znati ne samo kamo putuju nego i gdje dobivaju energiju.
Yoshizumi Miyoshi i suradnici rezultate su objavili 26. listopada u časopisu Geophysical Research Letters. Prema izvješću japanske svemirske agencije JAXA, zabilježeni rast najbolje se objašnjava lokalnim ubrzavanjem elektrona u neuobičajenim uvjetima koje je stvorila oluja.
Barijera nije čvrsta ljuska oko planeta
Zemljino magnetsko polje zadržava nabijene čestice u Van Allenovim radijacijskim pojasevima. Vanjski pojas vrlo je promjenjiv: tijekom solarnih oluja broj elektrona i njihove energije mogu se naglo povećati ili smanjiti.
Elektroni najviših energija obično ne prodiru dublje u unutarnju magnetosferu. Granica iza koje ih je vrlo malo dobila je 2014. naziv „neprobojna barijera”. To nije materijalna prepreka, nego izmjerena granica njihova rasporeda, povezana s prijenosom i gubitkom čestica u Zemljinu magnetskom okolišu.
Već su ranije ekstremne oluje pokazale da se takvi elektroni ipak mogu pojaviti bliže Zemlji. Ostalo je nejasno jesu li stigli iz udaljenijih područja ili su ondje već prisutni elektroni naknadno dobili veliku energiju.
Arase je pratio više od broja čestica
Satelit Arase istodobno mjeri elektrone različitih energija, magnetsko polje, valove u plazmi i njezinu gustoću. Ta kombinacija omogućuje praćenje procesa koji mijenjaju radijacijske pojaseve, a ne samo bilježenje njihova završnog stanja.
Tim je najprije pregledao mjerenja od 2017. Tijekom uobičajenih poremećaja elektroni iznimno visokih energija uglavnom su ostajali izvan barijere. Za oluje u svibnju 2024. njihov je broj, međutim, snažno porastao i unutar nje, pri energijama oko tri megaelektronvolta.
Samo povećanje broja ne bi otkrilo odakle su elektroni došli. Istraživači su zato analizirali kako su raspoređeni prema položaju i gibanju, koristeći veličinu poznatu kao gustoća u faznom prostoru. U ranoj fazi oporavka od oluje pojavio se izražen lokalni maksimum koji je nastavio rasti.
Takav novi maksimum ne može se jednostavno objasniti dotokom elektrona izvana. On pruža snažan dokaz da su se elektroni ubrzavali na tom mjestu. Sljedećih dana tako ubrzana populacija postupno se širila i prema Zemlji i prema vanjskim dijelovima magnetosfere.
Valovi su mogli prenijeti energiju elektronima
Arase je u približno istom području zabilježio snažne elektromagnetske valove koji se nazivaju chorus. Nastaju prirodno u plazmi, a u odgovarajućim uvjetima mogu predavati energiju elektronima i ubrzavati ih.
Oluja je pritom snažno smanjila plazmasferu, područje razmjerno hladne i guste plazme oko Zemlje. Njezin je oporavak bio usporen, vjerojatno i zbog smanjene gustoće elektrona u ionosferi. Time su se dulje zadržali uvjeti male gustoće plazme, povoljni za djelovanje valova u području u kojem su inače slabi ili ih nema.
Istodobna mjerenja čestica, valova i plazme podupiru tumačenje da su upravo ti valovi važan dio mehanizma ubrzavanja. Nalaz se odnosi na radijacijski okoliš u svemiru i rizik za letjelice, a ne na novu izravnu opasnost za ljude na Zemljinoj površini.
Ista je oluja potaknula i nagli gubitak elektrona iz vanjskog Van Allenova pojasa, što je analizirano u zasebnom istraživanju. Ubrzavanje, prijenos i gubitak čestica različiti su dijelovi istog promjenjivog sustava. Istraživači sada žele utvrditi koliko dugo nova populacija elektrona ostaje blizu Zemlje i u kojim se uvjetima sličan proces može ponoviti.
