Μελέτη: η «αδιαπέραστη» ζώνη ακτινοβολίας της Γης ίσως σπάσει

Νέα στοιχεία δείχνουν ότι η εσωτερική ζώνη ακτινοβολίας της Γης δεν είναι πάντα αδιαπέραστη, καθώς κατά την εξαιρετικά ισχυρή ηλιακή καταιγίδα του Μαΐου 2024 καταγράφηκε επιτάχυνση ηλεκτρονίων σε ενέργειες megaelectronvolt εκεί όπου θεωρούταν ότι δεν έπρεπε να συμβαίνει. Τη μελέτη υπογράφει ομάδα με επικεφαλής τον διαστημικό φυσικό Yoshizumi Miyoshi από το Πανεπιστήμιο Nagoya και δημοσιεύθηκε στο Geophysical Research Letters.

Η Γη βρίσκεται μέσα στις ζώνες Van Allen, δύο δακτυλιοειδείς περιοχές του διαστήματος που περιέχουν ενεργητικά πρωτόνια και ηλεκτρόνια και συγκρατούνται από το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη. Η εξωτερική ζώνη αποτελείται κυρίως από ηλεκτρόνια που ενισχύονται από διεργασίες που τροφοδοτεί ο Ήλιος, ενώ πολλά από τα πρωτόνια της εσωτερικής ζώνης προέρχονται από σωματίδια που παράγονται όταν οι κοσμικές ακτίνες πλήττουν την ατμόσφαιρα της Γης.

Για περισσότερο από μία δεκαετία επικρατούσε η άποψη ότι η εσωτερική ζώνη λειτουργεί ως αδιαπέραστο φράγμα για τα υπερσχετικιστικά «killer» ηλεκτρόνια, εμποδίζοντάς τα να πλησιάσουν περισσότερο τη Γη. Τα νεότερα στοιχεία, όμως, δείχνουν ότι υπό τις σωστές συνθήκες η περιοχή αυτή δεν είναι τόσο ασφαλής όσο θεωρούταν.

Τα λεγόμενα «killer» ηλεκτρόνια αποτελούν εδώ και δεκαετίες σοβαρό πρόβλημα στη χαμηλή γήινη τροχιά. Μπορούν να επιταχυνθούν σχεδόν στην ταχύτητα του φωτός μέσω αλληλεπιδράσεων με ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο μαγνητικό περιβάλλον της Γης, ιδιαίτερα κατά τις γεωμαγνητικές καταιγίδες. Η ενέργειά τους είναι τόσο μεγάλη που μπορούν να διαπεράσουν την προστασία των δορυφόρων, να προκαλέσουν ζημιές σε ευαίσθητα ηλεκτρονικά συστήματα και να μειώσουν τη διάρκεια ζωής των διαστημικών σκαφών. Ενέχουν επίσης αυξημένο κίνδυνο ακτινοβολίας για τους αστροναύτες.

Το 2014, ερευνητές εντόπισαν ένα ιδιαίτερα απότομο όριο περίπου τρεις ακτίνες της Γης από το κέντρο του πλανήτη, πέρα από το οποίο τα πιο ενεργητικά ηλεκτρόνια σπάνια περνούσαν. Το φαινόμενο περιγράφηκε ως «αδιαπέραστο φράγμα», με την υπόθεση ότι ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε μια ζώνη ψυχρού πλάσματος γύρω από τη Γη διασκορπίζουν τα ηλεκτρόνια έξω από τις παγιδευμένες τροχιές τους και τα οδηγούν στην ατμόσφαιρα. Μαζί με την αργή εσωτερική μετακίνησή τους, αυτό φαινόταν να δημιουργεί ένα φυσικό όριο που τα κρατούσε μακριά.

Ωστόσο, ήδη από το 2018 άρχισαν να εμφανίζονται ρωγμές σε αυτή την εικόνα. Ερευνητές πρότειναν ότι το φράγμα ίσως δεν ήταν πραγματικό φράγμα, αλλά μια ψευδαίσθηση που δημιουργούσε η περιορισμένη διάρκεια των γεωμαγνητικών καταιγίδων. Τα ενεργητικά ηλεκτρόνια μπορούσαν να ωθηθούν προς τα μέσα από μεταβολές στο μαγνητικό πεδίο της Γης, αλλά οι καταιγίδες που τροφοδοτούσαν αυτή την κίνηση συνήθως έσβηναν πριν τα ηλεκτρόνια προχωρήσουν πολύ περισσότερο.

Το 2024, ερευνητές που ανέλυσαν παρατηρήσεις της περιόδου 1996-2006 διαπίστωσαν επίσης ότι ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται από κεραυνούς μπορούσαν να σπρώξουν τα killer ηλεκτρόνια, τα οποία είχαν ήδη παγιδευτεί στην εσωτερική ζώνη ακτινοβολίας, προς την ατμόσφαιρα της Γης. Τα ευρήματα αυτά έδειξαν ακόμη πιο καθαρά ότι megaelectronvolt ηλεκτρόνια υπήρχαν ήδη αρκετά βαθιά μέσα στο υποτιθέμενα αδιαπέραστο όριο.

Ακολούθησε, όμως, η υπερκαταιγίδα του Μαΐου 2024. Ο Ήλιος παρήγαγε μια σειρά εκλάμψεων και εκτινάξεων στεμματικής μάζας που έστειλαν δισεκατομμύρια τόνους μαγνητισμένου πλάσματος σε όλο το Ηλιακό Σύστημα. Στη Γη, το αποτέλεσμα ήταν γεωμαγνητική καταιγίδα κατηγορίας G5, η ισχυρότερη στην κλίμακα, τόσο έντονη ώστε τα αποτελέσματά της καταγράφηκαν ακόμη και στον βυθό του ωκεανού.

Η καταιγίδα μείωσε δραματικά το ψυχρό πλάσμα στη μαγνητόσφαιρα της Γης, δημιουργώντας ένα ασυνήθιστα αραιό περιβάλλον όπου μπορούσε να αναπτυχθεί ένα διαφορετικό είδος ηλεκτρομαγνητικού κύματος, το chorus. «Όταν μετατρέπεται σε ήχο, θυμίζει κελάηδημα πουλιού», λέει ο Miyoshi.

Αντί να διασκορπίζουν τα ηλεκτρόνια, όπως συμβαίνει συνήθως, τα κύματα αυτά φαίνεται ότι τα επιτάχυναν σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, μέσα ακριβώς στο «αδιαπέραστο» φράγμα.

Τα στοιχεία προήλθαν από τον ιαπωνικό δορυφόρο Arase, ο οποίος παρακολουθεί τις ζώνες ακτινοβολίας από το 2017. Κατά τη φάση αποκατάστασης της καταιγίδας, ο Arase κατέγραψε θεαματική αύξηση υπερσχετικιστικών ηλεκτρονίων μέσα από το φράγμα. Σε ενέργειες γύρω στα 3 megaelectronvolts, η ροή των ηλεκτρονίων αυξήθηκε περισσότερο από 5.000 φορές σε σχέση με τα επίπεδα πριν από την καταιγίδα.

Ιδιαίτερη σημασία είχε και η χρονική εξέλιξη αυτής της αύξησης. Πρώτα εμφανίστηκαν περισσότερα ηλεκτρόνια χαμηλότερης ενέργειας. Περίπου μισή ημέρα αργότερα ακολούθησαν ηλεκτρόνια υψηλότερης ενέργειας. Και περίπου μία ημέρα μετά την αρχική αύξηση, αυξήθηκε και ο αριθμός των ηλεκτρονίων με ενέργεια πάνω από 3 megaelectronvolts.

Αυτή η διαδοχική εξέλιξη δείχνει ότι τα ηλεκτρόνια δεν μεταφέρθηκαν απλώς προς τα μέσα από αλλού. Φαίνεται ότι κέρδιζαν ενέργεια εκείνη τη στιγμή, μέσα στην περιοχή που θεωρούταν προστατευμένη.

Ο Miyoshi και οι συνεργάτες του βρήκαν επιπλέον ενδείξεις στην κατανομή των ηλεκτρονίων, η οποία σχημάτιζε σαφή κορύφωση κοντά στο όριο του φράγματος. Αυτό το μοτίβο δύσκολα εξηγείται μόνο με εσωτερική μεταφορά, αλλά ταιριάζει με ηλεκτρόνια που επιταχύνονται τοπικά πριν εξαπλωθούν προς τα μέσα και προς τα έξω.

Συνολικά, τα ευρήματα δείχνουν ότι η αραίωση του ψυχρού πλάσματος δημιούργησε τις κατάλληλες συνθήκες ώστε τα ηλεκτρόνια να συμπεριφερθούν με τρόπο που συνήθως παρατηρείται μόνο πιο μακριά από τη Γη. Η αποκατάσταση κράτησε μήνες. Ο Arase συνέχισε να καταγράφει μειούμενα επίπεδα υπερσχετικιστικών ηλεκτρονίων έως τον Οκτώβριο του 2024, όταν μια νέα ηλιακή καταιγίδα έπληξε εκ νέου τον κοντινό στη Γη χώρο.

Ο Miyoshi λέει ότι η ανακάλυψη υπογραμμίζει την ανάγκη να κατανοήσουμε και να προβλέψουμε πώς συμπεριφέρονται τα ενεργητικά ηλεκτρόνια υπό ακραίες συνθήκες διαστημικού καιρού. «Αυτή η γνώση είναι σημαντική για την εκτίμηση των κινδύνων ακτινοβολίας για τα διαστημόπλοια και για τη βελτίωση των μελλοντικών προβλέψεων του διαστημικού καιρού».

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Geophysical Research Letters.

Πηγή: sciencealert.com.