Naukowcy z UCLA odkryli nowe źródło superszybkich, energetycznych elektronów spadających na Ziemię, zjawiska, które przyczynia się do powstawania barwnej zorzy polarnej, ale stanowi również zagrożenie dla satelitów, statków kosmicznych i astronautów.
Naukowcy zaobserwowali nieoczekiwane, szybkie „wytrącanie elektronów” z niskiej orbity okołoziemskiej za pomocą misji ELFIN, pary maleńkich satelitów zbudowanych i eksploatowanych na terenie kampusu UCLA przez studentów studiów licencjackich i magisterskich kierowanych przez niewielki zespół mentorów.
Łącząc dane z ELFIN z bardziej odległymi obserwacjami z sondy NASA THEMIS, naukowcy ustalili, że nagła ulewa została spowodowana przez fale gwizdka, rodzaj fali elektromagnetycznej, która faluje przez plazmę w kosmosie i wpływa na elektrony w magnetosferze Ziemi, powodując ich ” rozlać się do atmosfery.
Ich odkrycia, opublikowane 25 marca w czasopiśmie Nature Communications, pokazują, że fale gwizdów są odpowiedzialne za znacznie więcej deszczu elektronów niż przewidują obecne teorie i modele pogody kosmicznej.
„ELFIN jest pierwszym satelitą, który mierzy te superszybkie elektrony” – powiedziała Xiaojia Zhang, główny autor i badacz na wydziale nauk o Ziemi, planetarności i kosmosie UCLA. „Misja dostarcza nowych spostrzeżeń ze względu na swój wyjątkowy punkt obserwacyjny w łańcuchu wydarzeń, które je produkują”.
Centralnym elementem tego łańcucha zdarzeń jest środowisko kosmiczne w pobliżu Ziemi, które jest wypełnione naładowanymi cząstkami krążącymi w gigantycznych pierścieniach wokół planety, zwanych pasami radiacyjnymi Van Allena. Elektrony w tych pasach poruszają się po spiralach podobnych do Slinky, które dosłownie odbijają się między północnym i południowym biegunem Ziemi. W pewnych warunkach w pasach radiacyjnych generowane są fale gwizdka, które pobudzają i przyspieszają elektrony. To skutecznie rozciąga drogę przemieszczania się elektronów tak bardzo, że wypadają one z pasów i wytrącają się do atmosfery, tworząc deszcz elektronów.
Można sobie wyobrazić pasy Van Allena jako duży zbiornik wypełniony wodą – lub, w tym przypadku, elektronami, powiedział Vassilis Angelopolous, profesor fizyki kosmicznej UCLA i główny badacz ELFIN. Gdy zbiornik się napełnia, woda okresowo spływa spiralnie do odpływu ulgowego, aby zapobiec przepełnieniu zbiornika. Ale kiedy w zbiorniku pojawiają się duże fale, bryzgająca woda przelewa się przez krawędź, szybciej i w większej objętości niż drenaż reliefowy. ELFIN, który znajduje się za obydwoma przepływami, jest w stanie właściwie zmierzyć udział każdego z nich.
Pomiary deszczu elektronów na małej wysokości wykonane przez ELFIN, w połączeniu z obserwacjami THEMIS fal gwizdów w kosmosie i zaawansowanym modelowaniem komputerowym, pozwoliły zespołowi szczegółowo zrozumieć proces, w którym fale powodują szybki przepływ elektronów do atmosfery.
Odkrycia są szczególnie ważne, ponieważ obecne teorie i modele pogody kosmicznej, chociaż uwzględniają inne źródła elektronów wpadających do atmosfery, nie przewidują tego dodatkowego przepływu elektronów wywołanego falą gwizdka, który może wpływać na chemię atmosfery Ziemi, stwarzać zagrożenie dla statków kosmicznych i powodować niewielkie uszkodzenia. – satelity na orbicie.
Naukowcy wykazali ponadto, że ten rodzaj utraty elektronów z pasa radiacyjnego do atmosfery może znacznie wzrosnąć podczas burz geomagnetycznych, zaburzeń spowodowanych zwiększoną aktywnością słoneczną, które mogą wpływać na przestrzeń bliską Ziemi i ziemskie środowisko magnetyczne.
„Chociaż powszechnie uważa się, że przestrzeń kosmiczna jest oddzielona od naszej górnej atmosfery, obie są ze sobą nierozerwalnie związane” – powiedział Angelopoulos. „Zrozumienie, w jaki sposób są one połączone, może przynieść korzyści satelitom i astronautom przejeżdżającym przez region, które mają coraz większe znaczenie dla handlu, telekomunikacji i turystyki kosmicznej”.
Od momentu powstania w 2013 r. ponad 300 studentów UCLA pracowało nad ELFIN (dochodzenie w sprawie strat elektronów i pól), które jest finansowane przez NASA i Narodową Fundację Nauki. Dwa mikrosatelity, każdy wielkości bochenka chleba i ważący około 8 funtów, zostały wystrzelone na orbitę w 2018 roku i od tego czasu obserwują aktywność elektronów energetycznych i pomagają naukowcom lepiej zrozumieć skutki burz magnetycznych w pobliżu -Ziemia przestrzeń. Satelity są obsługiwane z Centrum Operacyjnego Misji UCLA na terenie kampusu.