В бескрайних просторах космоса, всего в нескольких тысячах километрах над нашими головами, разворачивается титаническая битва невидимых сил. Речь идёт о радиационных поясах Ван Аллена — двух гигантских кольцах заряженных частиц, удерживаемых магнитным полем Земли. Внешний пояс, наполненный ультрарелятивистскими электронами, движущимися со скоростью, близкой к световой, представляет смертельную угрозу для спутников, космических станций и астронавтов. Однако новое исследование учёных из MIT, Университета Колорадо и других институтов раскрыло удивительный феномен: существует невидимый барьер, который не позволяет этой радиации приблизиться к Земле ближе, чем на 11 000 километров. И причина этого — загадочное явление, названное «плазмосферным шипением».
Радиационные пояса Ван Аллена: космическая ловушка
Радиационные пояса, открытые в 1958 году американским астрофизиком Джеймсом Ван Алленом, долгое время оставались одной из главных загадок магнитосферы Земли. Эти области пространства наполнены электронами и протонами солнечного ветра, захваченными магнитным полем планеты. Внешний пояс, расположенный на высоте от 13 000 до 60 000 км, особенно опасен: электроны здесь разгоняются до ультрарелятивистских скоростей, совершая полный оборот вокруг Земли всего за пять минут. Их энергия настолько высока, что они способны пробивать обшивку спутников, выводя из строя электронику, и представлять угрозу для здоровья космонавтов.
На этом изображении показано цветное географическое представление потоков ультрарелятивистских электронов, основанное на орбитальных траекториях космического аппарата Van Allen Probe B, спроецированных на географическую экваториальную плоскость.Courtesy of the reasearchers/Haystack Observatory
Долгое время учёные предполагали, что магнитное поле Земли служит главным щитом от этой радиации. Однако данные, собранные зондами NASA Van Allen Probes, запущенными в 2012 году, перевернули это представление. Аппараты, специально сконструированные для работы в экстремальных условиях поясов, обнаружили чёткую границу, за которую электроны не могут проникнуть, — словно невидимая стена на высоте 2,8 радиуса Земли (около 11 000 км).
Загадка «слота»: Почему радиация не достигает Земли?
На изображениях, полученных с зонда Van Allen Probe B, видна причудливая «спирографовая» структура (напоминающая узоры детской игрушки-спирографа), образованная орбитой аппарата. Внутри этой структуры наблюдается почти полное отсутствие электронов — так называемая «щелевая» область. Учёные обнаружили, что эта зона остаётся стабильной даже во время солнечных бурь, когда потоки частиц устремляются к Земле.
«Этот барьер невероятно жёсткий, — объясняет Джон Фостер, заместитель директора обсерватории Хейстек MIT. — Даже мощный удар солнечного ветра в октябре 2013 года, который буквально подтолкнул электроны к планете, не смог его пробить. Это как если бы Земля носила невидимый бронежилет».
Изначально исследователи проверяли две гипотезы: влияние магнитного поля и воздействие длинноволновых радиопередач (VLF). Южно-Атлантическая магнитная аномалия, где поле слабее на 30%, должна была стать «дырой» для электронов, но данные зондов показали: даже здесь частицы не приближаются ближе 11 000 км. Радиоволны же, как выяснилось, влияют только на электроны средней энергии.
Плазмосферное шипение: Белый шум, который спасёт человечество
Разгадка оказалась в верхних слоях атмосферы. Плазмосфера — область ионосферы, заполненная холодной плазмой, — генерирует сверхнизкочастотные электромагнитные волны (0,1–10 кГц). Когда эти волны преобразуют в звук, они напоминают шипение радиостатики или белый шум. Именно это «шипение», как выяснилось, действует как гигантский отражатель.
«Плазмосферное шипение медленно меняет траекторию электронов, заставляя их двигаться вдоль магнитных линий к полюсам, — говорит Дэниел Бейкер, ведущий автор исследования. — Там они сталкиваются с атомами нейтральных газов в атмосфере и аннигилируют». Этот процесс создаёт динамический баланс: чем ближе электроны подходят к Земле, тем сильнее шипение «сбрасывает» их в атмосферу.
Исторический контекст: От ядерных взрывов до спутников-долгожителей
Любопытно, что военные эксперименты 1960-х годов случайно помогли изучению поясов Ван Аллена. В рамках проекта Starfish Prime США взорвали ядерную боеголовку на высоте 400 км, создав искусственный радиационный пояс, который вывел из строя несколько спутников. Данные тех лет, однако, были неточными: аппараты не выдерживали радиации.
Современные зонды Van Allen Probes, защищённые алюминиевой оболочкой толщиной в сантиметр, предоставили уникальную информацию. «Это как если бы мы десятилетия смотрели на мир через мутное стекло, а теперь получили микроскоп», — сравнивает Фостер.
Последствия для будущего
Открытие имеет практическое значение. Спутники, работающие внутри защитного барьера (например, GPS-аппараты на высоте 20 000 км), могут быть спроектированы с меньшей радиационной защитой, что снизит их стоимость. Для пилотируемых миссий, включая лунные базы, знание точных границ радиации критически важно.
«Природа подарила нам идеальный щит, — заключает Мэри Хадсон, физик из Дартмутского колледжа. — Теперь мы можем использовать эти знания, чтобы безопаснее осваивать космос».
