Protecția „impenetrabilă” a Pământului a fost străpunsă. Oamenii de știință au descoperit ce s-a întâmplat cu bariera de radiații a Terrei în timpul unei superfurtuni solare

Pământul este înconjurat de două regiuni invizibile care îl protejează de particulele periculoase din spațiu. Oamenii de știință au crezut mult timp că una dintre aceste regiuni reprezintă o barieră imposibil de trecut pentru electronii extrem de energetici. Un studiu recent arată însă că această protecție nu este atât de sigură pe cât se credea. În timpul unei furtuni solare extrem de puternice, din mai 2024, un satelit japonez a detectat o creștere uriașă a numărului de particule periculoase chiar în interiorul zonei considerate protejate, potrivit Science alert.

Ce sunt centurile Van Allen și cum protejează Pământul

Privit din spațiu, Pământul pare o planetă izolată, înconjurată de întunericul Universului. În realitate, zona din apropierea planetei noastre este mult mai complexă decât pare la prima vedere. Pământul este înconjurat de două regiuni în formă de gogoașă, cunoscute sub numele de centurile Van Allen. Acestea sunt alcătuite din particule încărcate electric, în special protoni și electroni, care sunt ținute în apropierea planetei de câmpul său magnetic.

ȘTIINȚĂLumina „farului-fantomă”, o iluzie optică veche de aproape un secol, explicată de cercetători. Ce fenomen au descoperit oamenii de știință

06:15

INEDITUn oraș roman construit în urmă cu 1.900 de ani a fost înghițit de nisipurile Saharei și uitat timp de 1.000 de ani. Cum a fost redescoperit Timgad, „Pompeiul Africii”

06:15

Cele două centuri au caracteristici diferite. Centura exterioară conține în principal electroni care primesc energie în urma unor procese declanșate de activitatea Soarelui. În schimb, o mare parte dintre protonii din centura interioară provin din particulele produse atunci când razele cosmice lovesc atmosfera Pământului.

Aceste regiuni joacă un rol important în mediul magnetic al planetei. Totuși, ele conțin și particule foarte energetice, care pot reprezenta un pericol pentru sateliți și pentru astronauți.

Electronii „ucigași”, un pericol pentru sateliți și astronauți

De zeci de ani, cercetătorii studiază electronii supranumiți „ucigași”. Aceștia pot ajunge la viteze apropiate de cea a luminii și pot transporta cantități foarte mari de energie.

Particulele sunt accelerate de interacțiunile cu undele electromagnetice din mediul magnetic al Pământului. Fenomenul apare în special în timpul furtunilor geomagnetice, atunci când activitatea solară perturbă câmpul magnetic al planetei.

Pericolul este legat de capacitatea acestor electroni de a pătrunde prin ecranele de protecție ale sateliților. Ei pot deteriora componentele electronice sensibile și pot reduce durata de funcționare a aparatelor aflate pe orbită.

Nici oamenii nu sunt feriți de efectele lor. Expunerea la astfel de particule poate crește riscul de radiații pentru astronauți, mai ales în timpul misiunilor spațiale.

Bariera despre care cercetătorii credeau că este imposibil de trecut

În 2014, cercetătorii au făcut o descoperire care a schimbat modul în care era înțeleasă distribuția acestor particule în apropierea Pământului. Observațiile realizate de sondele Van Allen ale NASA au arătat existența unei limite foarte bine conturate, aflate la aproximativ trei raze ale Pământului față de centrul planetei. Dincolo de această limită, spre interior, electronii cu cele mai mari energii apăreau foarte rar.

Oamenii de știință au descris fenomenul drept o „barieră impenetrabilă”. Explicația propusă era că anumite unde electromagnetice dintr-o regiune cu plasmă rece, aflată în jurul Pământului, împrăștie electronii și îi scot de pe traiectoriile lor. Astfel, particulele ajung în atmosferă, în loc să continue deplasarea spre interiorul centurilor de radiații.

Alături de acest mecanism, migrarea lentă a electronilor spre Pământ părea să contribuie la formarea unei limite naturale. Aceasta ar fi împiedicat particulele cu energii foarte mari să ajungă în apropierea planetei.

Cum influențează fulgerele particulele periculoase din centurile de radiații ale Pământului

Totuși, în 2018, au apărut primele semne că această explicație nu era completă. Cercetătorii au propus atunci că bariera nu era, de fapt, imposibil de traversat. Aspectul ei ar fi fost determinat și de durata limitată a furtunilor geomagnetice.

Electronii energetici puteau fi împinși spre interior de fluctuațiile câmpului magnetic al Pământului. Însă furtunile care provocau această deplasare se încheiau, de obicei, înainte ca particulele să ajungă mult mai aproape de planetă. În 2024, o altă cercetare a adus dovezi suplimentare. Analizând observații realizate între 1996 și 2006, oamenii de știință au descoperit că undele electromagnetice produse de fulgere pot trimite electronii energetici din centura interioară spre atmosfera Pământului.

Aceste rezultate au arătat că particulele cu energii de ordinul megaelectronvolților puteau exista deja în interiorul limitei considerate până atunci impenetrabile.

Superfurtuna solară din mai 2024 a schimbat totul

Un fenomen mult mai puternic a oferit însă noi dovezi. În mai 2024, Pământul a fost lovit de o furtună geomagnetică extrem de intensă, provocată de o serie de erupții solare și ejecții de masă coronală. Aceste evenimente au trimis prin Sistemul Solar cantități uriașe de plasmă magnetizată. Furtuna care a ajuns la Pământ a fost clasificată G5, cel mai înalt nivel de intensitate de pe scara furtunilor geomagnetice.

Efectele au fost atât de puternice, încât perturbările au fost înregistrate inclusiv la nivelul fundului oceanului. În timpul acestui eveniment, cantitatea de plasmă rece din plasmasfera Pământului a scăzut dramatic. Această regiune din jurul planetei a devenit mult mai rarefiată, iar condițiile s-au schimbat suficient pentru ca un alt tip de unde electromagnetice, numite unde „cor”, să se dezvolte.

Denumirea lor vine de la sunetul pe care îl produc atunci când semnalele sunt transformate în format audio. Potrivit fizicianului Yoshizumi Miyoshi, sunetul seamănă cu un cântec de pasăre.

În loc să împrăștie electronii și să îi îndepărteze de pe traiectoriile lor, așa cum se întâmplă în mod obișnuit cu alte unde, aceste unde par să fi avut efectul opus. Ele au accelerat particulele până la energii foarte mari, chiar în interiorul barierei considerate imposibil de traversat.

Un satelit japonez a înregistrat o creștere de peste 5.000 de ori a numărului de electroni

Dovezile au fost obținute cu ajutorul satelitului japonez Arase, care monitorizează centurile de radiații ale Pământului din 2017. În perioada în care furtuna geomagnetică începea să se liniștească, satelitul a înregistrat o creștere spectaculoasă a numărului de electroni ultra-relativiști din interiorul barierei.

La energii de aproximativ 3 megaelectronvolți, fluxul acestor particule a crescut de peste 5.000 de ori față de nivelurile înregistrate înainte de furtună. Cercetătorii au observat și o succesiune interesantă a fenomenului. Mai întâi au crescut ca număr electronii cu energii mai mici. Aproximativ 12 ore mai târziu, au urmat particulele cu energii mai mari. După încă aproximativ o zi, numărul electronilor care transportau peste 3 megaelectronvolți de energie a crescut, la rândul său.

Electronii au fost accelerați chiar în apropierea barierei de protecție

Această evoluție i-a ajutat pe cercetători să înțeleagă ce s-a întâmplat. Electronii nu păreau să fi fost pur și simplu împinși din alte regiuni ale centurilor de radiații spre interiorul barierei. Datele indicau că aceștia câștigau energie chiar în zona în care au fost detectați. Echipa condusă de Yoshizumi Miyoshi a identificat și alte indicii în modul în care erau distribuite particulele. Electronii formau o acumulare distinctă în apropierea limitei barierei.

Un asemenea model este greu de explicat doar prin deplasarea electronilor dintr-o regiune în alta. În schimb, observațiile sunt compatibile cu ideea că particulele au fost accelerate chiar în acea zonă, după care s-au răspândit atât spre interiorul, cât și spre exteriorul centurilor de radiații.

Puse cap la cap, aceste dovezi sugerează că reducerea cantității de plasmă rece a creat condiții neobișnuite. În acest mediu, electronii au putut fi accelerați într-un mod care, în mod normal, este întâlnit la distanțe mai mari de Pământ.

Efectele furtunii solare s-au menținut timp de mai multe luni

Descoperirea arată că bariera de radiații a Pământului nu este atât de sigură pe cât credeau cercetătorii. În condiții extreme, particulele foarte energetice pot apărea chiar în interiorul regiunii considerate protejate. Mai mult, efectele furtunii solare din mai 2024 nu au dispărut imediat după încheierea evenimentului.

Satelitul Arase a continuat să înregistreze niveluri în scădere ale electronilor ultra-relativiști până în octombrie 2024. Atunci, o nouă furtună solară a lovit spațiul din apropierea Pământului. Rezultatele arată că mediul spațial din jurul planetei este mult mai dinamic și mai complex decât părea până acum.

Chiar și regiunile considerate stabile pot suferi schimbări importante atunci când Soarele produce evenimente extreme. Studiul condus de fizicianul spațial Yoshizumi Miyoshi, de la Universitatea Nagoya din Japonia, a fost publicat în revista științifică Geophysical Research Letters.

„Această descoperire evidențiază necesitatea de a înțelege și prezice cum se comportă electronii energetici în condiții extreme ale vremii spațiale”, a explicat Miyoshi.

Cercetătorul a subliniat că astfel de informații sunt importante pentru evaluarea riscurilor de radiații la care sunt expuse navele spațiale și pentru îmbunătățirea prognozelor privind vremea spațială.