Земля имеет форму… ускорителя

Цветные контуры показывают радиационные пояса, а серые линии – траектории релятивистских электронов. Иллюстрация Physorg

Ось вращения Земли, как известно, не совпадает с осью ее магнитного поля. Именно поэтому штурманам приходится учитывать магнитное склонение, или угол, образуемый между географическими меридианами и магнитными (последний виден благодаря отклонению магнитной стрелки компаса). Поле нашей планеты определяется как поле однородно намагниченного шара с радиусом, который составляет примерно три радиуса Земли. Формируемая им магнитосфера – это околопланетное пространство, в котором магнитное поле взаимодействует с потоком электронов солнечного света и другими частицами космических излучений.

Магнитосфера интересна тем, что в ней имеются радиационные пояса, форма которых близка к полусферической. Они располагаются внутри магнитосферы, где и удерживают протоны и электроны больших энергий. Под действием магнитного поля частицы переносятся между полушариями туда и обратно. Электронный пояс «поднят» над Землей примерно на 20 тыс. км. И протоны, и электроны могут вызывать свечение разреженных слоев атмосферы, что носит в Европе красивое название «Аврора Бореалис» – северное сияние.

Сегодня общепринято, что в самом начале Вселенной была сначала сингулярность, собравшая в одной точке всю массу, после чего около 14 млрд лет назад произошел Большой взрыв (Big Bang). Об этом свидетельствует космический микроволновый фон (CMB – Cosmic Microwave Background). Относительно давно стало известно, что электромагнитные волны СМВ вращаются с некоторым углом поворота.

Одно из недавних открытий, сделанных космофизиками Токийского университета и немецкого Института астрофизики, касается довольно точного измерения этого угла для излучения, пробивающегося к Земле сквозь газопылевые облака Млечного Пути. Неслыханная точность измерения (99,2%) позволила авторам полагать, что ротация электромагнитных волн, идущих к нам из космоса, обусловлена воздействием на них темных материй энергии. У работы есть еще один аспект.

На Земле довольно давно научились разгонять пучки электронов в кольцевых ускорителях. При движении пучка электронов возникает так называемое тормозное излучение. Это мощное рентгеновское излучение, с помощью которого исследуют, например, белки с атомным разрешением. Естественно, что всех энергетических ресурсов Земли не хватит на то, чтобы ускорить электроны до энергий космического масштаба. Но оказывается, что это вполне под силу радиационным поясам планеты, названными в честь Джеймса ван Аллена, предположившего существование этих поясов магнитного поля. Выяснилось, что, начиная с высоты примерно 800 км, они удерживают заряженные частицы.

Сотрудники Центра геонауки в Потсдаме (ФРГ), а также их коллеги из университетов Потсдама и Калифорнийского в Лос-Анджелесе представили в журнале Science результаты обработки данных, полученных двумя космическими аппаратами Van Allen. Они вращались с 2015 года в диаметрально противоположных точках орбиты. Главный результат наблюдений – электроны, прилетающие к Земле с солнечным ветром, разгоняются до околосветовых (релятивистских) скоростей. Это становится возможным благодаря разряжению плазмы до уровня около 10 частиц в кубическом сантиметре. (В норме плотность в 5–10 раз выше.)

Процесс ускорения, начиная с нескольких сотен КэВ, достигает энергий в 7 млн эВ. «Это исследование показывает, что электроны в радиационном поясе Земли могут локально ускоряться до высоких энергий благодаря влиянию разреженной плазмы. Процесс можно представить как «серфинг» электронов на гребне плазменной волны. Этот же механизм может действовать в магнитосферах экзопланет (Юпитера и Сатурна), а также других астрофизических объектов», – отмечают авторы исследования. Все это важно учитывать, поскольку высокая радиоактивность в поясах, окружающих нашу планету, представляет большую опасность для будущих обитателей околоземных кораблей и станций.