Bariera de radiaţii a Pământului, considerată impenetrabilă, a fost străpunsă

Privind fotografiile Pământului care se detaşează pe fundalul întunericului spaţiului, ai putea fi iertat dacă ai crede că planeta noastră este izolată şi singură.

Însă spaţiul din apropierea Pământului ascunde mai mult decât se vede la prima vedere. Lumea noastră este cuibărită confortabil în centurile Van Allen – două regiuni spaţiale în formă de gogoaşă, pline de protoni şi electroni energici, delimitate de câmpul magnetic planetar, potrivit revistei online ScienceAlert.

Centura exterioară este populată în mare parte de electroni energizaţi de procese determinate de Soare, în timp ce mulţi dintre protonii din centura interioară provin din particule produse atunci când razele cosmice lovesc atmosfera Pământului.

Timp de mai bine de un deceniu, s-a crezut că această centură interioară formează o barieră impenetrabilă pentru electronii „ucigători” ultra-relativistici, împiedicându-i să se aventureze prea aproape de Pământ.

Au apărut însă noi dovezi care indică faptul că, în anumite circumstanţe, această regiune nu este atât de sigură pe cât credeam.

În timpul unei furtuni solare incredibil de puternice care a lovit Pământul în mai 2024, un satelit japonez a înregistrat electroni din această regiune acceleraţi la energii de ordinul megaelectronvolţilor – într-un loc în care oamenii de ştiinţă credeau că acest lucru nu ar fi trebuit să se întâmple.

„Aici demonstrăm că această barieră poate fi străpunsă în condiţii meteorologice spaţiale extreme”, scrie o echipă condusă de fizicianul spaţial Yoshizumi Miyoshi de la Universitatea din Nagoya într-un articol publicat în revista Geophysical Research Letters.

Aşa-numiţii electroni „ucigaşi”, cunoscuţi de zeci de ani, reprezintă o mare problemă în spaţiul din jurul Pământului. Aceste particule pot fi accelerate până aproape de viteza luminii prin interacţiuni cu undele electromagnetice din mediul magnetic al Pământului, în special în timpul furtunilor geomagnetice.

Acestea transportă atât de multă energie încât pot penetra ecranarea sateliţilor, putând deteriora componentele electronice sensibile şi scurtând durata de viaţă a navelor spaţiale. De asemenea, nu sunt benefice nici pentru oameni, reprezentând un risc ridicat de radiaţii pentru astronauţi.

Însă, în 2014, cercetătorii au descoperit ceva ciudat. Observaţiile efectuate de sondele Van Allen ale NASA au relevat o graniţă ciudat de clară, situată la aproximativ trei raze terestre de centrul planetei, dincolo de care electronii cei mai energici se aventurau foarte rar.

Oamenii de ştiinţă au descris acest fenomen ca o „barieră impenetrabilă”, sugerând că undele electromagnetice dintr-o regiune de plasmă rece care înconjoară Pământul contribuie la împrăştierea electronilor din orbitele lor captive, determinându-i să se prăbuşească în atmosferă. Combinat cu migraţia lentă a electronilor spre interior, acest fenomen părea să creeze o barieră naturală care îi ţinea la distanţă.

Cu toate acestea, încă din 2018 au început să apară fisuri în aşa-numita barieră „impenetrabilă”.

Cercetătorii au propus ca această barieră nu era deloc o barieră, ci o iluzie creată de durată limitată a furtunilor geomagnetice.

Electronii energetici puteau fi împinşi spre interior de fluctuaţiile câmpului magnetic al Pământului, dar furtunile care determinau această mişcare se stingeau de obicei înainte ca electronii să se poată aventura mult mai departe.

Apoi, în 2024, cercetătorii care au analizat observaţiile înregistrate între 1996 şi 2006 au descoperit că undele electromagnetice generate de fulgere puteau trimite electroni letali, deja prinşi în centura de radiaţii interioară, să se prăbuşească spre atmosfera Pământului.

Aceste observaţii au furnizat dovezi suplimentare că electronii de ordinul megaelectronvolţilor erau deja prezenţi mult în interiorul limitei presupuse a fi impenetrabilă.

Dar apoi, în mai 2024, a venit superfurtuna solară.

Soarele a explodat într-o serie de erupţii solare şi ejecţii de masă coronală care au aruncat miliarde de tone de plasmă magnetizată, care au străbătut cu viteză sistemul solar.

Aici, pe Pământ, rezultatul a fost o furtună geomagnetică de nivel G5 – cea mai puternică categorie de pe scara furtunilor geomagnetice, atât de intensă încât efectele sale au fost înregistrate chiar şi pe fundul oceanului.

Furtuna a epuizat dramatic plasma rece din plasmasfera Pământului, creând un mediu neobişnuit de rar în care un alt tip de undă electromagnetică, numită „corus”, a putut să se dezvolte.

„Când este convertit în sunet, acesta seamănă cu cântecul unei păsări”, spune Miyoshi.

Şi, în loc să împrăştie electronii, aşa cum fac de obicei alte unde, aceste unde par să-i fi accelerat până la energii ridicole, chiar în interiorul barierei „impenetrabile”.

Dovezile au provenit de la satelitul japonez Arase, care monitoriza centurile de radiaţii încă din 2017.

În timpul fazei de recuperare a furtunii, Arase a detectat o creştere dramatică a electronilor ultra-relativistici în interiorul barierei. La energii de aproximativ 3 megaelectronvolţi, fluxul de electroni a crescut de peste 5.000 de ori faţă de nivelurile de dinaintea furtunii.

Momentul şi evoluţia acestei creşteri au fost deosebit de revelatoare.

Mai întâi au apărut în număr mai mare electronii cu energie mai mică. Aproximativ o jumătate de zi mai târziu, au urmat electronii cu energii mai mari. Iar la aproximativ o zi după creşterea iniţială, numărul electronilor cu o energie de peste 3 megaelectronvolţi a crescut, de asemenea, brusc.

Această evoluţie eşalonată a sugerat că electronii nu erau pur şi simplu împinşi spre interior din altă parte. Ei câştigau energie chiar acolo, în interiorul regiunii presupus protejate.

Miyoshi şi colegii săi au găsit indicii suplimentare în distribuţia electronilor, care formau un vârf distinct în apropierea limitei barierei.

Acest model este dificil de explicat doar prin transportul spre interior, dar este în concordanţă cu accelerarea locală a electronilor înainte de a se răspândi mai departe spre interior şi spre exterior.

În ansamblu, dovezile sugerează că epuizarea plasmei reci a creat condiţiile perfecte pentru ca electronii să se comporte într-un mod care, în mod normal, se observă doar la distanţe mai mari de Pământ.

Iar recuperarea a durat luni de zile. Arase a continuat să observe scăderea nivelurilor de electroni ultra-relativistici până în octombrie 2024, când o altă furtună solară a lovit spaţiul din apropierea Pământului.

Această descoperire sugerează că dinamica spaţiului din jurul Pământului este mult mai complexă decât sugerează aparenta sa linişte.

„Această descoperire subliniază necesitatea de a înţelege şi de a prezice modul în care se comportă electronii energetici în condiţii meteorologice spaţiale extreme”, spune Miyoshi „Aceste cunoştinţe sunt importante pentru evaluarea riscurilor de radiaţii la care sunt expuse navele spaţiale şi pentru îmbunătăţirea previziunilor viitoare privind vremea spaţială.”