Открытие, что частицы ускорены местным источником энергии, сродни открытию, что ураганы растут из местного источника энергии, такого как область теплой океанской воды. В случае радиационных поясов источник – область интенсивных электромагнитных волн, выявляя энергию от других частиц, расположенных в том же самом регионе. Знание местоположения ускорения поможет ученым улучшить предсказания космической погоды, потому что изменения в радиационных поясах могут быть опасными для спутников около Земли.
Результаты были изданы в журнале Science 25 июля 2013.Для ученых, чтобы понять пояса лучше, Исследования Ван Аллена были разработаны, чтобы полететь прямо через эту интенсивную область пространства. Когда миссия начала в августе 2012, у нее были цели верхнего уровня понять, как частицы в поясах ускорены к ультравысоким энергиям, и как частицы могут иногда убегать. Решая, что это сверхбыстрое ускорение прибывает из этих местных ударов энергии, в противоположность более глобальному процессу, ученые были в состоянии окончательно ответить на один из тех важных вопросов впервые.
«Это – один из наиболее высоко ожидаемых и увлекательных результатов Ван Аллена Проубса», сказал Дэвид Сибек, координатор проекта Ван Аллена Проубса из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, Мэриленд. «Это идет в сердце того, почему мы начали миссию».Радиационные пояса были обнаружены на запуск самых первых успешных американских спутников, посланных в космос, Исследователи I и III. Было быстро понято, что пояса были частью самой опасной окружающей среды, которую может испытать космический корабль. Большинство спутниковых орбит выбрано, чтобы нырнуть ниже радиационных поясов или круга за пределами них, и некоторые спутники, такие как космический корабль GPS, должны работать между этими двумя поясами.
Когда пояса раздуваются из-за поступающей космической погоды, они могут охватить эти космические корабли, выставив их опасной радиации. Действительно, значительное количество постоянных неудач на космическом корабле были вызваны радиацией. С достаточным предупреждением мы можем защитить технологию от худших последствий, но такое предупреждение может только быть достигнуто, если мы действительно понимаем динамику того, что происходит в этих таинственных поясах.«До 1990-х мы думали, что пояса Ван Аллена были довольно хорошего поведения и изменены медленно», сказал Джефф Ривз, первый автор на бумаге и ученый радиационного пояса из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Лос-Аламосе, Нью-Мексико. «Со все большим количеством измерений, однако, мы поняли, как быстро и непредсказуемо радиационные пояса изменились.
Они находятся в основном никогда в равновесии, но в постоянном состоянии изменения».На самом деле ученые поняли, что пояса даже последовательно не изменяются в ответ на то, что, кажется, подобные стимулы.
Некоторые солнечные бури заставили пояса усиливаться; другие заставили пояса быть исчерпанными, и некоторые, казалось, не имели почти никакого эффекта вообще. Такие разрозненные эффекты от по-видимому подобных событий предположили, что этот регион намного более таинственный, чем ранее мысль.
Чтобы понять – и в конечном счете предсказать – какие солнечные бури усилят радиационные пояса, ученые хотят знать, куда энергия, которая ускоряет частицы, прибывает из.Близнец Ван Аллен Проубс был разработан, чтобы различать две широких возможности на том, какие процессы ускоряют частицы к таким удивительным скоростям: радиальное ускорение или местное ускорение.
В радиальном ускорении частицы транспортируются перпендикуляр в магнитные поля, которые окружают Землю из областей низкой магнитной силы, далекой от Земли до областей высокой магнитной силы более близкая Земля. Законы физики диктуют, что скорости частицы в этом сценарии убыстрятся, когда сила магнитного поля увеличится. Таким образом, скорость увеличилась бы, когда частицы перемещаются к Земле, очень способ, которым скала, катящаяся по холму, набирает скорость просто из-за силы тяжести. Местная теория ускорения устанавливает это, частицы получают энергию от местного источника энергии, более подобного способу, которым горячая океанская вода порождает ураган выше его.
Чтобы помочь различать эти возможности, Исследования Ван Аллена состоят из двух космических кораблей. С двумя наборами наблюдений ученые могут измерить частицы и источники энергии в двух областях пространства одновременно, которое крайне важно, чтобы различать причины, которые происходят в местном масштабе или прибывают из далеко. Кроме того, каждый космический корабль оборудован датчиками, чтобы измерить энергию частицы и положение и определить угол подачи – то есть, угол движения относительно магнитных полей Земли. Все они изменятся по-разному в зависимости от сил, действующих на них, таким образом помогающие ученые различают теории.
Оборудованный такими данными, Ривз и его команда наблюдали быстрое энергетическое увеличение высокоэнергетических электронов в радиационных поясах 9 октября 2012. Если бы ускорение этих электронов возникало из-за радиального транспорта, можно было бы измерить эффекты, начинающиеся сначала далекий от Земли и перемещающиеся внутрь из-за самой формы и силы прилегающих областей. В таком сценарии частицы, преодолевающие магнитные поля естественно, спрыгивают с того к следующему в подобном каскаде, набирая скорость и энергию по пути – коррелирующий к тому сценарию скал, катящихся по холму.Но наблюдения не показали усиление, которое сформировалось еще дальше от Земли и постепенно перемещалось внутрь.
Вместо этого они показали увеличение энергии, которая началась прямо в середине радиационных поясов и постепенно распространялась и внутренний и внешний, подразумевая местный источник ускорения.«В данном случае все ускорение произошло приблизительно за 12 часов», сказал Ривз. «С предыдущими измерениями спутник, возможно, только был в состоянии полететь через такое событие как и не получить шанс засвидетельствовать изменения, на самом деле происходящие. С Исследованиями Ван Аллена мы имеем два спутника и так можем наблюдать, как вещи изменяются и где те изменения начинаются».
Ученые полагают, что эти новые результаты приведут к лучшим предсказаниям сложной цепи событий, которые усиливают радиационные пояса к уровням, которые могут отключить спутники. В то время как работа показывает, что местная энергия прибывает из электромагнитных волн, бегущих через пояса, это не известно точно, который такие волны могли бы быть причиной. Во время набора наблюдений, описанных в газете, Исследования Ван Аллена наблюдали определенный вид волны, названной волнами хора в то же время, что и частицы были ускорены, но больше работы должно быть сделано, чтобы определить причину и следствие.
«Данная статья помогает дифференцироваться между двумя широкими решениями», сказал Сибек. «Это показывает, что ускорение может произойти в местном масштабе. Теперь ученые, которые изучают волны и магнитные поля, вскочат, чтобы сделать их работу и узнать то, что волна обеспечила толчку».К счастью такой задаче будут также способствовать Исследования Ван Аллена, которые были также тщательно разработаны, чтобы иметь размеры и различать многочисленные типы электромагнитных волн.«Когда ученые проектировали миссию и инструментовку на исследованиях, они посмотрели на научные неизвестные и сказали, ‘Это – большой шанс открыть некоторое фундаментальное знание о том, как частицы ускорены’», сказал Никола Й. Фокс, заместитель научного руководителя проекта в Университете Джонса Хопкинса Прикладная Лаборатория Физики в Лорель, Мэриленд. «С пятью идентичными номерами люкс инструментов на борту двойного космического корабля – каждым с широким диапазоном частицы и области и обнаружения волны – у нас есть лучшая платформа, когда-либо созданная, чтобы лучше понять эту критическую область пространства выше Земли».
Прикладная Лаборатория Физики построила и оперирует близнеца Ван Аллена Проубса для Научного Управления Миссии НАСА. Ван Аллен Проубс включает вторую миссию в Проживании НАСА Со Звездной программой, управляемой Годдаром, чтобы исследовать аспекты связанной системы земли солнца, которые непосредственно затрагивают жизнь и общество.Для получения дополнительной информации об исследованиях Ван Аллена, посещении: http://www.nasa.gov/vanallenprobes/