Выпадение электронов (также называемое выпадением энергичных электронов или EEP ) — атмосферное явление, которое происходит, когда ранее захваченные электроны попадают в атмосферу Земли , создавая тем самым помехи связи и другие нарушения. [1] Электроны, захваченные магнитным полем Земли, закручиваются по спирали вокруг силовых линий , образуя радиационный пояс Ван Аллена . Электроны происходят из солнечного ветра и могут оставаться захваченными над Землей в течение неопределенного периода времени (в некоторых случаях годы). Когда широкополосные волны очень низкой частоты (ОНЧ) распространяются по радиационным поясам, электроны покидают радиационный пояс и «выпадают в осадок» (или перемещаются) в ионосферу (область атмосферы Земли), где электроны сталкиваются с ионами . [2] Выпадение электронов регулярно связано с истощением озонового слоя . Часто это происходит из-за ударов молний .
Гирочастота электрона — это число оборотов вокруг силовой линии. [1] Волны VLF, проходящие через магнитосферу , вызванные молнией или мощными передатчиками, распространяются через радиационный пояс. Когда эти волны VLF сталкиваются с электронами с той же частотой, что и гирочастота электрона, электрон покидает радиационный пояс и «осаждается» (потому что он не сможет повторно войти в радиационный пояс) по всей атмосфере и ионосфере Земли. [2]
Часто, когда электрон выпадает, он направляется в верхние слои атмосферы, где он может столкнуться с нейтральными частицами, тем самым истощая энергию электрона. [3] Если электрон проходит через верхние слои атмосферы, он продолжит движение в ионосферу. Группы выпавших электронов могут изменить форму и проводимость ионосферы, сталкиваясь с атомами или молекулами (обычно частицами на основе кислорода или азота [4] ) в этом регионе. [5] При столкновении с атомом электрон лишает атом других электронов, создавая ион. Столкновения с молекулами воздуха также высвобождают фотоны , которые обеспечивают слабый эффект « полярного сияния ». [4] Поскольку это происходит на такой большой высоте, люди в самолетах не подвержены воздействию радиации. [3]
Процесс ионизации, вызванный осаждением электронов в ионосфере, увеличивает ее электропроводность, что, в свою очередь, опускает нижнюю часть ионосферы на более низкую высоту. [5] Когда это происходит, происходит истощение озонового слоя и могут быть нарушены некоторые коммуникации. [1] Пониженная высота ионосферы является временной (если осаждение электронов не является устойчивым), в то время как ионы и электроны быстро реагируют, образуя нейтральные частицы.
Электронные осадки могут привести к существенной краткосрочной потере озона (достигая около 90%). Однако это явление также коррелирует с некоторым долгосрочным истощением озонового слоя. [6] Исследования показали, что с 2002 по 2012 год произошло 60 крупных событий электронных осадков. Различные измерительные приборы (см. ниже) показывают разные средние значения истощения озона в диапазоне от 5 до 90%. Однако некоторые из приборов (особенно те, которые сообщали о более низких средних значениях) не давали точных показаний или пропустили пару лет. Обычно истощение озона в результате электронных осадков чаще встречается в зимний сезон. Самое крупное событие EEP из исследований с 2002 по 2012 год было зафиксировано в октябре 2003 года. Это событие вызвало истощение озона до 92%. Оно длилось 15 дней, и озоновый слой был полностью восстановлен через пару дней после этого. Исследования истощения озонового слоя в рамках EEP важны для мониторинга безопасности окружающей среды Земли [7] и изменений в солнечном цикле . [6]
Выпадение электронов может быть вызвано волнами ОНЧ от мощных передающих систем связи и грозами. [1]
Выпадение электронов, вызванное молнией (также называемое LEP), происходит, когда молния ударяет в Землю. Когда молния ударяет в землю, высвобождается электромагнитный импульс (ЭМИ), который может поразить захваченные электроны в радиационном поясе. Затем электроны вытесняются и «выпадают» в атмосферу Земли. [1] Поскольку ЭМИ, вызванное ударами молнии, настолько мощное и происходит в большом диапазоне спектров, известно, что оно вызывает большее выпадение электронов, чем выпадение, вызванное передатчиком.
Чтобы вызвать осаждение электронов, передатчики должны производить очень мощные волны с длиной волны от 10 до 100 км. [3] Военно-морские коммуникационные массивы часто вызывают осаждение электронного излучения, вызванное передатчиком (TIPER), поскольку для связи через воду необходимы мощные волны. Эти мощные передатчики работают почти в любое время дня. Иногда эти волны будут иметь точное направление и частоту, необходимые для того, чтобы вызвать осаждение электрона из радиационного пояса.
Электронные осадки можно изучать, используя различные инструменты и методы для расчета их воздействия на атмосферу. Ученые используют анализ наложенных эпох, чтобы учесть сильные и слабые стороны большого набора различных методов измерения. Затем они используют собранные данные для расчета времени возникновения события EEP и его воздействия на атмосферу.
В большинстве случаев спутниковые измерения электронных осадков на самом деле являются измерениями истощения озонового слоя, которые затем связываются с событиями EEP. [6] Различные приборы используют широкий спектр методов для расчета уровней озона. Хотя некоторые из методов могут предоставлять существенно неточные данные, среднее значение всех объединенных данных широко принимается как точное.
Глобальный мониторинг озона путем затмения звезд (GOMOS) — это измерительный прибор на борту европейского спутника Envisat . Он измеряет количество озона, используя испускаемый электромагнитный спектр окружающих звезд в сочетании с тригонометрическими расчетами в процессе, называемом звездным затмением . [6]
Зондирование атмосферы с использованием широкополосной эмиссионной радиометрии (SABER) — измерительный прибор на борту спутника НАСА Thermal Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics (TIMED). [8] Прибор измеряет озон (и другие атмосферные условия) с помощью инфракрасного радиометра (со спектральным диапазоном от 1,27 мкм до 17 мкм).
Микроволновый зонд MLS (Microwave Limb Sounder) — прибор на борту спутника Aura — измеряет микроволновое излучение из верхних слоев атмосферы Земли. Эти данные могут помочь исследователям определить уровни истощения озонового слоя с точностью до 35% [6] .
Детектор протонов и электронов средней энергии (MEPED) измеряет электроны в радиационном поясе Земли и может оценить количество высыпающихся электронов в ионосфере. [6]
При субионосферном обнаружении сигнал посылается от передатчика VLF через радиационный пояс к приемнику VLF на другом конце. [3] Сигнал VLF вызовет осаждение некоторых электронов, тем самым нарушая сигнал VLF до того, как он достигнет приемника VLF на другом конце. Приемник VLF измеряет эти возмущения и использует данные для оценки количества осажденных электронов.
PIPER — это фотометр, созданный в Стэнфорде, специально разработанный для улавливания фотонов, испускаемых при ионизации в ионосфере. [1] Исследователи могут использовать эти данные для обнаружения событий EEP и измерения количества выделившихся электронов.
Рентгеновское оборудование может использоваться совместно с другим оборудованием для измерения выпадения электронов. [1] Поскольку рентгеновские лучи испускаются во время столкновений электронов, рентгеновские лучи, обнаруженные в ионосфере, можно соотнести с событиями EEP.
Дистанционное зондирование ОНЧ представляет собой метод мониторинга выпадения электронов путем мониторинга передач ОНЧ от ВМС США на предмет «событий Труми» (большие изменения фазы и амплитуды волн). [1] Хотя этот метод позволяет контролировать выпадение электронов, он не позволяет контролировать ионизацию указанных электронов.
Джеймс Ван Аллен из Университета штата Айова со своей группой первыми использовали транспортные средства с датчиками для изучения потоков электронов, выпадающих в атмосферу с помощью ракет Rockoon . Ракеты могли достигать максимальной высоты 50 км. Обнаруженное мягкое излучение было позже названо в честь Ван Аллена в 1957 году. [9]
Следующий шаг в исследовании электронного осаждения был сделан Винклером и его группой из университета Миннесоты. Они использовали воздушные шары, которые несли детекторы в атмосферу. [9]