Zagadkowa tarcza ochronna Ziemi. Co chroni nas przed zabójczymi cząstkami?

Barry Wilmore instaluje właśnie nowe urządzenie dokujące. Jednocześnie zostaje ostrzelany. Nie zauważa tego: z prędkością sięgającą miliarda kilometrów na godzinę przenikają przez niego tak zwane zabójcze elektrony (ang. killer electrons). Każda z tych mikroskopijnych cząstek niesie ze sobą śmierć, ponieważ komórka, na którą natrafia, natychmiast umiera i nigdy już nie będzie mogła zostać naprawiona.

Wilmore znajduje się na zewnątrz Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (International Space Station, ISS). Astronauta ma jednak szczęście: liczba zabójczych elektronów byłaby wielokrotnie wyższa, gdyby nie tajemnicza siła, która blokuje większość tych cząstek - i chroni przed nimi także nas, mieszkańców Ziemi.

Przestrzeń kosmiczna przypomina pole bitwy. Szczególnie dobrze porównanie to pasuje do strefy wokół naszej planety: jest ona otoczona prawdziwym pierścieniem chaosu. Na wysokości od 700 do 6000 km nad powierzchnią Ziemi znajduje się wewnętrzny, a na wysokości od 15 000 do 25 000 km - zewnętrzny pas radiacyjny Van Allena. Miliony różnych cząstek przepływających przez każdy centymetr kwadratowy śmigają w przestrzeni, większość z nich - z prędkością światła.

Zaliczają się do nich elektrony, protony i jony ciężkie (posiadające ładunek elektryczny atomy lub molekuły o dużej masie). Energia zaledwie jednej z nich jest tysiąc razy większa od tej, jaka jest potrzebna do wykonania zdjęcia rentgenowskiego płuc. Dlatego są w stanie przeniknąć przez niemal każdą powierzchnię: skafandry kosmiczne astronautów, izolację krzemową wahadłowców kosmicznych oraz powłokę ochronną satelitów. Podczas gdy w ludzkim organizmie niszczą one komórki, w maszynach doprowadzają do całkowitego paraliżu układów elektronicznych.

Inżynierowie przypuszczają, że zabójcze cząstki często bywają przyczyną awarii. Tak było na przykład w 2004 roku, gdy komputer sterujący lotem wahadłowca wyświetlał błędne informacje w trakcie próby dokowania do ISS - wtedy zderzeniu zapobiegło uruchomienie przez astronautów ręcznego sterowania.

Skąd jednak pochodzą zabójcze elektrony? Co może je zatrzymać? I jak groźne są dla ludzi? Wielu astrofizyków przypuszcza, że cząstki pochodzą z górnych warstw ziemskiej atmosfery i dopiero w przestrzeni kosmicznej przeistaczają się w śmiercionośne pociski, choć obserwacje dowodzą, że "przywiewa" je do nas także wiatr słoneczny.

Niewątpliwie jednak wiele ujemnie naładowanych cząstek porusza się od Ziemi w kierunku kosmosu. Ale nagle natrafiają na barierę: to pole magnetyczne Ziemi przyciąga je z powrotem i zatrzymuje. W ten sposób stale krążą wokół Ziemi - dopóki nie wpłynie na nie pewna siła. Kiedy w oddziaływanie z takim nieszkodliwym elektronem wejdą fale elektromagnetyczne o niezwykle niskiej częstotliwości, przyspieszają go niemal do prędkości światła, zmieniając w ten sposób w kosmicznego "zabójcę".

W polu magnetycznym grzęzną jednak także agresywne protony i jony ciężkie uwolnione w trakcie eksplozji gwiazd oraz rozbłysków słonecznych. I tak po milionach lat wokół Ziemi krążą niezliczone cząstki śmierci, tworząc wspomniane już pasy Van Allena. Co je powstrzymuje przed uderzeniem w Ziemię? Dzięki wynikom najnowszych badań uzyskaliśmy odpowiedź na to pytanie: w przestrzeni pozaziemskiej istnieje coś, co faktycznie zatrzymuje śmiercionośne cząstki zdolne do przenikania niemal wszystkiego.

Początkowo fizycy myśleli, że w ten sposób działa pole magnetyczne, jednak sięga ono 60 tysięcy kilometrów w kosmos, podczas gdy wiele elektronów zabójców znajduje się znacznie bliżej naszej planety. - Odkryliśmy nowe zjawisko, które wciąż stanowi dla nas zagadkę: niewidoczny mur pomiędzy pasami Van Allena, który blokuje cząstki - wyjaśnia Daniel Baker, astrofizyk z Laboratorium Fizyki Atmosferycznej i Kosmicznej przy Uniwersytecie Kolorado.

- Działa on podobnie jak pole siłowe statku kosmicznego Enterprise z filmu Star Trek - żaden wrogi pocisk nie jest w stanie przez niego przeniknąć. Ta tajemnicza osłona znajduje się 11 500 km nad powierzchnią Ziemi. Z czego się składa? Jak działa? Na ten temat jak dotąd snuje się jedynie teorie. - Najprawdopodobniej tę zagadkową barierę ochronną tworzy plazmosfera - uważa Daniel Baker. - Otacza ona bowiem naszą planetę. Jest to gęsty obłok zimnego, naładowanego elektrycznie gazu, który sięga tysiące kilometrów w kosmos. Siła tej chmury manifestuje się przede wszystkim na zewnętrznym jej krańcu, z którego dochodzi zarejestrowany przez fizyków niezwykły szum.

- To, co w tym kosmicznym murze ochronnym jest naprawdę zadziwiające, to to, że ma wyraźne krawędzie i jest gęsty. W tym jednym miejscu plazmosfery nie przemknie się żadna zabójcza cząstka - ani do środka, ani na zewnątrz. Tak ostre granice właściwie nie występują w przyrodzie - mówi Daniel Baker. - Zwykle tego rodzaju twory mają łagodne, równomierne przejście, jak na przykład warstwa gleby, która pozwala przesiąkać niektórym substancjom organicznym, a innym - nie. W związku z tym można byłoby oczekiwać, że niektórym elektronom uda się pokonać i tę kosmiczną barierę. Jednak one tego po prostu nie robią.

Przyczyną jest tu prawdopodobnie wyjątkowe zjawisko: w barierze chroniącej przed cząstkami naukowcy zarejestrowali szum plazmosfery. Gdy odtworzy się go przez głośniki, dźwięk ten, zwany także białym szumem, brzmi jak włączony telewizor, który nie odbiera sygnału. Składa się on z fal elektromagnetycznych o skrajnie niskich częstotliwościach (200 herców do maksymalnie dwóch kiloherców) - dokładnie takich, jakie ze zwykłych elektronów czynią zabójców.

Tylko w tym przypadku mechanizm działa odwrotnie: elektrony zderzają się frontalnie z falami elektromagnetycznymi i odbijają się od nich jak odskakująca od ściany superszybka piłka w squashu. - Czy szum plazmosfery rzeczywiście zatrzymuje cząstki, dopiero się okaże, gdy przeprowadzimy dalsze pomiary - podkreśla Daniel Baker. - Jednego jesteśmy jednak pewni już teraz: system obrony przed zabójczymi cząstkami na pewno nie jest niezniszczalny.

- Plazmosfera - a więc obłok naładowanych cząstek - jest sterowana polem magnetycznym Ziemi. Niejako utrzymuje ją ono w odpowiedniej pozycji - tłumaczy Baker. - Ale pole magnetyczne jest bardzo niestabilne: na przykład silne burze na Słońcu zakłócają je znacząco. Z czasem może autentycznie dojść do jego zapaści. Tak się stało między innymi w 2003 roku w trakcie tak zwanych halloweenowych burz słonecznych, jednych z najsilniejszych spośród kiedykolwiek odnotowanych rozbłysków.

Burza zniszczyła elektronikę sondy kosmicznej NASA zmierzającej w kierunku Marsa oraz dwóch japońskich satelitów i wywołała trwającą około godziny awarię zasilania w Szwecji. Ponadto gigantyczna fala uderzeniowa wyemitowana przez burzę słoneczną skompresowała objętość ziemskiego pola magnetycznego o połowę. - Obawiam się, że takie gwałtowne burze słoneczne uszkadzają w związku z tym także drugą tarczę ochronną naszej planety - mówi Baker. A to oznacza, że zabójcze elektrony mogłyby przenikać w niebezpiecznych ilościach do Ziemi, ponieważ intensywność promieniowania podczas erupcji słonecznych wzrasta nawet tysiąckrotnie.

Co oznaczałoby całkowite załamanie systemu ochrony, pokazuje proste porównanie. Człowieka na Ziemi przenika bardzo mała ilość tego promieniowania - jego roczna intensywność wynosi średnio 0,36 milisiwerta. Astronauta Barry Wilmore w trakcie pracy na ISS przyjmuje około 160 milisiwertów, a osoby odbywające hipotetyczną podróż na Marsa i z powrotem - 1200 milisiwertów.

Większość tych ostatnich musiałaby walczyć z poważnymi problemami zdrowotnymi, takimi jak uszkodzenia narządów wewnętrznych lub nowotwory. Niektórzy prawdopodobnie nawet nie przeżyliby podróży. - To dowodzi, jak ważna jest nasza nowo odkryta tarcza ochronna. Musimy koniecznie dalej ją badać, by zrozumieć, jak dokładnie działa - podkreśla Baker.