«Бусины» полярного сияния: как магнитосфера Земли собирает ожерелье
Яркие светящиеся полосы, которые мы представляем себе при упоминании полярного сияния — это результат взаимодействия заряженных частиц с атомами и молекулами в верхних слоях атмосферы. Частицы с Солнца проникают через участки магнитосферы в районе магнитных полюсов Земли, расположенных в полярных широтах. Ионизируя встречные атомы веществ в атмосфере, инородные частицы оставляют после себя завораживающее разноцветное свечение. Фотоны из желтой, зеленой и красной областей спектра испускаются атомами кислорода. Источник синих и фиолетовых оттенков — азот.
Ученые полагают, что частицы солнечной радиации проникают в атмосферу Земли из-за явления под названием магнитная суббуря. Во время такой суббури потоки солнечного ветра воздействуют на хвост магнитосферы нашей планеты, вызывая резкую смену его пространственной конфигурации. Это приводит к возмущениям магнитного поля в северной и южной полярных областях Земли, где формируются затем полярные сияния. Перед крупным полярным сиянием в небе часто появляются точечные огоньки, похожие на бусинки жемчужного ожерелья.
Долгое время ученые спорили о том, что вызывает столь необычную форму полярного сияния: некое космическое явление, предшествующее суббурям, или причина — возмущения атмосферы Земли. Ответ дало компьютерное моделирование на мощных машинах, опытные данные для которого предоставила миссия NASA THEMIS — три космических корабля, вместе наблюдавших за полярными широтами. Исследование, опубликованное в журналах Geophysical Research Letters и Journal of Geophysical Research: Space Physics, показало, что бусины — это следствие турбулентных (вихревых) потоков в солнечной плазме.
«Эти турбулентности в космосе изначально вызываются электронами, более легкими и более подвижными, чем протоны и другие заряженные частицы от Солнца», — сказал Евгений Панов, ведущий автор одной из статей и ученый THEMIS из Института космических исследований Австрийской академии наук, и добавил, что плазменные вихри теоретически могут развиться до полномасштабных магнитных суббурь.
Образование бусин из-за плазменных вихрей моделировалось на масштабе от десятков до миллионов километров. В результате ученые обнаружили, что солнечная плазма, изгибаемая магнитным полем Земли, формирует пузыри плазмы с обратной направлению налета стороны планеты. Пузыри напоминают сгустки в лавовой лампе и будто плавают в более тяжелой плазме в магнитосфере, создавая плазменные столбы, которые тянутся вниз к Земле. Эти столбы порождают ограниченные в пространстве продольные токовые структуры, которые проявляются в ионосфере в виде ярких светящихся крупных бусин.
«Теоретически, пузыри плазмы могут "запутать" силовые линии магнитного поля и вызвать событие, известное как магнитное пересоединение, которое создает полномасштабные суббури и вызывает крупные полярные сияния. Чтобы понять эти особенности в полярном сиянии, необходимо исследовать как глобальные, так и более мелкие, локальные масштабы явления. Вот почему до сих пор это было так сложно», — сказал Вячеслав Меркин, соавтор одной из новых статей и ученый в Центре геокосмических бурь NASA, — Это требует очень сложных алгоритмов и больших суперкомпьютеров».
Технические мощности, доступные группе ученых, участвующих в этом исследовании, позволили больше узнать о таинственном полярном сиянии, которое до сих пор хранит свои тайны.