О марсианских полярных сияниях
8 октября 2024 г.
Ученые исследовали процессы, благодаря которым возникают марсианские полярные сияния, и сравнили их с земными.
Наблюдение за полярным сиянием – один из способов оценить взаимодействие атмосферы Земли и космической среды. Особенно красочные полярные сияния наблюдались 10–13 мая, когда экстремальная вспышка на Солнце вызвала крупнейшую геомагнитную бурю за последние десятилетия.
Земля была не единственной планетой, над которой появилось сияние. Несколько дней спустя в той же области Солнца произошла вспышка в направлении Марса. 20 мая астрономы смогли наблюдать на этой планете одно из самых интенсивных полярных сияний.
Космические миссии последних десятилетий показали, что Марс мог бы похвастаться уникальной коллекцией полярных сияний. Он долгое время был объектом для сравнительных исследований с Землей, и его полярные сияния являются отличным объектом для изучения.
Полярное сияние – это излучение, вызванное энергетическими частицами, – например, электронами, ионами или нейтральными атомами, – энергия которых хранится в атмосфере планеты. Существует огромное разнообразие классификаций полярных сияний. Они зависят от типа частиц, которые вызвали свет, и от того, как эти частицы получают энергию.
Частицы часто исходят от Солнца либо как часть низкоэнергичной плазмы в составе солнечного ветра, либо как высыпание высокоэнергетичных частиц солнечного ветра, связанных с мощным солнечным извержением. Заряженные частицы могут получать энергию вблизи планеты благодаря плазменным волнам или при разрыве и соединении силовых линий магнитного поля. Энергетически нейтральные атомы приводятся в действие посредством тех же процессов.
В эру освоения космоса изучение земных полярных сияний совершило гигантский скачок. Наблюдения с помощью метеорологических ракет и спутников показали, что на полярные сияния влияет сильное глобальное дипольное магнитное поле, которое создает ядро планеты. Магнитосфера защищает большую часть атмосферы от прямого воздействия, отклоняя или задерживая заряженные частицы. При ударной волне, которая образуется при столкновении солнечного ветра с магнитосферой примерно в 10–20 радиусах Земли на солнечной стороне планеты, солнечный ветер обтекает магнитное препятствие, словно вода камень.
То, где и как плазма взаимодействует с атмосферой, определяет магнитное поле Земли. Полярные сияния наиболее распространены вблизи Северного и Южного полюсов, поскольку там часто сходятся силовые линии магнитного поля. Оно не может воздействовать на энергетически нейтральные атомы, однако управляет процессами, которые их создают. Например, ионы и электроны, захваченные магнитосферой Земли, могут образовывать энергетические атомы, которые попадают в атмосферу вблизи экватора.
На Земле полярные сияния приводит в действие мощное глобальное дипольное магнитное поле. Однако существует много других способов попадания энергетических частиц в верхние слои атмосферы. В отличие от Земли, Марс обладает гибридной магнитосферой, которая состоит из двух источников: индуцированного компонента, создаваемого электрическими токами в ионосфере, и корового компонента, который образуют намагниченные железосодержащие минералы рядом с поверхностью планеты. Гибридная магнитосфера защищает атмосферу от космической плазмы, однако солнечный ветер меняет направление менее чем на один радиус Марса над поверхностью планеты. Это намного ближе, чем в случае с Землей, и возмущения космической погоды могут воздействовать на Марс гораздо сильное.
Подобно тому, как спутники дали толчок исследованиям полярных сияний на Земле, космические аппараты, отправленные для изучения Марса, позволили астрономам углубить знания о природе марсианских полярных сияний. Данные о них стали доступны благодаря спектрометрам на орбитальных и спускаемых аппаратах, а вспомогательная информация – с помощью детекторов частиц in situ. Поскольку Солнце приближается к максимуму активности в рамках 11-летнего цикла, сейчас эти приборы регистрируют самые интенсивные события, свидетелями которых они когда-либо были.
Дискретные полярные сияния, для которых характерны четко очерченные дуги, в 2005 году стали первым типом полярных сияний, обнаруженных на Марсе. Их вызывают электроны, которые движутся по вертикальным силовым линиям магнитного поля и попадают в атмосферу. Во многом это происходит так же, как и в полярных областях Земли. Неоднородные магнитные поля коры Марса служат появлению полярных сияний в полярных каспах по всей планете.
В зависимости от времени суток и, соответственно, взаимодействия марсианского и солнечного магнитных полей магнитные силовые линии могут завершаться на планете либо один конец может уходить в космос. Силовые линии первого типа ближе к сумеркам могут служить перемещению электронов из ионосферы дневной стороны в ионосферу ночной, в то время как силовые линии второго типа позволяют проникать в атмосферу высокоэнергетической плазме из отдаленных областей магнитосферы. Вблизи планеты частицы могут ускоряться, и разрыв и воссоединение силовых линий магнитного поля может стать важным источником энергии для высокодинамичной системы.
На Марсе были также обнаружены диффузные полярные сияния, которые обычно слабее дискретных и распространяются на более широкую территорию. Подобные полярные сияния вызывает высыпание высокоэнергетичных частиц солнечного ветра. Это довольно редкое и впечатляющее явление. Из-за слабости марсианской магнитосферы энергетические частицы могут проникать глубоко в атмосферу в любой части планеты и в любое время суток. В случае значительного события космической погоды атмосфера всего Марса может озаряться диффузными полярными сияниями несколько дней подряд. Диффузные полярные сияния могут наблюдаться в любое время, но в связи с высокой солнечной активностью наблюдается их явное учащение. Изучение полярных сияний данного типа важно для будущих марсианских миссий, поскольку экстремальные солнечные вспышки, которые возмущают атмосферу, представляют радиационную опасность для астронавтов.
На Марсе были также обнаружены протонные полярные сияния, при которых свет образуется благодаря нейтральным атомам водорода. Наиболее распространенный тип обусловлен не характерным для Земли процессом. На Марсе солнечный ветер приближается к планете достаточно близко, чтобы взаимодействовать с обширной оболочкой из атомарного водорода. Похищая электроны у этого водорода, протоны солнечного ветра превращаются в энергичные атомы водорода, которые не могут отклонить магнитные поля. Атомы проникают в верхние слои атмосферы, где создают полярное сияние на всей дневной стороне планеты.
Другой тип полярных сияний, вызванных солнечным ветром, возникает, когда условия космической погоды оказывают деструктивное влияние на индуцированную магнитосферу Марса. В отсутствии препятствия в виде магнитного щита протоны солнечного ветра могут попадать прямиком в атмосферу. Прочие механизмы возникновения протонных полярных сияний на Марсе активно исследуются.
Будь то дискретное полярное сияние, связанное с магнитным полем коры, диффузное полярное сияние, вызванное высыпанием высокоэнергетичных частиц солнечного ветра, которое лучше наблюдать из радиационного укрытия, или протонное полярное сияние, вызванное усилением солнечного ветра, все они свидетельствуют о том, что за пределами нашей планеты существуют хорошо изученные физические явления.
Источник: Джастин Дейган / Physics Today.