Ученые выяснили, откуда берутся полярные сияния

Ученые с помощью наземных обсерваторий и специально разработанной группы спутников выяснили, какое явление «запускает» возмущения в магнитосфере Земли, вызывающие полярные сияния.


Наша планета окружена магнитным полем, которое не пропускает к Земле солнечный ветер - поток заряженных частиц, исходящих от Солнца. В случаях повышенной солнечной активности, вспышек на Солнце, солнечный ветер вызывает возмущения в магнитосфере, что приводит к так называемым магнитным бурям. Они приводят к перебоям в радиосвязи, авариям на электрических сетях, повреждениям электронного оборудования спутников.

Магнитная буря состоит из кратких возмущений, продолжающихся около полутора часов. Их называют суббурями, которые вызывают полярные сияния - гигантские разноцветные пятна света в небе, в виде нитей, «занавесей», которые видны по ночам в высоких широтах.

Как пояснил доктор наук Анатолий Левитин, заведующий лабораторией геомагнитных вариаций Института земного магнетизма, ионосфера и распространения радиоволн РАН (ИЗМИРАН), полярные сияния возникают в высоких широтах из-за потоков заряженных частиц - ионов и электронов.

«Ионы и электроны двигаются под действием электрических полей вдоль силовых линий магнитного поля Земли. В высоких широтах частицы начинают «высыпаться» в верхней атмосфере и сталкиваться в ней с молекулами атмосферы, что и вызывает свечение», - сказал он.

Левитин пояснил, что энергия, необходимая для разгона частиц, поступает из межпланетного пространства из солнечного ветра, потока солнечной плазмы.

«Солнечный ветер «тащит» с собой магнитное поле Солнца. В результате сцепления, пересоединения силовых линий магнитного поля Солнца с силовыми линиями магнитного поля Земли внутрь магнитосферы проникает электрическое поле солнечного ветра, которое и порождает магнитные возмущения и, в частности, полярные сияния», - отметил ученый.

До настоящего времени существовали две конкурирующие теории, объясняющие начало суббурь. Согласно одной из них, механизм образования возмущений запускается сравнительно близко от Земли - на расстоянии около одной шестой дистанции до Луны. Согласно этой теории, происходит разрыв электрических токов, текущих в «хвосте» магнитосферы. В результате этого энергия из хвостовой части магнитосферы поступает в ионосферу, что и запускает возмущение.

Вторая теория говорит, что «спусковой механизм» находится дальше, где-то на одной третьей дистанции до Луны, и связан с процессом пересоединения магнитных силовых линий, что приводит к трансформации энергии магнитного поля в кинетическую энергию и тепло. Эта энергия передается частицам, находящимся в хвосте магнитосферы, и они достигают области высоких широт и взаимодействуют с атмосферой.

Чтобы выяснить, какая из этих теорий верна, НАСА организовало проект THEMIS (Фемида), в рамках которого на околоземную орбиту были запущены пять спутников, оснащенных устройствами для измерения электрического и магнитного поля, детекторами ионов и электронов.

Эти спутники размещены на разных орбитах: один - на одной трети дистанции до луны, другой - на четверти дистанции, и три - на одной шестой дистанции. Каждые четыре дня спутники выстраиваются в одну линию.

Благодаря этому ученые могут контролировать процессы, происходящие в хвостовой части магнитосферы на разных расстояниях от Земли в моменты, предшествующие появлению полярного сияния, и определить, на каком расстоянии зарождается возмущение.

Во время этого эксперимента удалось выяснить, что реальные возмущения в магнитосфере соответствуют второй теории.

«Наши данные впервые ясно показывают, что пересоединение магнитных силовых линий и есть спусковой механизм. Пересоединение приводит к ускорению заряженных частиц вдоль магнитных силовых линий, зажигая полярные сияния ниже», - говорит ведущий автор исследования, профессор Калифорнийского университета Василис Ангелопулос.

По его словам, полученные данные помогут «научиться предсказывать эти регулярно возникающие всплески энергии, чтобы астронавты могли укрыться в космических кораблях, а мы могли выключить важные электрические системы на спутниках, чтобы избежать их повреждения».

Левитин отмечает, что возмущения космической погоды (которая включает в себя события на Солнце, солнечном ветре и в околоземной среде) могут вызывать сбои в работе наземных и космических систем.

Улучшение прогноза таких событий поможет избежать случаев катастроф, например, таких, как массовое отключение электроэнергии из-за аварий на трансформаторных подстанциях, также изменения параметров орбиты спутников из-за "разбухания" ионосферы, что может приводить к их падению.