Ученые раскрыли тайны магнитосферных струй на Марсе

Магнитосферные струи на Земле - это локализованные увеличения динамического давления плазмы, найденные вниз по течению от лобового ударного волнения Земли в области магнитосферы. Такие струи также существуют за пределами Земли в магнитосфере Марса. Это подтвердил ученый Герберт Гунелл совместно с исследовательской группой физического факультета Университета Умео и Шведского института космической физики, используя базу данных космических аппаратов MAVEN. Результаты работы команды теперь опубликованы в журнале Science Advances.


Замеченные на Марсе струи сильно отличались от Земных из-за меньшей ударной волны в их носовой части и вызванного солнцем усиления флуктуаций магнитного поля.

Механизм формирования и развития магнитосферных струй на Земле: возможные последствия для Марса

Сначала астрофизики предполагали существование магнитосферных струй только на Земле. Однако, поскольку удалось доказать наличие лобовых ударных волн на всех планетах, это понятие стало фундаментальным для астрофизики. В этом исследовании данные, полученные космическим аппаратом MAVEN, дали четкое представление о существовании струй в магнитосфере Марса.

Когда солнечные ветры сталкиваются с магнитным полем Земли происходит переход от сверхзвукового потока к дозвуковому и образуется лобовая ударная волна. Замедленный солнечный ветер может образовывать магнитную оболочку — сжатую область с нагретой плазмой.


Струи магнитосферы возникают в результате динамического изменения давления в плазме, возникающего в результате увеличения плотности и/или скорости на Земле. Сначала астрофизики изучали движение струй через магнитные поля в лаборатории, используя вакуум с фоновой плазмой для создания плазмоидов. Впервые исследователи заявили об обнаружении таких волн на Земле в конце 1990-ых годов, чему предшествовало огромное количество исследований.

Струи могут генерировать волны в магнитной оболочке, вызывая поверхностные волны и излучение волн Альфвена, регистрируемых наземными магнитометрами. Эта концепция связана с явлением, известным как горловое полярное сияние. Большинство механизмов формирования ударной волны и дальнейшего образования магнитосферы предполагают взаимодействие солнечных ветров с рябью на ударной волне или горячих потоковых аномалий и реформирования ударной волны. Струи являются основной причиной уменьшения ударной волны в магнитосфере и преобразования энергии солнечного ветра в энергию волн в плазменной среде.

Анализ данных космического аппарата MAVEN

Гунелл и его коллеги в своём исследовании представили три примера струй, наблюдавшихся космическим аппаратом MAVEN: 28 и 29 января 2017 года и 10 июня 2020 года.

Во время первой части исследования команда спроецировала положение космического аппарата на основные плоскости орбитальной системы Марса. Они схематично представили результат пунктирными и сплошными линиями, чтобы показать модель возникновения ударных волн. Во время последующих исследований космический аппарат не входил в зону солнечного ветра из-за чего характеристика волн проводилась на основе измерений в магнитосфере.

Полученный спектр ионов обладал большим количеством протонов и альфа-частиц. По сравнению с протонами альфа-частицам потребовалось больше времени для термализации после прохождения через ударную волну.


На иллюстрации выше схематически изображено положение космического корабля MAVEN в координатах Mars Solar Orbital (MSO) во время трех наблюдений. Положения космического корабля проецируются на (A) плоскость xy, (B) xz и (C) плоскость yz. (D) позиции космического корабля в цилиндрической системе координат, где вертикальная ось представляет собой расстояние до оси MSO x.

Стрелки показывают направление компоненты скорости в плоскости каждой панели. Штриховая и сплошная линии показывают головной удар модели для двух разных наборов параметров.

Эволюция понимания механизма носовой амортизации

К десятому июня 2020 года команда наблюдала, что магнитосферные струи возникают дальше по течению ударной волны и на большей высоте над атмосферой планеты. Они заметили два импульса повышенного динамического давления, а большее расстояние ударной волны привело к образованию смеси альфа-частиц и протонов. Повышенное динамическое давление в данном случае зависело от повышенной плотности, при которой колебания магнитного поля внутри струй демонстрировали более высокую амплитуду.

Астрофизики продолжали следить за ударной волной и межпланетным магнитным полем. Исследование, проведенное с помощью одного космического аппарата, показало простую оценку размера струи. Гунелл и его коллеги сравнили размер струи со шкалой магнитного слоя, чтобы прийти к выводам о форме струи и ее происхождении. Например, они зафиксировали размер струи в диапазоне от 4000 км до 18 000 км по направлению скорости ионов, что намного превышает расстояние, пройденное обзорным космическим аппаратом.

Перспективы дальнейших исследований

Таким образом, Герберт Гунелл и его коллеги показали, как геоэффективные явления магнитосферных струй на Земле могут генерировать волны и передавать энергию внутри самой магнитосферы. Было обнаружено, что такие явления существуют за пределами земной атмосферы в марсианской магнитосфере в другом масштабе и характере, однако они играют почти одинаковую роль для окружающей среды обеих планет.

Исследователи планируют провести более масштабные статистические исследования для количественной оценки геоэффективности струй магнитного поля на Марсе. Это исследование будет направлено на более четкое определение роли солнечного ветра в данном процессе, чтобы охватить все области космического пространства вокруг планеты.