Даже без магнитосферы Марс способен отклонять часть солнечного ветра

Фото из открытых источников

Хорошо известно, что магнитные щиты защищают планеты от звёзд. Эти щиты, создаваемые на таких планетах, как Земля, их вращающимися конвективными ядрами, отклоняют разрушительный солнечный ветер, который может разрушать атмосферу и обнажать поверхности планет. Если бы у Земли не было магнитного щита, то озоновый слой был бы разрушен, а уровень ультрафиолетового излучения на поверхности планеты достиг бы опасных значений, повреждая ДНК и вызывая рак у живых организмов.

В конце концов, земная вода исчезнет в космосе, и Земля будет выглядеть гораздо больше похожей на Марс сегодня, после того как потеряет свою магнитосферу: холодной, сухой и безжизненной.

Однако новые исследования показывают, что миры без защитных магнитосфер все же могут быть в некоторой степени защищены от солнечного ветра и радиации. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications. Ведущий автор — Кристофер Фаулер из Колледжа искусств и наук Эберли Университета Западной Вирджинии и Центра кинетической физики плазмы Университета Западной Вирджинии.

Эти данные получены в результате наблюдений с помощью космического аппарата НАСА MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution), миссия которого завершилась после более чем 11 лет работы. Одна из главных научных целей MAVEN заключалась в измерении верхней атмосферы и ионосферы Марса для определения их структуры и состава, а также процессов, формирующих их.

Исследование посвящено эффекту Цвана-Вольфа, который объясняет, как сильные дипольные магнитные поля на таких планетах, как Земля, отклоняют заряженные частицы солнечного ветра. Когда эти частицы сталкиваются с линиями магнитного поля, они вынуждены обтекать планету и продолжать свой путь. Никакого вреда это не причиняет.

«Хотя этот эффект наиболее изучен на Земле, предполагаемые наблюдения также проводились на внешних планетах», — пишут авторы. «Здесь мы представляем наблюдения эффекта Цвана-Вольфа, наблюдаемого на Марсе, ненамагниченной планете, у которой отсутствует дипольное магнитное поле».

На ненамагниченных планетах эффект ЗВ создается ионосферой планеты, которая представляет собой электризованную внешнюю оболочку, ионизированную солнечным излучением. На ненамагниченных планетах этот эффект большую часть времени находится ниже порога обнаружения MAVEN, поэтому он не получил широкого распространения. MAVEN обнаружил его только во время мощного выброса корональной массы (ВКМ), произошедшего на Марсе в декабре 2023 года.

«Наш анализ наблюдений, проведенных космическими аппаратами НАСА Mars Atmosphere и Volatile EvolutioN, показывает, что, хотя эффект Цвана-Вольфа, вероятно, постоянно активен в ионосфере Марса, большую часть времени он работает ниже порогов обнаружения типичных анализаторов плазмы», — объясняют исследователи в своей статье. «Однако столкновение с межпланетным корональным выбросом массы на Марсе в декабре 2023 года значительно усилило эффект Цвана-Вольфа в ионосфере, позволив наблюдать его и подчеркнув важность явлений космической погоды для этих ненамагниченных планетных систем».

Фаулер объяснил, что поток заряженных частиц от Солнца подобен потоку воды, обтекающему камни.

«Однако, — сказал Фаулер, — поскольку вода в этом потоке относительно плотная, физические столкновения молекул воды друг с другом и с породой определяют, как вода будет отклоняться. В отличие от этого, среда в космосе настолько разрежена, что частицы солнечного ветра не сталкиваются друг с другом. Вместо этого электромагнитные силы контролируют отклонение частиц вокруг этих тел».

На планете, имеющей магнитосферу, эффект ЗВ играет особую роль. Он усиливает магнитное поле, помогая проталкивать плазму солнечного ветра через магнитные трубки. Это цилиндрические, трубчатые структуры с линиями магнитного поля, параллельными трубке. В этих трубках магнитное поле сжимается и удерживается.

Но для планет без магнитосфер, таких как Марс, эффект солнечного ветра различен. Эти ненамагниченные планеты взаимодействуют с солнечным ветром иначе. Когда у них есть атмосферы и ионосферы, пусть даже и разреженные, взаимодействие с солнечным ветром создает их собственные магнитосферы. Хотя они и слабее, они все же могут защитить такие планеты, как Марс и Венера, от части солнечного ветра.

«В данной статье мы представляем всесторонние наблюдения эффекта Цвана-Вольфа в ионосфере планеты, а именно Марса», — пишут исследователи. «Наблюдения проводились после столкновения Марса с межпланетным корональным выбросом массы (ICME) в декабре 2023 года, когда магнитосфера была сильно возмущена и восстанавливалась после космического погодного явления».

Индуцированная магнитосфера в ионосфере Марса создает линии магнитного поля, которые окутывают дневную сторону планеты. Их форма аналогична форме магнитосферы Земли. В этой среде действует эффект ZW.

Ученые считали, что эффект ЗВ наблюдается только в магнитосфере планеты, над ее атмосферой. Обнаружение его в ионосфере Марса — новое открытие.

«Сжатие помогает перемещать плазму солнечного ветра вокруг планеты и делает плазму менее плотной перед планетой», — сказал Фаулер. «Обнаружив этот эффект в атмосфере Марса, мы открываем новые способы взаимодействия нашего Солнца с планетами нашей Солнечной системы и его воздействия на них. Удивительно, что извержение на Солнце может нарушить атмосферу Марса, находящегося на расстоянии 142 миллионов миль».

Эффект ZW на Марсе был обнаружен только благодаря межпланетному корональному выбросу массы в 2023 году. Взаимодействие плазмы солнечного ветра с ионосферой создало магнитные структуры большой амплитуды, которые окутали планету. «Наблюдались отклонения в потоке плазмы, совпадающие с передними кромками каждой магнитной структуры: ионосферная плазма текла вниз и в хвостовую часть планеты на каждой передней кромке», — пишут авторы.

Вероятно, эти эффекты носят непрерывный характер, но большую часть времени остаются незаметными. Во время ICME они усилились до диапазона обнаружения аппарата MAVEN.

«Мы считаем, что этот эффект может постоянно наблюдаться в атмосфере Марса, но обычно он настолько незначителен, что наши приборы недостаточно чувствительны, чтобы его обнаружить», — сказал Фаулер. «Солнечная буря сильно ударила по Марсу и нарушила всю космическую обстановку вокруг планеты. По-видимому, это усилило эффект Цван-Вольфа, благодаря чему мы смогли наблюдать его в этот период. Нам повезло оказаться в нужном месте в нужное время с помощью аппарата MAVEN и увидеть это».

Вероятно, то же самое происходит и на других ненамагниченных телах Солнечной системы, таких как Венера, кометы и даже спутник Сатурна Титан. «Понимание процессов образования, распространения и воздействия этих структур на Марсе расширяет наши знания о том, как наше Солнце взаимодействует с Солнечной системой, и о физических процессах, которые способствуют этому взаимодействию», — объясняют авторы в своей исследовательской статье.

Поскольку это первое обнаружение эффекта ZW на Марсе, возникает множество вопросов, требующих ответа. Один из них касается глубины этого эффекта.

«Мы наблюдали эти следы на самых низких высотах, на которых проводился анализ MAVEN, что позволяет предположить, что он влиял на атмосферу даже под космическим аппаратом», — сказал Фаулер. Поскольку миссия MAVEN заключалась в изучении атмосферы Марса, он следовал по эллиптической орбите на разных высотах. Во время стандартных научных витков он вращался на высоте около 150 км над поверхностью Марса. Во время своих кампаний по исследованию более глубоких участков он приближался к поверхности на расстояние до 125 км.

«Понимание того, как эти явления космической погоды влияют на нашу солнечную систему, важно не только для обеспечения безопасности наших роботизированных — и, возможно, человеческих — исследователей в будущем, но и для защиты космических средств, от которых мы зависим в нашей повседневной работе на Земле», - резюмировал Фаулер.