Впервые обнаружен редкий магнитный эффект, сжимающий атмосферу Марса

Фото из открытых источников

Данные миссии НАСА MAVEN показывают, что на Марсе наблюдается эффект Цвана-Вольфа — магнитный механизм, ранее наблюдавшийся только на Земле. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

9 декабря 2023 года огромное облако намагниченной плазмы вырвалось из Солнца и врезалось в Марс. Физики, изучающие Солнце, называют такие взрывы корональными выбросами массы, и этот удар был очень сильным.

Примерно через 12 часов орбитальный аппарат НАСА MAVEN пролетел прямо сквозь обломки. Его приборы зафиксировали то, что никогда ранее не было задокументировано в атмосфере какой-либо планеты. Буря сжимала марсианское небо.

Земля находится внутри огромного магнитного пузыря. Этот пузырь отклоняет солнечный ветер на границе, начинающейся на расстоянии от 12 до 14 радиусов Земли вверх по потоку от планеты, избавляя наше небо от большей части разрушительного воздействия и оставляя драматизм полярным сияниям и вспышкам над грозовыми облаками.

У Марса такой роскоши нет. Его внутреннее магнитное динамо-устройство отключилось миллиарды лет назад. То, что сохранилось на планете, — это хрупкая замена. Солнечный ветер образует магнитные силовые линии вокруг электрически заряженной верхней атмосферы, формируя индуцированный щит, который начинается менее чем в двух радиусах планеты от Солнца.

Физики изучают один из механизмов отклонения магнитного поля Земли с 1976 года. Известный как эффект Цвана-Вольфа, он выдавливает заряженные частицы вдоль сжатых линий магнитного поля вблизи края магнитосферы, разжижая плазму непосредственно перед планетой. Признаки того же процесса были обнаружены на Юпитере и Сатурне. Все эти находки были сделаны в магнитосфере, расположенной далеко над любой атмосферой.

Кристофер Фаулер, планетолог из Университета Западной Вирджинии, изучал показания спутника MAVEN от 10 декабря, когда его внимание привлекли необычные колебания. Он и представить себе не мог, что эти колебания будут связаны с эффектом Цвана-Вольфа, поскольку это явление никак не должно было появиться внутри ионосферы. Фоулер работал в команде, в которую входил Шеннон Карри из Лаборатории атмосферной и космической физики Университета Колорадо в Боулдере, возглавляющий миссию MAVEN.

Группа исследователей выявила пять резких магнитных структур вблизи точки максимального сближения космического аппарата, примерно в 185 километрах над поверхностью. Каждая из них увеличила локальное магнитное поле примерно на 40 процентов. Крутой передний край каждой конструкции проносился мимо примерно за 2 секунды. Задний край исчезал через 30-60 секунд.

На каждом фронте плотность заряженных частиц снижалась на 30-40 процентов, в то время как плазма двигалась в сторону ночной стороны планеты. Это и есть характерный признак сжатия. «Нам повезло, мы оказались в нужном месте в нужное время вместе с проектом MAVEN», — сказал Фаулер, научный сотрудник-доцент Колледжа искусств и наук Эберли при Университете Западной Вирджинии.

Эти структуры не стояли неподвижно. Они стремительно падали вниз сквозь ионосферу со скоростью около 7200 км/ч. Их источник находится выше. В результате выброса корональной массы область между ударной волной и ионосферой оказалась взбаламученной импульсами давления.

Когда эти импульсы достигали границы, где солнечное магнитное поле соприкасается с ионосферой, они преобразовывались в волны магнитного давления. Затем эти волны устремлялись вниз, в атмосферу.

MAVEN отследил эти сигналы до самой низкой высоты, достигнутой аппаратом на этой орбите. Возмущение почти наверняка продолжалось и под космическим аппаратом. Каждый проходящий фронт также нагревал окружающие ионы на несколько сотен градусов. Такой нагрев предполагает, что волны сбрасывают энергию по мере своего погружения.

Команда считает, что на Марсе этот эффект никогда не прекращается. Натянутое магнитное поле присутствует постоянно, поэтому слабое сжатие должно происходить круглосуточно. Однако в спокойных условиях возникающее отклонение плазмы составляет всего полградуса. Детектор ионов аппарата MAVEN не способен различать такие малые углы.

Декабрьский шторм усилил сжатие примерно в 40 раз, впервые подняв его выше порогового значения прибора. Это объясняет, почему более чем десятилетние орбитальные данные так и не выявили этот эффект, поскольку он все это время оставался ниже уровня шума. Этот метод, как правило, скрывает слабые сигналы в верхних слоях атмосферы. Для определения высоты голубого северного сияния над Швецией потребовалась сверхчувствительная камера.

MAVEN существует для того, чтобы ответить на один вопрос: куда делся марсианский воздух? На планете когда-то были реки и, возможно, океаны, и солнечный ветер является главным подозреваемым в их исчезновении. Новые наблюдения подтверждают эту версию, поскольку каждая погружающаяся волна переносит энергию глубоко в ионосферу. Распределенная по многочисленным молекулам углекислого газа, эта энергия практически равна нулю. Но если она сконцентрирована в небольшой доле заряженных молекул кислорода, то расчеты меняются.

По оценкам команды, один из этих ионов может достичь второй космической скорости, столкнувшись всего с пятью или шестью волнами. Достаточно сильная солнечная буря может выбросить в космос по молекулам фрагменты марсианского неба с расстояния 142 миллионов миль (229 миллионов километров).

Венера, Титан и кометы также не имеют глобальных магнитных полей, поэтому на всех них должны действовать одни и те же физические законы. Исследователи, которые отслеживают, как космические бури воздействуют на Землю, теперь имеют вторую лабораторию по соседству.

Неизвестно, будут ли проведены повторные измерения. NASA потеряло связь с MAVEN в декабре 2025 года, и орбитальный аппарат больше не будет брать пробы на этих низких высотах. Для исследования слоев, которых космический аппарат так и не коснулся, придется использовать компьютерное моделирование.