Солнечный ветер создает удивительный дисбаланс в магнитном щите Земли

Фото из открытых источников

Новые модели позволяют понять, почему волны солнечного ветра предпочитают одну сторону магнитного щита Земли и как магнитное поле Солнца влияет на их местоположение. Результаты исследования были опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Ветер, дующий над озером, поднимает волны. То же самое происходит там, где потоки газа, исходящие от Солнца, скользят за пределы внешнего края магнитного поля Земли. Известно, что эти волны образуются на флангах этой границы, и обычно в воображении они располагаются сразу по обе стороны.

Новое моделирование показывает, что эти волны смещены в одну сторону. В модели магнитосферы Земли, рассчитанной с учетом однонаправленного магнитного поля Солнца, волны усиливались на утреннем склоне и едва формировались на закате.

Когда направление поля изменилось, волны поменялись сторонами. В обоих симуляциях они образовались только в северном полушарии, которое было наклонено относительно Солнца.

Исследование провели Лаури Холаппа и Йоне Лайтинен из Университета Оулу в Финляндии. Они сотрудничали с Катариной Никири из Авиационного университета Эмбри-Риддл и Брэндоном Беркхолдером из Центра Годдарда НАСА.

Земля находится внутри магнитного пузыря, который отклоняет большую часть того, что на неё воздействует Солнце, от легкого ветерка до настоящей солнечной бури. Солнечный ветер не столько останавливается на краю пузыря, сколько обтекает его, быстро снаружи и медленно внутри.

Любые две жидкости, скользящие друг относительно друга с разной скоростью, могут создавать волны на границе раздела. Та же самая неустойчивость приводит к образованию рядов облаков разбивающихся волн и к изгибанию края речного течения вокруг камня.

На флангах магнитосферы эти волны могут сворачиваться в вихри. Вихри затягивают плазму солнечного ветра внутрь защитного слоя, которая в противном случае осталась бы снаружи, и искажают силовые линии, по которым они движутся. Это скручивание направляет электрические токи вниз, в верхние слои атмосферы, вблизи полюсов.

Космические аппараты зафиксировали эти волны вблизи внешней границы щита, и в более ранних исследованиях было отмечено, что картина распространения волн была асимметричной. Самой сложной задачей было выяснить причину, поскольку спутник пересекает самый оживленный участок границы лишь время от времени.

«Асимметрии в движении волн на краю магнитного поля наблюдались и раньше, но теперь мы смогли показать, как они возникают», — сказал Холаппа.

Он связывает свою работу с серией картин, происхождение которых он не смог объяснить.

«В 2020 году, когда я посещал НАСА в качестве постдокторанта, я заметил необычные смоделированные изображения магнитосферы», — сказал он.

Позже Холаппа понял, что на изображениях были показаны эти волны, и что их различное поведение с разных сторон представляло собой одно явление, а не два отдельных.

Команда использовала глобальную модель магнитосферы, модель Лайона-Феддера-Мобарри, разработанную Центром скоординированного моделирования НАСА, который по запросу запускает модели космической погоды и публикует результаты.

В ходе двух четырехчасовых экспериментов использовалась одинаковая интенсивность солнечного ветра. Единственное различие заключалось в направлении одной из составляющих магнитного поля Солнца, которая в первом эксперименте указывала на сумерки, а во втором — на рассвет.

В обоих экспериментах солнечный ветер двигался со скоростью 500 километров в секунду, а его магнитное поле было наклонено к югу. Магнитная ось Земли отклонена от Солнца на 35 градусов, что примерно соответствует северной зиме.

В обоих вариантах эксперимента волны усиливались на границе высоких широт в северном полушарии, а в южном полушарии — ни в одном из них. В обоих расчетах использовался наклон, соответствующий северной зиме, поэтому результат для этого полушария остается справедливым и при таких настройках.

Выбор фланга, рассвета или заката, зависел от направления солнечного поля, что совпадало как с наблюдениями космического аппарата, так и с аналитической моделью, опубликованной ранее в этом году.

Результаты моделирования указывают на два возможных объяснения, которые могут быть тесно связаны между собой. Магнитное поле Солнца накрывает магнитосферу, словно ткань, и при наклоне оси Земли оно накрывает её неравномерно.

Там, где покрытое полотном поле расположено в направлении движения волны, его натяжение удерживает границу неподвижно. В ходе забегов это натяжение приходилось на тот фланг, где не возникало напряжения. Вторая причина — это геометрия магнитного пересоединения, при которой силовые линии от Солнца и от Земли разрываются и снова соединяются.

В ходе забегов линия, вдоль которой это происходит, описывала букву S на протяжении всей планеты, от южного рассвета до северного заката. Отток жидкости расширил слой скольжения на одном из склонов, а более толстый пласт приводит к образованию волн медленнее, чем тонкий.

В обоих экспериментах также наблюдались асимметричные течения, идущие вдоль силовых линий в верхние слои полярной атмосферы. Они были сильнее на стороне, где на рассвете наблюдались волны, и эта закономерность совпадает с данными спутниковых исследований, проведенных в северную зиму.

Авторы не утверждают, что причиной являются волны. Их моделирование не позволяет отделить вклад волн от эффектов скольжения плазмы и потока, вызванного пересоединением. Как они пишут, для установления причины потребуется более детальное изучение и больше работы.

Солнечный ветер, который они использовали в качестве исходного материала для модели, также был идеализирован: его магнитное поле оставалось постоянным, а не закручивалось в спираль, характерную для реального Солнца.

Возможно, именно это упрощение объясняет, почему эффект рассвета-заката в модели оказывается более равномерным, чем показывают опросы. До сих пор ни одна космическая миссия не проводила одновременных наблюдений за обоими флангами и обоими полушариями.

Для этого потребовалось бы, чтобы космические аппараты находились одновременно на высоких широтах на утренней и вечерней сторонах, на севере и юге, что, по словам команды Холаппы, теперь необходимо для ответа на этот вопрос.

На данный момент результаты моделирования предлагают возможное объяснение неравномерности волн вдоль магнитного поля Земли и электрических токов, наблюдаемых вблизи полюсов.