|
Российские
физики установили связь
геомагнитной
активности с протонными высыпаниями. Это явление, при котором
высокоэнергичные положительно заряженные частицы попадают из
магнитосферы в атмосферу. Высыпания протонов могут быть использованы
для изучения магнитных бурь и радиационных поясов Земли. Результаты
научной работы опубликованы в
журнале Geophysical Research Letters. Исследования поддержаны грантом
Российского научного фонда.
Магнитное
поле защищает Землю от потоков заряженных частиц от Солнца –
солнечного ветра. Область, в которой движение заряженных частиц
определяется магнитным полем планеты, называется ее магнитосферой. Потоки солнечного
ветра «сдувают» геомагнитное поле Земли так, что с освещенной стороны
оно сжимается, а с ночной образует «хвост». Часть солнечного ветра
обтекает Землю, а часть захватывается в геомагнитную ловушку и
образует в околоземном космическом пространстве так называемый
радиационный пояс. Из-за малой концентрации вещества в магнитосфере
частицы практически не сталкиваются друг с другом, поэтому
космическая плазма (ионизированный газ), захваченная в геомагнитную
ловушку, может сохраняться в ней несколько суток.
При
увеличении солнечной активности деформации геомагнитного поля резко нарастают и
вызывают магнитные бури. Заряженные частицы попадают в верхние
слои атмосферы, в том числе в ее ионизированный слой — ионосферу.
Этот процесс называют высыпаниями. При столкновениях заряженных
частиц с атомами и молекулами газов в атмосфере происходит ионизация
и возбуждение, то есть повышение энергетического состояния последних.
В результате концентрация плазмы в ионосфере растет, а возбужденные
атомы испускают часть полученной энергии в виде света — так
появляются полярные сияния.
Сотрудники
лаборатории магнитосферно-ионосферных взаимодействий Полярного
геофизического института
(ПГИ, Апатиты) исследовали динамику высыпаний протонов в зависимости
от геомагнитной активности и параметров солнечного ветра.
Исследования велись с помощью низкоорбитальных спутников NOAA/POES
(National Oceanic and Atmospheric Administration Polar Orbiting
Environmental Satellite; Национальное управление океанических и
атмосферных исследований США). Эти спутники находятся на круговых
орбитах на высоте около 700 км. Каждый спутник облетает Землю
примерно за два часа, а их орбиты расположены так, что покрывают всю
поверхность планеты. Использовав данные за полгода, ученые построили
глобальную карту высыпаний и подсчитали, как вероятность их появления
и интенсивность зависят от широты и местного времени. Также они
учитывали геомагнитную активность в момент наблюдения: слабое,
среднее или сильное возмущение магнитного поля Земли по данным
магнитных станций. Ученые связывают высыпания протонов с развитием
так называемой ионно-циклотронной неустойчивости, которая приводит к
появлению в плазме электромагнитных волн на определенных частотах.
«Наши
исследования – один из аспектов глобальной проблемы изучения
магнитных бурь и радиационных поясов, – рассказал руководитель
проекта Андрей Демехов,
доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник
лаборатории магнитосферно-ионосферных взаимодействий ПГИ. –
Электромагнитные волны, возбуждаемые в результате ионно-циклотронной
неустойчивости, играют также большую роль в динамике электронов
радиационных поясов. Получается, что многие явления в околоземном
космосе тесно взаимосвязаны».
В
мировом научном сообществе нет единого мнения о том, влияют ли
магнитные бури на здоровье и самочувствие людей, однако их важно
учитывать при проектировании как спутников, так и наземных
технических средств, например линий электропередачи или
трубопроводов. Нежелательные проявления «космической погоды» могут
вызвать нарушение связи, поломки и сбои в работе навигационных и
энергетических систем, остановку энергоснабжения, что приводит к
большим экономическим потерям и в экстремальных случаях может даже
вызвать гуманитарную катастрофу. Поэтому сложные взаимосвязи
космической погоды привлекают большое внимание исследователей.
Картинка
1: Карты распределения вероятности наблюдения высыпаний энергичных
протонов по данным спутников NOAA/POES. Поверхность ионосферы была
разделена на одинаковые участки, вероятность высыпаний протонов
увеличивается от синего к красному. В разных столбцах показаны данные
для разных уровней геомагнитной активности, характеризуемой AE
индексом (слева — слабая, в центре — умеренная, справа — сильная).
Графики в разных строках отличаются уровнем динамического давления
солнечного ветра на магнитосферу: вверху — низкое, в центре —
среднее, внизу — высокое. Источник: Андрей Демехов.
Картинка
2: Коллективное фото авторов на фоне стендового доклада по материалу
этой статьи. Слева направо: А. Г. Демехов, Н. В. Семенова, Т. А.
Яхнина, А. Г. Яхнин. Источник: Андрей Демехов.
|