Вызывающие магнитные бури протоны отследили с помощью спутников

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 происходят 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). Спутники находятся на круговых орбитах на высоте около 700 км. Каждый из них облетает Землю примерно за два часа, а 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».

Работы поддержаны грантом Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Изображение: 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.