Плазменная оболочка Земли сумела остановить колебания магнитного поля планеты

Ученые выяснили, что плазмосфера — зона, богатая заряженными частицами и простирающаяся на десятки тысяч километров над поверхностью Земли, — играет важную роль в распределении колебаний магнитного поля нашей планеты. Оказалось, что в плазмосферу не проникает большинство ультранизкочастотных волн, возникающих при воздействии мощных выбросов солнечной плазмы и способных нарушить работу орбитальных космических аппаратов и наземных электронных систем. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics.

От Солнца к Земле идет не только свет, но и поток ионизированных частиц — солнечный ветер. Он, как и спонтанные выбросы плазмы на Солнце, становится причиной магнитных бурь, которые могут негативно влиять на работу техники, особенно спутников. Однако у нашей планеты есть естественный «щит», препятствующий полету заряженных частиц. Это магнитосфера — область вокруг Земли, оканчивающаяся примерно на высоте 60 тысяч километров, в пределах которой действует собственное магнитное поле планеты. Сталкиваясь с магнитосферой, ионизированные частицы — то есть солнечный ветер — отклоняются от своей изначальной траектории и реже долетают до земной поверхности.

Нижние слои магнитосферы (до высоты около 25–30 тысяч километров) представляют собой отдельную зону — плазмосферу, которая отличается от остальной магнитосферы тем, что в ней в десятки тысяч раз больше заряженных частиц — электронов, протонов, ионов гелия и кислорода, и других.

Ученые из Института солнечно-земной физики СО РАН (Иркутск) с коллегами из Японии проанализировали данные о колебаниях магнитного поля Земли, собранные японским орбитальным спутником Arase в период с 2017 по 2020 год. Это позволило подробно изучить два состояния магнитосферы: в «спокойные» периоды и при магнитных бурях.

В первом случае заряженные частицы, приносимые солнечным ветром, практически не действуют на магнитосферу, огибая ее подобно тому, как вода обтекает камень. Лишь в поверхностных слоях магнитосферы возникают возмущения, заставляющие силовые линии магнитного поля и плазму вокруг вибрировать, подобно струнам арфы при прикосновении, возбуждая тем самым ультранизкочастотные волны.

Когда же солнечный ветер усиливается и происходят выбросы на Солнце, заряженные частицы проникают в глубь магнитосферы, приводя к значительным возмущениям, магнитной буре и большему количеству волн. Более того, в момент подобных возмущений поток заряженных частиц буквально «прижимает» нижний слой магнитосферы — плазмосферу — к поверхности Земли, сдвигая его границу на десятки тысяч километров.

Оказалось, что граница плазмосферы выступает барьером для распространения ультранизкочастотных волн. Это значит, что даже при сильной магнитной буре большинство волн, проникая в глубь магнитосферы, все-таки не могут проникнуть в ее нижние слои — плазмосферу.

Несмотря на то, что ультранизкочастотные волны не проходят в плазмосферу, при магнитных бурях они все равно влияют на работу наземных устройств и аппаратов на околоземной орбите. Одна из возможных причин может быть в том, что эти волны, не пересекая границу плазмосферы, все-таки передают энергию ее частицам. А дальше уже частицы плазмосферы с избытком энергии могут распространяться вплоть до поверхности Земли, а также повышать уровень радиации в ближнем космосе, что негативно влияет на космические аппараты на орбите.

«Понимание того, в каких областях пространства работают волны, создаваемые при действии солнечного ветра на магнитосферу Земли, поможет предсказывать повышение интенсивности потоков заряженных частиц, которые могут влиять на работу космических аппаратов. В дальнейшем мы планируем подробнее изучить, как именно различные типы волн взаимодействуют с заряженными частицами в магнитосфере Земли», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Рубцов, аспирант Института солнечно-земной физики СО РАН.