Науки о Земле

Протоны, вызывающие магнитные бури, отследили с помощью спутников

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

Андрей Демехов

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.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.