Ученые выяснили, как возникают магнитные бури

МОСКВА, 20 ноя — РИА Новости. Российские физики установили связь геомагнитной активности с протонным высыпанием — явлением, при котором высокоэнергичные положительно заряженные частицы попадают из магнитосферы в атмосферу. Это поможет при изучении магнитных бурь и радиационных поясов Земли. Результаты научной работы опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.

Магнитное поле защищает Землю от потока ионизированных частиц, истекающего из солнечной короны, — солнечного ветра. 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.

Потоки солнечного ветра действуют на геомагнитное поле Земли так, что с освещенной стороны оно сжимается, а с ночной образует "хвост". При увеличении солнечной активности деформации геомагнитного поля резко нарастают. Это вызывает магнитные бури. Заряженные частицы попадают из магнитосферы в верхние слои атмосферы, в том числе в ее ионизированный слой — ионосферу. Этот процесс называется протонным высыпанием.

При столкновениях заряженных частиц с атомами и молекулами газов в атмосфере происходит ионизация и возбуждение, то есть повышается энергетическое состояние 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 (г. Апатиты) исследовали динамику высыпаний в зависимости от геомагнитной активности и параметров солнечного ветра. Исследования велись с помощью низкоорбитальных спутников Национального управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA/POES).

Эти спутники находятся на круговых орбитах на высоте около 700 километров. 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, насколько вероятность их появления и интенсивность зависят от широты и местного времени.

Также они оценили связь высыпаний с геомагнитной активностью — возмущением магнитного поля Земли в момент наблюдений по данным магнитных станций.

Оказалось, что волны протонных высыпаний и электромагнитные (ионно-циклотронные) волны очень похожи по своим характеристикам. Отсюда авторы делают заключение о том, что высыпания протонов связаны с развитием так называемой ионно-циклотронной неустойчивости, которая приводит к появлению в плазме электромагнитных волн на определенных частотах.

© Источник: Андрей Демехов

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

"Наши исследования — один из аспектов глобальной проблемы изучения магнитных бурь и радиационных поясов, — приводятся в пресс-релизе Российского научного фонда слова руководителя проекта Андрея Демехова. — Электромагнитные волны, возбуждаемые в результате ионно-циклотронной неустойчивости, играют 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, остановки энергоснабжения, что приведет к большим экономическим потерям, а в отдельных случаях может даже вызвать катастрофу.

Работы поддержаны грантом Российского научного фонда.