Ученые услышали «пение» волн в плазмосфере Земли

Различные типы плазменных волн в магнитосфере Земли. Желтым и оранжевым цветом показана плазмосфера — область распространения «свистящих» волн и «плазмосферного шипения», зеленым выделена область распространения «хоровых» волн.

NASA's Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith

Исследователи из NASA записали «звуки» плазменных волн с помощью устройств для измерения параметров электрических и магнитных полей EMFISIS, установленных на двух зондах Ван Аллена — космических аппаратах, предназначенных для изучения радиационных поясов Земли. Датчики EMFISIS фиксировали изменения окружающих зонды электрических и магнитных полей. Впоследствии ученые «сдвинули» частоты записанных электромагнитных волн в воспринимаемый человеком диапазон, предоставив нам возможность услышать «пение» плазменных волн. О результатах исследований сообщается в пресс-релизе на сайте NASA.

Наша планета окружена слоем плотной холодной плазмы, называемым плазмосферой. Нижняя граница плазмосферы находится на расстоянии порядка 1000 километров над поверхностью Земли, а верхняя удалена от Земли на расстояние от трех до семи земных радиусов. Плазмосферу заполняет протон-электронная плазма, которая удерживается магнитным полем планеты и вращается под действием электрического поля коротации — электрического поля, создаваемого вращающимся магнитом (в данном случае Землей).

За пределами плазмосферы начинается область разреженной плазмы. Под действием электрических и магнитных полей составляющие плазму заряженные частицы начинают совершать сложные колебательные движения. Такие колебания заряженных частиц, вызванные распространением электромагнитных волн, получили название плазменных волн. В околоземном пространстве могут распространяться несколько различных типов плазменных волн, причем волны каждого типа звучат по-своему.


«Свистящие» волны могут возникнуть при ударе молнии в землю. Некоторые из рожденных таким образом волн покидают атмосферу и начинают распространяться вдоль линий магнитного поля планеты. Создаваемая молнией волна состоит из множества волн, частоты которых лежат в определенном диапазоне. Причем волны с более высокими частотами распространяются быстрее волн с более низкими частотами. Таким образом возникает характерный «свист», из-за которого волны и получили свое название.

Следует отметить, что в плазмах с разными параметрами волны «свистят» по-разному. При этом они могут распространяться в одном направлении и обладать одинаковыми электромагнитными характеристиками. Однако «пение» волн, распространяющихся в плазмосфере, все равно будет отличаться от звуков, издаваемых волнами, распространяющимися за ее пределами. На представленной выше аудиозаписи можно услышать «свист» именно плазмосферных волн.

За пределами плазмосферы, в пространстве, заполненном разреженной и относительно горячей плазмой, звуки, создаваемые волнами, больше напоминают чириканье стаи птиц, чем свист. По этой причине волны такого типа и были названы «хоровыми» волнами. 


Причиной, по которой мы слышим «птичий хор», является взаимодействие электронов с составляющими горячую плазму частицами. Электроны, заброшенные на теневую сторону Земли в результате обрыва или пересоединения линий магнитного поля, обладают относительно низкой энергией. Взаимодействие холодных электронов с частицами плазмы приводит к потере последними энергии и к появлению нарастающего звука «хоровых» волн.


На последней аудиозаписи можно услышать звуки второго типа плазменных волн, распространяющихся в плазмосфере. За сходство с радиопомехами эти волны получили название «плазмосферного шипения». Единого мнения о причинах происхождения «плазмосферного шипения» у ученых пока нет. Некоторые физики полагают, что «шипящие» волны, так же как и «свистящие», могут зарождаться при ударе молнии. Другие считают, что «шипение» возникает при проникновении «хоровых» волн в плазмосферу.

«Хоровые» и «шипящие» волны характерны для значительной части околоземного пространства, в том числе и для радиационных поясов Ван Аллена — кольцевых областей пространства, где частицы солнечного ветра удерживаются магнитным полем планеты.

Зонды Ван Аллена, записавшие «голоса» плазменных волн, предназначены для изучения динамики плазмы в магнитосфере Земли. Эти исследования имеют значение не только с точки зрения расширения знаний о плазменном окружении Земли. Взаимодействия с потоками заряженных частиц могут приводить к нарушениям связи и выходу из строя электронных устройств, находящихся на борту космических аппаратов. Понимание поведения плазмы, заполняющей пространство вокруг нашей планеты, поможет более точно предсказывать «космическую погоду» и избегать этих нежелательных воздействий.

Александр Войтюк

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.