Физики выяснили природу пульсирующих полярных сияний

Японские физики впервые получили прямое подтверждение теории, согласно которой пульсирующие полярные сияния «запускают» электроны, попадающие в верхние слои атмосферы Земли из-за взаимодействия с плазменными волнами в магнитосфере планеты. Научная работа опубликована в журнале Nature.

Одно из красивейших явлений природы — полярные сияния — давно вызывает интерес ученых. В полярных областях Земли часто можно наблюдать появление ярких дуг, которые могут внезапно распадаться и исчезать, впоследствии появляясь в виде пульсирующих размытых пятен, покрывающих обширное пространство на высотах около 100 километров, с периодом пульсаций от единиц до десятков секунд. Ранее ученые предполагали, что пульсирующие сияния могут возникать при взаимодействии электронов с энергиями от нескольких до десятков килоэлектронвольт с атомами и молекулами верхних слоев атмосферы. Однако магнитное поле Земли представляет собой огромную ловушку для заряженных частиц и механизм попадания магнитосферных электронов в атмосферу до конца не был понятен.

Предполагается, что за это может быть ответственно взаимодействие магнитосферных электронов с плазменными волнами, в результате чего часть электронов попадает в верхние слои атмосферы. Дело в том, что наша планета окружена слоем плотной холодной плазмы, плазмосферой, нижняя граница которой находится на высоте около 1000 километров над поверхностью Земли, а верхняя — на расстоянии от трех до семи земных радиусов. Плазмосферу заполняет протон-электронная плазма, которая удерживается магнитным полем планеты и вращается под действием электрического поля коротации — 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 «хоровых» плазменных волн (chorus waves). Возникающие вблизи магнитного экватора плазменные волны начинают распространяться к полюсам и взаимодействуют с движущимися им навстречу потоками электронов. Большая часть электронов претерпевает рассеяние на волнах, некоторое их количество покидает магнитную ловушку и под действием электрического поля плазменной волны направляется в верхние слои атмосферы Земли.

Для проверки этой гипотезы группа исследователей под руководством Сатоши Касахара (Satoshi Kasahara) провела во время магнитосферной суббури 27 марта 2017 года одновременные измерения потоков электронов и наблюдения пульсирующих полярных сияний. Потоки электронов регистрировались космическим аппаратом ERG, пульсирующие полярные сияния фиксировались наземным массивом камер ASIs (All-Sky Imagers) миссии THEMIS. Сравнение данных, полученных космическим аппаратом и земной аппаратурой, продемонстрировало связь между изменениями электронного потока и пульсацией полярных сияний. Потоки электронов высоких энергий были зарегистрированы вблизи магнитного экватора, в той же области, где были замечены плазменные волны, а их энергии было достаточно, чтобы инициировать полярные сияния.

Ранее мы рассказывали о том, как ученым удалось записать звуки плазменных волн, а также о том, как пульсирующее северное сияние было обнаружено на Юпитере.