Ученые выдвинули теорию, которая объясняет возникновение стивов — похожих на полярные сияния явлений розовато-лилового цвета. Авторы пришли к выводу, что надо рассматривать стивы и часто сопутствующее им зеленое свечение как отдельные феномены. Первые связаны с нагревом движущихся в атмосфере частиц и совсем не похожи на обычные полярные сияния, а вторые, хоть и возникают в нехарактерных местах, имеют много общего со стандартными явлениями, пишут исследователи в журнале Geophysical Research Letters.
Полярные сияния возникают в результате взаимодействий захваченных магнитным полем Земли частиц с молекулами воздуха в верхних слоях атмосферы. Обычно полярные сияния вызывают электроны солнечного ветра, которые возбуждают такие атомы и молекулы, как кислород и азот. Сияния напрямую связаны с магнитным полем планеты, поэтому обычно проявляются только вблизи магнитных полюсов.
Помимо обычных полярных сияний в северном полушарии наблюдаются также розовато-лиловые полосы свечения около 20-30 километров шириной и до тысяч километров в длину. Их стали называть стивами (STEVE, Strong Thermal Emission Velocity Enhancement — сильное повышение скорости тепловым излучением). Они были известны астрофотографам-любителям на протяжении как минимум нескольких десятков лет, но первая научная работа на эту тему была опубликована лишь в 2018 году. Стивы не похожи на стандартные сияния не только цветом, но и местом появления, ведь их наблюдали дальше от полюса. Также стивы иногда сопровождаются необычным переменным зеленым свечением, напоминающим забор.
Ученые уже пытались выяснить механизм образования стивов, но не могли в нем окончательно разобраться. Чтобы поставить точку в этом вопросе, коллектив исследователей под руководством Юкитоси Нисимуры (Yukitoshi Nishimura) из Бостонского университета собрал данные о трех случаях наблюдения стивов. Авторы использовали данные наземных приборов, изучающих магнитосферу спутников THEMIS и Swarm, а также метеорологических аппаратов DMSP, что позволило получить информацию об электрических токах, магнитных полях и энергетических спектрах частиц в непосредственной близости от области возникновения стивов.
В отличие от предыдущих исследований, авторы новой работы впервые проанализировали данные со спутников на высоких орбитах. В результате исследователи пришли к выводу, что стивы и «зеленый забор» представляют два отдельных явления, порождаемых различными процессами. Ученым удалось подтвердить высказывавшуюся в предыдущих работах идею о связи стивов с субавроральным ионным дрейфом. Этим термином называют узкие потоки быстрых заряженных частиц в ионосфере Земли, движущиеся в области, примыкающей со стороны экватора к авроральному овалу, где проходят открытие силовые линии геомагнитного поля. Стивы фактически являются свечением разогретых электрическим током частиц, то есть в некотором смысле похожи на свет нитей обычных ламп накаливания.
«Зеленый забор» оказался связан с выпадением на атмосферу электронов с высоты в несколько тысяч километров, что подтверждается одновременными наблюдениями данного феномена вблизи обоих полюсов.
«Полярные сияния определяются выпадением электронов и протонов на атмосферу, в то время как свечение стивов является следствием нагрева без выпадения частиц, — говорит соавтор работы Беатрис Гальярдо-Лакур (Beatriz Gallardo-Lacourt) из Университета Калгари. — „Зеленый забор“ порождается выпадением электронов и, таким образом, является разновидностью полярных сияний, хотя возникает вне авроральной зоны, что делает его уникальным».
Ученым по-прежнему неизвестно многое не только про стивы, но и про полярные сияния. В частности, лишь недавно появилась ясность с природой возникновения пульсирующих сияний. Также NASA в этом месяце провело исключительно красивый эксперимент, насыпав в сияние барий и стронций. Полярные сияния наблюдаются и на других планетах: в частности, зонд MAVEN зафиксировал его на Марсе.
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.