Группа исследователей из Университета Иллинойса обнаружила существование горячих атомов водорода (H) в верхнем слое атмосферы Земли, известном как термосфера. Это открытие, о котором авторы сообщают в Nature Communications, значительно меняет текущее понимание распределения H и его взаимодействия с другими атмосферными составляющими.
Поскольку атомы H очень легкие, они могут легко преодолеть гравитационную силу планеты и навсегда уйти в межпланетное пространство. Продолжающийся выброс атомов H из атмосферы является одной из причин, по которой планета-сестра Земли, Марс, потеряла большую часть своей воды. Кроме того, атомы H играют решающую роль в физике верхних слоев атмосферы Земли, а также служат важным щитом для технологических активов общества, таких как многочисленные спутники на низкой околоземной орбите, от суровых космических условий.
«Предполагалось, что горячие атомы H существуют на очень больших высотах, выше нескольких тысяч километров, но наше открытие, что они существуют на высоте всего 250 километров, было поистине удивительным», - сказала Лара Уолдроп, доцент кафедры электротехники и электроники. компьютерная инженерия и главный исследователь проекта. «Этот результат предполагает, что в современных атмосферных моделях отсутствуют некоторые ключевые физические данные, которые влияют на множество различных исследований, начиная от выхода из атмосферы и заканчивая термической структурой верхних слоев атмосферы».
Открытие стало возможным благодаря разработке новых численных методов и их применению к многолетним измерениям дистанционного зондирования, полученным спутником НАСА для исследования термосферы, ионосферы, мезосферы, энергетики и динамики (TIMED).
«Классические предположения о физике верхних слоев атмосферы не допускали присутствия горячих атомов H на этих высотах», - вспоминает Цзяньци Цинь, ученый-исследователь, разработавший технику анализа данных. «Как только мы изменили наш подход, чтобы избежать этого нефизического предположения, мы впервые смогли правильно интерпретировать данные».
Атомарный водород эффективно рассеивает ультрафиолетовое излучение, испускаемое Солнцем, а количество рассеянного света чувствительно зависит от количества атомов H, присутствующих в атмосфере. В результате дистанционные наблюдения за рассеянным излучением H, например, сделанные спутником НАСА TIMED, могут использоваться для исследования содержания и пространственного распределения этого ключевого компонента атмосферы. Чтобы извлечь информацию о верхних слоях атмосферы из таких измерений, нужно точно рассчитать, как рассеиваются солнечные фотоны, что относится к уникальному опыту Цинь.
При поддержке Национального научного фонда и НАСА исследователи разработали модель радиационного переноса рассеянного излучения вместе с новой методикой анализа, которая включала переходную область между нижней и верхней границами распределения H.
«Оказывается, новая модель идеально подходит по размерам», - сказал Цинь. «Наш анализ данных TIMED привел к парадоксальному выводу, что температура атомов водорода в термосфере значительно возрастает при снижении солнечной активности, в отличие от температуры окружающей атмосферы, которая снижается при снижении солнечной активности».
Их результаты также показывают, что присутствие таких горячих атомов H в термосфере существенно влияет на распределение атомов H по всей атмосфере. Происхождение таких горячих атомов H, которые ранее считались неспособными существовать в термосфере, до сих пор остается загадкой.
«Мы знаем, что должен быть источник горячих атомов H либо в местной термосфере, либо в более отдаленных слоях атмосферы, но у нас пока нет твердого ответа», - сказал Уолдроп.
Цин добавил: «Мы определенно продолжим работать над этой загадкой, потому что знание распределения плотности H имеет решающее значение для исследования нашей атмосферной системы, а также ее реакции на космическую погоду, которая влияет на многие космические технологии. которые так важны для нашего современного общества."