Работая вместе с космическими исследователями, финские фотографы-любители обнаружили новую форму полярного сияния. Считается, что это явление, названное любителями «дюнами», вызвано волнами атомов кислорода, светящимися из-за потока частиц, испускаемых Солнцем.
В недавно опубликованном исследовании происхождение дюн было прослежено до волновода, сформированного в мезосфере и ее границе, мезопаузе. В исследовании также утверждается, что эта новая форма полярного сияния предоставляет исследователям новый способ исследовать условия в верхних слоях атмосферы.
Исследование было опубликовано в первом номере журнала AGU Advances.
В небе появился неизвестный отпечаток пальца
Минна Палмрот, профессор вычислительной космической физики Хельсинкского университета, возглавляет исследовательскую группу, разрабатывающую самое точное в мире моделирование околоземного пространства и космической погоды, вызывающих полярные сияния.
Солнце испускает постоянный поток заряженных частиц, известный как солнечный ветер. Достигая ионизированных верхних слоев атмосферы Земли, ионосферы, они создают полярные сияния, возбуждая атмосферные атомы кислорода и азота. Состояние возбуждения высвобождается в виде полярного сияния.
В конце 2018 года Палмрот опубликовал книгу под названием «Revontulibongarin opas» («Руководство для наблюдателей за северным сиянием»). Книга родилась в результате сотрудничества Палмрот с энтузиастами северного сияния и ответов, которые она дала на вопросы о физике этого явления в группе любителей на Facebook.
Тысячи великолепных фотографий северного сияния, сделанных любителями, были исследованы и классифицированы для этой книги. Каждая авроральная форма подобна отпечатку пальца, характерному только для определенного явления в авроральной зоне. Во время классификации любители указали, что определенная форма полярного сияния не вписывается ни в одну из ранее существовавших категорий. Пальмрот отложил эти необычные формы для дальнейшего рассмотрения.
По почти невероятному совпадению, всего через несколько дней после публикации книги любители снова увидели эту необычную форму и немедленно сообщили об этом Палмроту. Форма представляла собой зеленоватый и ровный рисунок волн, напоминающий полосатую пелену облаков или дюн на песчаном пляже.
"Одним из самых запоминающихся моментов нашего исследовательского сотрудничества было то, что это явление появилось именно в это время, и мы смогли изучить его в режиме реального времени", - говорит Матти Хелин, любитель Северного сияния и астрономии.
Волны, вновь открытые полярным сиянием
Начались исследования этого явления, при этом наблюдения любителей и научные методы объединились, чтобы объяснить волны.
"Это было похоже на сбор пазла или проведение детективной работы", - говорит Хелин. «Каждый день мы находили новые образы и придумывали новые идеи. В конце концов, мы докопались до сути…»
Явление было сфотографировано в одно и то же время в Лаитила и Руовеси на юго-западе Финляндии, и на обоих снимках наблюдалась одна и та же деталь в авроральном излучении. Максим Грандин, исследователь с докторской степенью в команде Палмрота, идентифицировал звезды, стоящие за излучением, и определил азимуты и высоты звезд с помощью астрономической программы Stellarium. Это позволило использовать звезды в качестве ориентиров при расчете высоты и масштабов полярного сияния.
Грандин обнаружил, что авроральные дюны встречаются на относительно небольшой высоте 100 километров, в верхних частях мезосферы. Измеренная длина волны волнового поля составила 45 километров.
В общей сложности семь подобных событий, когда камера зафиксировала одну и ту же ровную структуру волн, были дополнительно идентифицированы службой «Taivaanvahti» («Небесный дозор»), поддерживаемой Финской ассоциацией астрономов-любителей, Ursa.
Неисследованный регион
Часть полярного сияния, где электрически нейтральная атмосфера Земли встречается с краем космоса, является чрезвычайно сложной средой для спутников и других космических инструментов. Пальмрот говорит, что именно поэтому это одно из наименее изученных мест на нашей планете.
«Из-за трудностей измерения атмосферных явлений, происходящих на высоте от 80 до 120 километров, мы иногда называем эту область «игноросферой», - говорит она.
Дюны наблюдались именно в этом конкретном районе авроральной зоны. Наблюдаемый феномен привел исследователей к золотой середине между исследованиями атмосферы и космическими исследованиями, поскольку обычная методология космической физики не могла объяснить его в одиночку.
«Различия в яркости волн в дюнах могут быть связаны либо с волнами в осаждающих частицах, прибывающих из космоса, либо с лежащими под ними атомами кислорода в атмосфере», - говорит Палмрот. «В итоге мы предположили, что дюны являются результатом повышенной плотности атомов кислорода».
Затем команда должна была определить, как изменчивость плотности атомов кислорода, вызванная гравитационными волнами в атмосфере, приводит к такому ровному и широко распространенному полю волн. Обычно на изучаемой высоте существует множество различных видов гравитационных волн, распространяющихся в разных направлениях и с разной длиной волны, поэтому они не так легко формируют ровные волновые поля, характерные для дюн.
Северное сияние освещает приливную волну
Исследование предполагает, что рассматриваемое явление представляет собой мезосферный бор, редкое и малоизученное явление, происходящее в мезосфере. Феномен приливного вала - это волна, характерная для многих рек, когда прилив движется вверх по руслу реки.
Различные типы гравитационных волн рождаются в атмосфере, а затем поднимаются. В очень редких случаях гравитационные волны могут фильтроваться, поскольку они поднимаются между мезопаузой и инверсионным слоем, который периодически формируется ниже мезопаузы. Инверсионный слой изгибает отфильтрованные волны и позволяет им проходить большие расстояния по каналу без затухания.
Когда атомы кислорода в канале сталкиваются с электронами, высыпающимися в атмосферу, они возбуждаются. Высвобождая это возбуждение, они создают полярное сияние. Вот почему мезосферные дыры - явление, которое до сих пор считалось очень сложным предметом исследования, - иногда можно увидеть невооруженным глазом.
Исследователи космоса сосредотачиваются на атмосфере
До этого открытия мезосферные боры не наблюдались в авроральной зоне и не исследовались с помощью авроральных эмиссий.
«Зона полярных сияний в целом обычно не принимается во внимание в исследованиях, посвященных борам, поскольку полярные сияния ухудшают технику, используемую для идентификации мезосферных боров», - говорит Палмрот..
Традиционно исследователи атмосферы и космоса в основном исследовали интересующие их темы отдельно друг от друга. Это связано с тем, что существует лишь несколько известных механизмов взаимодействия между ионосферой, купающейся в высыпающихся электронах, и нейтральной атмосферой.
С помощью измерительных приборов, которыми управляет Финский метеорологический институт, было обнаружено, что дюны возникают одновременно и в том же регионе, где электромагнитная энергия, возникающая в космосе, передается в игноросферу.
«Это может означать, что энергия, передаваемая из космоса в ионосферу, может быть связана с созданием инверсионного слоя в мезосфере», - говорит Палмрот. «С точки зрения физики это было бы поразительным открытием, поскольку оно представляло бы новый и ранее ненаблюдаемый механизм взаимодействия между ионосферой и атмосферой».