Поскольку Земля вращается вокруг Солнца со сверхзвуковой скоростью, она прорезает путь через солнечный ветер. Этот быстрый поток заряженных частиц или плазмы, выпущенный из внешних слоев Солнца, бомбардировал бы атмосферу Земли, если бы не защита магнитного поля Земли.
Подобно тому, как моторная лодка создает дугообразную волну впереди себя, когда корпус толкает воду, Земля создает аналогичный эффект, называемый носовым ударом, когда она толкает солнечный ветер. Ученые стремились объяснить, как магнитное поле Земли может отталкивать мощный солнечный ветер, не вызывая бедствия. Они уже давно знают часть ответа: ударная волна преобразует энергию солнечного ветра в тепло, хранящееся в электронах и ионах. Но теперь у исследователей есть новые важные сведения о том, как происходит этот процесс.
В исследовании, проведенном под руководством Университета Мэриленда, описываются первые наблюдения процесса нагревания электронов в головной ударной волне Земли. Исследователи обнаружили, что когда электроны в солнечном ветре сталкиваются с головной ударной волной, они на мгновение ускоряются до такой высокой скорости, что поток электронов становится нестабильным и разрушается. Этот процесс разрушения лишает электроны их высокой скорости и преобразует энергию в тепло.
Результаты добавляют важное новое измерение к пониманию учеными магнитного поля Земли и его способности защищать планету от вредных частиц и радиации. Статья об исследовании была опубликована в журнале Physical Review Letters 31 мая 2018 года.
«Если вы стоите на вершине горы, вас может сбить с ног сильный ветер», - объяснил Ли-Джен Чен, ведущий автор исследования и младший научный сотрудник Департамента астрономии UMD. «К счастью, когда солнечный ветер врезается в магнитное поле Земли, ударная волна защищает нас, замедляя этот ветер и превращая его в приятный теплый бриз. Теперь мы лучше понимаем, как это происходит».
Ученые получили свои данные в ходе миссии НАСА «Магнитосферный мультимасштаб» (MMS). Миссия MMS состоит из четырех идентичных спутников, на которых установлены инструменты для изучения физики магнитного поля Земли при его взаимодействии с солнечным ветром. Спутники получали трехмерные измерения каждые 30 миллисекунд, что привело к сотням измерений в носовом ударном слое. Эти высокочастотные и точные измерения миссии MMS имели решающее значение для исследования.
«Чрезвычайно быстрые измерения с MMS позволили нам, наконец, увидеть процесс нагрева электронов в тонком ударном слое», - сказал Томас Мур, старший научный сотрудник Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и соавтор исследования..«Это прорыв, потому что теперь у нас есть возможность идентифицировать механизм в действии, а не просто наблюдать за его последствиями».
Ученым уже давно известно, что ударная волна каким-то образом способна преобразовывать энергию электронов в тепло без каких-либо прямых столкновений между электронами. Это означает, что трение - распространенный способ получения тепла здесь, на Земле - не отвечает за нагрев электронов в головной ударной волне.
«Новые наблюдения за ускорением электронов при головной ударной волне переписывают нынешнее понимание нагрева электронов», - сказал Чен, который также является научным сотрудником Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. «Например, исследователи не ожидали, что головная ударная волна может разогнать поток электронов солнечного ветра до наблюдаемых нами скоростей».
На более раннем этапе миссии MMS спутники обычно вращались намного ближе к Земле, поэтому они обычно пропускали головной толчок. Однако неожиданная вспышка солнечного ветра подтолкнула ударную волну ближе к Земле, что позволило спутникам получить редкие и информативные данные.
Пользуясь этим преимуществом, исследователи наблюдали поток электронов солнечного ветра до, во время и после встречи с головной ударной волной. Поток электронов, ускоренный ударом, понадобилось всего 90 миллисекунд, чтобы дестабилизироваться и полностью разрушиться.
«Изучение нагрева электронов важно не только для понимания того, как ударная волна защищает Землю, но и потенциально для спутников, космических путешествий и, возможно, изучения других планет в будущем», - сказал Чен.
Предоставив первую четкую картину того, что делают электроны в головной ударной волне, Чен и ее сотрудники надеются вдохновить других ученых на компьютерное моделирование, дальнейшие космические наблюдения и лабораторные эксперименты по нагреву электронов. Чен также надеется углубиться в механизмы, с помощью которых ударная волна ускоряет поток электронов.
«Обычно ученые создают модели или теории, чтобы предсказать, что происходит, а затем разрабатывают эксперименты для измерения», - сказал Чен. «На этот раз все наоборот: измерения были на первом месте. Моделирование и теория должны наверстать упущенное».