Особый тип полярного сияния, протянувшийся с востока на запад по ночному небу, как светящееся жемчужное ожерелье, помогает ученым лучше понять науку о полярных сияниях и их мощных движущих силах в космосе. Известные как авроральные бусинки, эти огни часто появляются непосредственно перед крупными полярными сияниями, вызванными электрическими бурями в космосе, называемыми суббурями. Ранее ученые не были уверены, связаны ли бусинки полярного сияния с другими проявлениями полярного сияния как явление в космосе, предшествующее суббурям, или же они вызваны возмущениями ближе к земной атмосфере.
Но новые мощные компьютерные модели в сочетании с наблюдениями из программы НАСА «История событий и макромасштабных взаимодействий во время суббурь» (THEMIS) предоставили первые убедительные доказательства событий в космосе, которые привели к появлению этих бусин, и продемонстрировали важную роль, которую они играют в нашей ближней космической среде.
«Теперь мы точно знаем, что формирование этих бусинок является частью процесса, предшествующего запуску суббури в космосе», - сказал Василис Ангелопулос, главный исследователь THEMIS в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Это важная новая часть головоломки».
Предоставляя более широкую картину, чем можно увидеть с помощью трех космических аппаратов THEMIS или только с помощью наземных наблюдений, новые модели показали, что полярные сияния вызваны турбулентностью в плазме – четвертом состоянии вещества, состоящем из газообразных и высокопроводящие заряженные частицы, окружающие Землю. Результаты, недавно опубликованные в журналах Geophysical Research Letters и Journal of Geophysical Research: Space Physics, в конечном итоге помогут ученым лучше понять весь спектр закручивающихся структур, наблюдаемых в полярных сияниях.
«Наблюдения THEMIS выявили турбулентность в пространстве, из-за которой видимые потоки освещают небо, как отдельные жемчужины в сияющем ожерелье полярных сияний», - сказал Евгений Панов, ведущий автор одной из новых статей и научный сотрудник THEMIS в Институт космических исследований Австрийской академии наук.«Эти турбулентности в космосе изначально вызваны более легкими и подвижными электронами, движущимися с массой частиц в 2000 раз тяжелее, и которые теоретически могут развиться в полномасштабные авроральные суббури».
Загадки образования авроральных бусин
Полярные сияния возникают, когда заряженные солнечные частицы захватываются магнитной средой Земли - магнитосферой - и направляются в верхние слои атмосферы Земли, где столкновения вызывают свечение атомов и молекул водорода, кислорода и азота. Смоделировав околоземную среду в масштабах от десятков до 1,2 миллиона миль, ученые THEMIS смогли показать детали того, как формируются бусины полярного сияния.
Поскольку струящиеся облака плазмы, изрыгаемые Солнцем, проходят мимо Земли, их взаимодействие с магнитным полем Земли создает плавучие пузыри плазмы за Землей. Подобно лавовой лампе, дисбаланс плавучести между пузырьками и более тяжелой плазмой в магнитосфере создает пальцы плазмы шириной 2500 миль, которые тянутся вниз к Земле. Подписи этих пальцев создают на полярном сиянии отчетливую бусинчатую структуру.
«Было осознание того, что эти относительно небольшие переходные явления, происходящие вокруг магнитосферы, в некотором роде важны», - сказал Дэвид Сибек, научный сотрудник проекта THEMIS в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Только недавно мы достигли уровня, когда вычислительная мощность достаточна для того, чтобы охватить базовую физику в этих системах».
Теперь, когда ученые понимают, что бусинки полярного сияния предшествуют суббурям, они хотят выяснить, как, почему и когда бусинки могут вызвать полномасштабную суббурю. По крайней мере теоретически, пальцы могут запутать силовые линии магнитного поля и вызвать взрывное событие, известное как магнитное пересоединение, которое, как хорошо известно, вызывает полномасштабные суббури и полярные сияния, заполняющие ночное небо.
Новые модели открывают новые двери
С момента своего запуска в 2007 году THEMIS проводит подробные измерения при прохождении через магнитосферу, чтобы понять причины суббурь, которые приводят к полярным сияниям. В своей основной миссии THEMIS смогла показать, что магнитное пересоединение является основной причиной суббурь. Новые результаты подчеркивают важность структур и явлений в меньших масштабах - на сотни и тысячи миль в поперечнике по сравнению с теми, что простираются на миллионы миль.
«Чтобы понять эти особенности полярного сияния, вам действительно нужно разрешить как глобальные, так и более мелкие, локальные масштабы. Вот почему до сих пор это было так сложно», - сказал Слава Меркин, соавтор одного из новые документы и ученый из Центра геокосмических штормов НАСА со штаб-квартирой в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд. «Для этого требуются очень сложные алгоритмы и очень большие суперкомпьютеры».
Новое компьютерное моделирование почти идеально соответствует THEMIS и наземным наблюдениям. После первоначального успеха новых компьютерных моделей ученые THEMIS стремятся применить их к другим необъяснимым явлениям полярного сияния. В частности, при объяснении мелкомасштабных структур компьютерные модели необходимы, поскольку они могут помочь интерпретировать то, что происходит между пространствами, где проходят три космических корабля THEMIS.
«Существует множество очень динамичных, очень мелких структур, которые люди видят в полярных сияниях, которые трудно связать с более широкой картиной в космосе, поскольку они происходят очень быстро и в очень малых масштабах», - сказал Карим Соратиа. ведущий автор одной из новых статей и научный сотрудник Центра геокосмических бурь НАСА со штаб-квартирой в Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса. «Теперь, когда мы можем использовать глобальные модели для их характеристики и исследования, открывается много новых дверей».
Узнайте больше о миссиях НАСА THEMIS и ARTEMIS: