Ученые разгадали тайну северного сияния и выяснили, откуда берется энергия для этого поистине красивого космического шоу. Оказалось, что атмосферу Земли подпитывает своего рода космическая батарейка — плазменные волны Альфвена, которые движутся вдоль линий магнитного поля планеты.
До этого исследователи уже знали, что свечение возникает из-за заряженных частиц, врезающихся в атмосферу. Но им было интересно, какая сила разгоняет их до таких скоростей и почему электрические поля, которые их ускоряют, до сих пор работают? По логике вещей, без источника питания они должны были затухнуть за считанные секунды.
Международная команда из Гонконгского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе нашла ответ. Ключом стал опыт изучения магнитосфер Юпитера и Сатурна — специалисты применили планетарный подход к земной загадке. Выяснилось, что волны Альфвена работают как природные ускорители, постоянно подзаряжая область, где происходит разгон частиц.
Чтобы подтвердить теорию, авторы проанализировали данные со спутников NASA — зондов Van Allen и миссии THEMIS. Приборы этих аппаратов фиксировали движение заряженных частиц на разных высотах, от дальних областей магнитосферы до верхних слоев атмосферы. Оказалось, что волны Альфвена действительно непрерывно пополняют энергию в зоне ускорения. Благодаря этому электрические поля остаются активными, а северное сияние продолжает светиться, вместо того чтобы погаснуть после короткой вспышки.
Зонды Van Allen Probes работали на орбите с 2012 по 2019 год, их оснастили комплексом приборов для измерения электрических и магнитных полей, а также энергетических характеристик частиц. Спутники миссии THEMIS, запущенные в 2007 году, до сих пор собирают данные о динамике магнитосферы и позволяют отслеживать процессы в режиме реального времени.
Профессор Чжунхуа Яо из Гонконгского университета подчеркнул, что теперь смело можно сказать, что вопрос о физике земного сияния закрыт. Более того, эта модель применима к другим планетам Солнечной системы. Команда Яо давно занималась изучением полярных сияний на планетах-гигантах, теперь же эти знания помогли разобраться с процессами около Земли.
Поскольку волны Альфвена — фундаментальное явление в физике плазмы, открытие имеет универсальное значение. Вероятно, тот же механизм работает на Юпитере, Сатурне и других небесных телах с магнитным полем. Кстати, яркость полярных сияний на газовых гигантах в сотни раз превосходит земные — это связано с мощнейшими магнитосферами этих планет и интенсивным потоком частиц от их спутников.
Похожие исследования ведутся в рамках миссии Juno, изучающей Юпитер с 2016 года, и проекта Cassini, который до 2017 г собирал данные о Сатурне. Европейское космическое агентство готовит запуск миссии JUICE, которая займется детальным изучением ледяных спутников Юпитера и его магнитосферы.
Ранее мы писали о том, что на Солнце заметили гигантскую «цифру 1».