Что происходит, когда солнечный супершторм ударяет по Марсу? Благодаря марсианским орбитерам Европейского космического агентства (ESA) мы теперь знаем: сбои в работе космических аппаратов и «перезаряженная» верхняя атмосфера.
В мае 2024 года Земля подверглась крупнейшей солнечной буре, зарегистрированной более чем за 20 лет. Она заставила атмосферу нашей планеты работать на пределе, вызвав мерцающие полярные сияния, которые наблюдали вплоть до Мексики на юге.
Эта буря также достигла Марса. К счастью, два марсианских орбитера ESA — Mars Express и ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) — оказались в нужном месте в нужное время: радиационный монитор на борту TGO зафиксировал дозу, эквивалентную 200 «обычным» дням, всего за 64 часа.
Новое исследование, опубликованное сегодня в Nature Communications, теперь более подробно раскрывает, как эта интенсивная штормовая активность повлияла на Красную планету.
«Воздействие было поразительным: верхняя атмосфера Марса была затоплена электронами», — говорит научный сотрудник ESA Джейкоб Пэрротт, ведущий автор исследования. «Это была самая большая реакция на солнечную бурю, которую мы когда-либо видели на Марсе».
Супершторм вызвал резкое увеличение числа электронов в двух отдельных слоях атмосферы Марса на высотах около 110 и 130 км: количество выросло на 45% и на колоссальные 278% соответственно. Это самое большое число электронов, которое мы когда-либо наблюдали в этом слое марсианской атмосферы.
«Буря также вызвала компьютерные ошибки у обоих орбитеров — типичная опасность космической погоды, поскольку задействованные частицы настолько энергичны и их так трудно предсказать», — добавляет Джейкоб. «К счастью, аппараты были спроектированы с учетом этого и оснащены радиационно-стойкими компонентами и специальными системами для обнаружения и исправления этих ошибок. Они быстро восстановились».
Чтобы исследовать влияние супершторма на Марс, Джейкоб и коллеги использовали метод, который сейчас внедряется ESA, — радиозатмение.
Сначала Mars Express передал радиосигнал на TGO в тот самый момент, когда он скрывался за марсианским горизонтом. Когда TGO исчезал, радиосигнал изгибался («преломлялся») различными слоями атмосферы Марса, прежде чем его принял орбитер, что позволило ученым получить больше информации о каждом слое. Исследователи также использовали наблюдения миссии NASA MAVEN, чтобы подтвердить плотности электронов.
«Этот метод на самом деле использовался десятилетиями для исследования Солнечной системы, но с использованием сигналов, передаваемых с космического аппарата на Землю», — говорит Колин Уилсон, научный руководитель проекта ESA для Mars Express и TGO и соавтор исследования. «Только в последние примерно пять лет мы начали использовать его на Марсе между двумя космическими аппаратами, такими как Mars Express и TGO, которые обычно используют эти радиосистемы для передачи данных между орбитерами и роверами. Здорово видеть, как это работает на практике».
ESA регулярно использует радиозатмение «орбитер—орбитер» на Земле и планирует применять его более регулярно в будущих планетных миссиях.
Супершторм на Земле и Марсе проявился очень по-разному, что подчеркивает различия между двумя мирами.
На Земле реакция верхней атмосферы была более сдержанной благодаря экранирующему эффекту магнитного поля Земли. Помимо того что магнитное поле отклоняет значительную часть частиц солнечной бури от Земли, оно также направляет часть из них к полюсам, где они заставляют небо светиться полярными сияниями.
Хотя различия между планетами могут затруднять прямое сравнение, понимание того, как солнечная активность влияет на обитателей Солнечной системы — другими словами, прогнозирование космической погоды — чрезвычайно важно. На Земле солнечные бури могут быть опасны и разрушительны для астронавтов и оборудования в космосе, а также могут нарушать работу наших спутников и систем (энергоснабжение, радио, навигация) ниже.
Однако изучать космическую погоду сложно, поскольку Солнце выбрасывает излучение и вещество нерегулярно, из-за чего целевые измерения в значительной степени носят случайный характер. «К счастью, мы смогли использовать этот новый метод с Mars Express и TGO всего через 10 минут после того, как крупная солнечная вспышка достигла Марса. Сейчас мы проводим на Марсе лишь два наблюдения в неделю, так что время оказалось исключительно удачным», — добавляет Джейкоб.
Джейкоб и коллеги зафиксировали последствия трех солнечных событий — все они были частью одной и той же бури, но различались тем, что именно они выбрасывают в космос и как именно это делают: одна вспышка излучения, один выброс высокоэнергичных частиц и извержение вещества, известное как корональный выброс массы (CME).
Вместе эти события направили к Марсу поток быстро движущейся, энергичной, намагниченной плазмы и рентгеновского излучения. Когда этот шквал вещества достиг верхней атмосферы планеты, он столкнулся с нейтральными атомами и сорвал с них электроны, из-за чего область заполнилась электронами и заряженными частицами.
«Результаты улучшают наше понимание Марса, показывая, как солнечные бури доставляют энергию и частицы в атмосферу Марса — это важно, поскольку мы знаем, что планета потеряла в космос и огромные объемы воды, и большую часть своей атмосферы, вероятнее всего из-за постоянного ветра частиц, исходящего от Солнца», — говорит Колин.
«Но есть и другая сторона: структура и состав атмосферы планеты влияют на то, как радиосигналы распространяются в космосе. Если верхняя атмосфера Марса переполнена электронами, это может блокировать сигналы, которые мы используем для исследования поверхности планеты с помощью радара, что делает это ключевым фактором при планировании наших миссий — и влияет на нашу способность исследовать другие миры».