В космическом вакууме, где невозможны привычные воздушные потоки, существуют особые «ветры». Ученые обнаружили, что помимо солнечного, Земля генерирует собственный плазмосферный ветер. Об этом явлении рассказывает профессор кафедры физики ЗабГУ, доктор педагогических наук Старостина Светлана.
Природа явления
Плазмосфера — внутренняя область магнитосферы Земли. Она простирается от высоты около тысячи километров над поверхностью планеты до 25–38 тыс. километров. В этой области скапливается плазма — ионизированный газ, состоящий преимущественно из электронов и ионов. Эти заряженные частицы поступают из верхнего слоя атмосферы Земли (ионосферы).
Из плазмосферы исходит постоянный поток плазмы, который уносит частицы за ее пределы. Этот поток и есть плазмосферный ветер.
Данное явление формируется из-за дисбаланса трех основных сил:
- Гравитационное притяжение Земли стремится удержать частицы вблизи планеты.
- Центробежная сила, возникающая из-за вращения Земли, отбрасывает частицы от оси вращения.
- Сила давления плазмы заставляет частицы двигаться в направлении меньшего давления.
Этот дисбаланс приводит к постоянному перемещению плазмы и формирует устойчивый поток, направленный от Земли.
«Хотя по земным меркам плазмосферный ветер кажется незначительным, его параметры впечатляют: скорость потока — более 5000 км/ч, а переносимая масса — около 1 кг в секунду, что составляет почти 9 тонн в сутки», — отмечает Светлана Старостина.
История открытия
Существование плазмосферного ветра впервые было теоретически предсказано в 1992 году бельгийским ученым Жозефом Лемером и американским исследователем Робертом Шанком. Однако на протяжении более двух десятилетий подтвердить эту гипотезу не удавалось: явление оказалось слишком слабым, чтобы его можно было зафиксировать с помощью существовавших тогда приборов.
Прорыв произошел в 2013 году благодаря четырем спутникам Cluster Европейского космического агентства (ESA). Эти аппараты оснащены высокочувствительными приборами для измерения ионной массы и энергии — именно они позволили собрать необходимые данные о движении заряженных частиц.
Ключевую роль в открытии сыграл французский физик Яннис Дандурас. Он провел детальный анализ массива данных, полученных со спутников Cluster. Ученый изучил параметры ионов в околоземном пространстве, включая их массу, энергию и направление движения. На основе этих данных Дандурас разработал специальную методику фильтрации, которая позволила выделить слабый, но устойчивый поток плазмы из общего хаотического движения частиц. Анализируя информацию, собранную в условиях спокойной магнитосферы (без влияния солнечных бурь), ученый обнаружил устойчивое движение плазмы наружу. Это наблюдение стало окончательным доказательством существования плазмосферного ветра.
Роль космического «ветра»
Плазмосферный ветер играет ключевую роль в круговороте вещества в околоземном пространстве, выступая механизмом обмена между атмосферой Земли и космосом. Это явление обеспечивает как потерю вещества из верхних слоев атмосферы, так и подпитку внешней магнитосферы.
Важнейшее влияние ветер оказывает на космическую среду через динамику радиационных поясов Ван Аллена. Эти области, заполненные заряженными частицами высокой энергии, представляют серьезную опасность для космических аппаратов и космонавтов. Изучение потоков плазмы позволяет точнее прогнозировать космическую погоду и ее воздействие на технологии и здоровье человека.
Существенное значение имеет влияние ветра на системы связи. Вещество плазмосферы воздействует на прохождение радиосигналов, вызывая задержки и искажения в работе навигационных систем, включая GPS. Новые данные о плазмосферном ветре помогают совершенствовать модели распространения радиоволн и повышать точность навигации.
Значение для науки выходит далеко за пределы изучения Земли. Ученые предполагают существование аналогичных ветров у других планет при наличии быстрого вращения, атмосферы и магнитного поля. Исследование земных процессов помогает понять эволюцию атмосфер других планет и их потенциал для поддержания жизни.
«Плазмосферный ветер — неотъемлемая часть сложной системы, связывающей нашу планету с ближайшим космосом. Он демонстрирует, что даже на небольшом расстоянии от Земли существует своя «погода», динамика и баланс сил, которые ученые только начинают полностью понимать. Изучение этого явления не только углубляет наши знания о магнитосфере и атмосфере, но и открывает новые возможности для исследования планетных систем за пределами Земли», — подводит итог ученый.