Впервые странные магнитные всплески над поверхностью Луны зафиксировали ещё в конце 1960-х. Американский зонд Explorer 35 и следующие за ним пилотируемые миссии «Аполлон» обнаружили, что в некоторых районах над спутником внезапно и резко возрастает магнитное поле. По сравнению с фоновыми значениями его сила росла в разы, а иногда и на порядок, причём эти всплески регистрировались на высотах в сотни километров. Это было удивительно, ведь у Луны нет собственного глобального магнитного поля, которое могло бы создавать такую картину.
Луна лишена единого магнитного щита, но в её коре сохранились так называемые магнитные аномалии — локальные участки остаточной намагниченности, доставшиеся в наследство от давно остывшего древнего динамо. Эти пятна, словно крошечные островки, создают над поверхностью миниатюрные магнитосферы, способные локально отклонять потоки солнечного ветра. Именно на границе этих импровизированных щитов и агрессивной солнечной плазмы разворачивается основное действие.
В новом исследовании, опубликованном в The Astrophysical Journal Letters, группа учёных под руководством Шу-Хуа Лай (Shu-Hua Lai) из Национального центрального университета Тайваня предложила неожиданное решение. Ключевым механизмом оказалась так называемая неустойчивость Кельвина — Гельмгольца (Kelvin-Helmholtz Instability, KHI), которая на Земле проявляется в виде живописных волнообразных облаков. В космосе этот же процесс возникает, когда два потока плазмы движутся с разной скоростью. На Луне солнечный ветер, налетающий на магнитную аномалию, резко меняет скорость, создавая мощный сдвиг, который и запускает формирование волн и вихрей.
Нелинейный подход и вихри в космосе
Предыдущие попытки объяснить эти события ограничивались упрощёнными линейными моделями, которые предсказывали, что возмущения должны быстро затухать у самой поверхности. Но новые наблюдения указывали на обратное: магнитные поля уверенно регистрировались на огромной высоте. Чтобы разрешить это противоречие, тайваньские учёные применили нелинейное магнитогидродинамическое моделирование.
В зависимости от скорости солнечного ветра их расчёты предсказывали два различных сценария развития событий. При высоких скоростях рождались ударные волны, которые быстро распространялись вверх по потоку плазмы, унося с собой возмущённое магнитное поле. Однако куда более впечатляющим оказался второй сценарий, реализующийся при медленном ветре. В этом случае на границе раздела сред формировались гигантские вихри. Магнитное поле в этих вихрях локально усиливалось в 30–40 раз по сравнению с окружающим фоном. Но самое главное — эти вихри не были изолированы. Они порождали вторичные волны, которые, подобно ряби на воде, уходили далеко вверх, в более плотные слои плазмы, объясняя тем самым наблюдения с орбиты.
Практическое подтверждение и взгляд в будущее
Убедительным доказательством состоятельности новой модели стало её совпадение с реальными данными. Рассчитанные параметры идеально легли на измерения, сделанные зондом Lunar Prospector ещё в 1998 году. Это позволило исследователям не только закрыть почти 60-летний вопрос о природе LEME, но и получить инструмент для изучения других небесных тел.
Учёные предполагают, что точно такие же процессы должны происходить и на Марсе. Эта планета, хоть и лишённая глобального магнитного поля, также обладает разрозненными участками намагниченной коры. Зонд MAVEN уже фиксировал похожие плазменные возмущения в атмосфере Красной планеты. Новое понимание физики взаимодействия солнечного ветра со слабонамагниченными телами поможет учёным лучше моделировать космическую погоду и оценивать радиационные риски для будущих исследовательских миссий и, возможно, для лунных баз.