«Космические ураганы», бушующие над Землей, удивили ученых
В прошлом году ученые объявили, что обнаружили циклоноподобные полярные сияния вблизи Северного полюса. Более 1000 км в диаметре с несколькими «рукавами», которые вращаются против часовой стрелки, они имеют спокойный центр, или «глаз», и «дождь» электронов в верхних слоях атмосферы. Команда назвала их «космическими ураганами» за их трехмерную воронкообразную форму.
«[Они] случаются там, где их никто не видит, и происходят тогда, когда никто и не подозревает, что что-то происходит», — сказал Ларри Лайонс, соавтор исследования космических ураганов и космический физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
В новом исследовании ученые проливают свет на эти загадочные явления, показывая, когда, где и как они происходят — с беспрецедентными подробностями.
Полярные сияния являются одним из наиболее заметных проявлений воздействия солнца на Землю, поскольку их мягкое свечение вызвано солнечными частицами, заряжающими молекулы в верхних слоях нашей атмосферы. Исследование этого нового типа полярного сияния выводит на первый план еще один путь, по которому солнечные частицы могут перемещаться и передавать большое количество энергии в систему Земли, входя в более высокие широты, чем типичные полярные сияния.
«Люди знали, что раньше в этом регионе было какое-то яркое полярное сияние или какие-то формы полярного сияния, но никто на самом деле не свел все это в одну взаимосвязанную картину», — сказал Лайонс. «Оно действительно сильное, и это полярное сияние может быть очень, очень ярким».
Когда мы думаем о полярных сияниях, мы часто представляем себе узкие и длинные завесы света, «танцующие» по небу в направлении восток-запад. Космические ураганы тоже ярко светятся теми же зелеными, красными, синими и розовыми оттенками. Оба явления имеют одинаковую скорость движения и высоту (от 100 до 250 километров).
А теперь самое интересное. Исследование показало, что эти циклонические полярные сияния формируются в высоких широтах вблизи Северного полюса, намного выше, где наблюдались яркие полярные сияния удлиненной формы. Они могут наблюдаться в течение восьми часов, в то время как традиционные полярные сияния длятся считанные минуты. Они также появляются в периоды низкой геомагнитной активности, когда считается, что возмущения магнитного поля Земли солнечными частицами очень малы.
Лайонс сказал, что люди на земле, скорее всего, увидят космический ураган, если будут находиться примерно на 80 градусах северной широты недалеко от Северного полюса. (Санта, возможно, видел бы его много раз, если бы существовал.) Астронавты, вероятно, также могли бы обнаружить его с Международной космической станции, если бы им показали, где и что искать.
Несмотря на то, что мы просто так не можем его увидеть, присутствие космического урагана имеет иные проявления. Как и другие полярные сияния, они препятствуют рапространению радиоволн, проходящих через верхние слои атмосферы, влияя на работу систем спутниковой связи и навигации — сообщили в электронном письме соавторы исследования Цин-Хе Чжан и Шэн Лу. Они также вызывают нагрев верхних слоев атмосферы, что может повлиять на орбиты спутников и космического мусора. Но ураганы не представляют исключительного риска для состояния космических кораблей или здоровья астронавтов.
«Как с точки зрения связи, так и с точки зрения навигации, мы хотели бы добавить этот фактор в наши прогнозы для самолетов, летающих по полярным маршрутам», — написал Чжан, профессор Института космических наук и физики в Китае в своем письме. «Изучение космических ураганов только начинается».
Я вижу центр урагана
Лайонс сказал, что случайно наткнулся на космические ураганы. Лайонс, Чжан, Лу и другие коллеги просматривали спутниковые данные для другого проекта, но заметили необычно сильные потоки плазмы — или чрезвычайно горячего, энергетически заряженного газа — в полярной шапке. Полярная шапка представляет собой полукруглую область на самых высоких широтах Земли, недалеко от Северного полюса.
Как правило, исследователи не ищут полярные сияния в полярной шапке, потому что они находятся выше аврорального овала, представляющего собой пояс на границе полярной шапки, где появляется северное сияние. Когда приток солнечных частиц возмущает магнитное поле Земли, овал полярных сияний перемещается в направлении к экватору. Во время редких сильных геомагнитных бурь люди иногда могут видеть эти «танцующие» огни даже на юге Джорджии. Однако в целом полярные сияния намного слабее в районе полярной шапки — по крайней мере, так думал Лайонс.
Присмотревшись к данным, он начал видеть очень резкое усиление полярных сияний в полярной шапке, связанное с сильными потоками плазмы.
«Постойте, эти потоки как бы плывут по кругу. А в центре есть большое полярное сияние, очень яркое полярное сияние. Хм, это интересно. Давайте посмотрим на это повнимательнее», — вспоминает Лайонс.
По словам Лайонса, на протяжении десятилетий ученые видели проблески ярких сияний в районе полярной шапки и знали о вихревых потоках плазмы, но до недавнего времени никто не составил целостной картины событий. В своем новом исследовании команда проанализировала более 300 космических ураганов за 11 лет — около 30 наблюдений в год, но их могло быть больше, если учесть время, когда спутник не производил наблюдения. Летом они чаще всего появлялись во второй половине дня.
Но как формируются эти циклонические огни?
Идет дождь из электронов, аллилуйя
Чтобы понять, как формируются космические ураганы, давайте сначала посмотрим, как обычно формируются традиционные полярные сияния.
Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром. Иногда солнечный ветер может быть усилен вспышками на солнце. Процесс возникновения полярного сияния начинается, когда волна частиц и энергии Солнца приводит к возмущению магнитосферы Земли, представляющей собой невидимый магнитный щит, в основном образованный электрическими токами в ядре Земли и защищающий нашу планету от высокоэнергетического излучения и солнечных частиц. Этот всплеск изменяет конфигурацию (например, форму и направление) некоторых силовых линий магнитного поля Земли.
Некоторые электроны захватываются вдоль силовых линий магнитного поля и ускоряются в верхних слоях атмосферы. Здесь они сталкиваются и временно заряжают молекулы азота и кислорода и испускают фотоны света. Это то, что мы знаем как северное сияние или полярное сияние.
Точно так же космические ураганы вызываются электронами, попадающими в атмосферу и заряжающими молекулы. Но они формируются на широтах внутри полярной шапки, которые выше, чем там, где создаются традиционные полярные сияния, сказал Лайонс.
Возможно, космические ураганы не совсем «новые», сказала Мария Валах, физик космической плазмы, не участвовавшая в исследовании. Они выглядят физически похожими на ранее наблюдаемое явление, называемое дневным сиянием в области выскоих широт, сказала она, задаваясь вопросом, усматривают ли ученые в этом новое открытие. Авторы исследования заявили, что они отличаются от предыдущих наблюдений дневного сияния на высоких широтах, потому что они намного ярче, содержат сильные вихревые потоки в ионосфере и могут иметь ураганоподобные «рукава».
В любом случае Уолах из Ланкастерского университета в Великобритании сказал, что новые наблюдения могут помочь ученым составить более полное представление об условиях, при которых возникают эти типы полярных сияний.
Прости, Голливуд, космические ураганы — это не сценарий конца света, но не стесняйтесь снять фильм с Райаном Рейнольдсом, объясняющим физику полярных сияний.
Источник: The Washington Post
