Объяснено редкое явление исчезновения солнечного ветра на Марсе

Иллюстрация марсианской ионосферы и магнитосферы до, во время и после исчезновения солнечного ветра. Автор: Ram et al., 2024.

Атмосфера и климат Марса подвержены влиянию солнечного ветра — потока плазмы, состоящего из протонов и электронов, который вытекает из внешней атмосферы Солнца (короны) и движется со скоростью 400–1000 километров в секунду.

Поскольку эти заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем и атмосферой планеты, мы можем наблюдать впечатляющие полярные сияния над полярными регионами Земли. Учитывая отсутствие у Марса глобального магнитного поля, полярные сияния здесь рассеяны по всей планете.

Однако иногда этот солнечный ветер может «исчезать» в редких случаях, когда в пути солнечного ветра появляется разрыв, поскольку солнце увеличивает свою солнечную активность. Это происходит, когда более быстрая часть солнечного ветра догоняет более медленную в области коротирующего взаимодействия и включает ее, оставляя пустоту с меньшей плотностью в пути солнечного ветра.

Это явление наблюдалось в течение трех дней в декабре 2022 года во время миссии NASA MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN). В результате отсутствия солнечного ветра падение давления привело к расширению атмосферы и магнитосферы Марса на тысячи километров, увеличившись в размерах в три раза. Это также послало сверхзвуковую ударную волну вокруг планеты, известную как ударная волна.

Новое исследование, опубликованное в Geophysical Research Letters, рассмотрело последствия этой сниженной активности солнечного ветра. Профессор Суманта Саркхел и доктор философии Лот Рам (Индийский технологический институт Рурки), а также доктор Диптираджан Раут (Индийская национальная лаборатория атмосферных исследований) использовали данные с анализатора ионов солнечного ветра, магнитометра, зонда Ленгмюра и ионного масс-спектрометра на борту космического корабля MAVEN для исследования электронов и ионных плотностей Марса, ионных плотностей солнечного ветра, скоростей, давления и магнитного поля во время события.

Исследователи определили, что сторона планеты, которая обращена от Солнца, ее ночная сторона, имела повышенную плотность плазмы в ионосфере на высотах 200–280 километров, причем максимум был в 2,5 раза выше, чем при нормальных условиях. Это является результатом увеличения ионосферного давления на два порядка по сравнению с магнитным и динамическим давлением солнечного ветра.

Во время этого события количество электронов и ионов в ионосфере увеличилось в 2,5 и 10 раз соответственно. Однако отдельные ионы имели различные увеличения своей максимальной плотности от 10 раз для N ⁺ до 67 раз для O ⁺.

Ученые предполагают, что возможными причинами такой более высокой плотности плазмы могут быть расширение из нижней ионосферы в верхнюю из-за разницы давления (высокого в ионосфере и низкого в солнечном ветре) и/или увеличение переноса плазмы с дневной стороны Марса на ночную.

Помимо этого, необходима дальнейшая работа для понимания роли топологии магнитного поля с учетом структуры и связанности линий магнитного поля и их силы при взаимодействии плазмы с поверхностью Марса.

«В замкнутом контуре магнитного поля плазма удерживается внутри, то есть никакая атмосферная плазма не теряется в космосе», — говорит профессор Сархель. «В открытом контуре марсианская плазма может вырваться через магнитное поле, а плазма солнечного ветра может войти в марсианскую атмосферу и изменить динамику атмосферы».

«Наконец, в сценарии с закрученной петлей магнитное поле солнечного ветра может поглотить планету и намагнитить ионосферу, что означает, что ионы и электроны попадают в поле солнечного ветра, а плазма покидает планету. В областях с более сильным магнитным полем плазма сильнее привязывается к магнитным петлям, и наоборот в более слабых областях».

Понимание эффекта исчезновения солнечного ветра имеет жизненно важное значение не только для расширения наших знаний о его взаимодействии с космической средой и поверхностью Марса, но и для исследований человеком, поскольку для успешного продолжения миссии может потребоваться корректировка орбиты космического корабля с учетом возросшего сопротивления плотной плазмы.

«Расширение системы магнитосферы-ионосферы может привести к потере атмосферы и усилению взаимодействия с солнечной радиацией или космическими лучами. Кроме того, расширение приводит к увеличению сопротивления спутников на орбите как на низких, так и на высоких планетарных орбитах. Например, в 2022 году Space X потеряла 40 спутников на низкой околоземной орбите через день после запуска из-за повышенной плотности на высотах ионосферы во время геомагнитной бури.

«Поэтому понимание планетарной космической погоды во время солнечного покоя (или исчезновения солнечного ветра) и штормовых периодов имеет решающее значение для будущего планетарных спутников и исследований, а также для безопасности робототехники и астронавтов. В конечном итоге эти знания могут даже оказаться полезными для оценки пригодности Марса для жизни».

Больше информации: L. Ram et al, Mars Nightside Ionospheric Response During the Disappearing Solar Wind Event: First Results, Geophysical Research Letters (2024). DOI: 10.1029/2024GL113377