Спутниковые наблюдения опровергли представления о распределении заряда в магнитосфере Земли

Связь между распределением заряда, электрической силой и потоком плазмы (конвекцией) вблизи экваториальной плоскости магнитосферы. Автор: KyotoU / Ebihara lab

Область космоса, где доминирует магнитное поле Земли, называется магнитосферой. Наблюдения показали, что в этой области электрическая сила действует с утренней стороны на вечернюю (если смотреть с Земли). Эта крупномасштабная электрическая сила считается ключевым фактором различных возмущений, таких как геомагнитные бури.

Поскольку электрические силы действуют от положительного заряда к отрицательному, ранее считалось, что магнитосфера заряжена положительно на утренней стороне и отрицательно — на вечерней. Однако недавние спутниковые наблюдения показали, что полярность на самом деле обратная.

Это открытие побудило команду исследователей из университетов Киото, Нагои и Кюсю пересмотреть базовые механизмы магнитосферы. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics.

Используя крупномасштабные магнито-гидродинамические (MHD) симуляции, команда воссоздала околоземное пространство, предполагая устойчивый высокоскоростной поток плазмы от Солнца (солнечный ветер). Результаты моделирования подтвердили недавние наблюдения: отрицательный заряд возникает на утренней стороне, а положительный — на вечерней, но не везде.

В полярных регионах полярность остаётся в соответствии с традиционным пониманием. В то же время в экваториальной области она меняется на противоположную на обширной территории.

«В классической теории полярность заряда в экваториальной плоскости и над полярными регионами должна быть одинаковой. Почему же мы видим противоположные полярности в этих областях? Это можно объяснить движением плазмы», — говорит ведущий автор исследования Юсуке Эбихара из Киотского университета.

Вид магнитосферы с дневной стороны. Цветовая шкала на экваториальной плоскости показывает плотность заряда ρ, а на сфере радиусом 3 R_E — токи вдоль силовых линий (положительные направлены вниз). В правой панели красноватые (голубоватые) изоповерхности показывают плотность заряда +2.5 × 10⁻²⁰ C/m³ (−2.5 × 10⁻²⁰ C/m³). Чёрные контурные линии на сфере обозначают эквипотенциальные поверхности, проецируемые из ионосферы вдоль дипольного магнитного поля. Автор: Journal of Geophysical Research: Space Physics (2025). DOI: 10.1029/2025JA033731

Когда магнитная энергия Солнца попадает в магнитосферу, она циркулирует по часовой стрелке на вечерней стороне и направляется к полярным регионам.

С другой стороны, магнитное поле Земли направлено из Южного полушария в Северное, то есть вверх вблизи экваториальной плоскости и вниз над полярными регионами. В результате относительная ориентация движения плазмы и магнитного поля меняется между этими областями.

«Электрическая сила и распределение заряда — это следствия, а не причины движения плазмы», — поясняет Эбихара.

Конвекция, описывающая поток плазмы в магнитосфере, является основным фактором различных явлений в космической среде. Недавние исследования также подчеркивают её косвенную роль в модуляции радиационных поясов — областей, заполненных высокоэнергетическими частицами, движущимися почти со скоростью света.

Эти выводы способствуют лучшему пониманию фундаментальной природы крупномасштабных потоков плазмы в космосе. Поскольку эти явления играют ключевую роль в изменчивости космической среды, исследование также даёт представление о планетарных условиях вокруг магнитных планет, таких как Юпитер и Сатурн.

Дополнительная информация: Yusuke Ebihara et al, MHD Simulation Study on Quasi‐Steady Dawn‐Dusk Convection Electric Field in Earth's Magnetosphere, Journal of Geophysical Research: Space Physics (2025). DOI: 10.1029/2025JA033731

Источник: Kyoto University