Учёные обнаружили ионы-«автостопщики» и волновую активность в солнечном ветре у Земли

На этой иллюстрации показана магнитосфера Земли, взаимодействующая с солнечным ветром. Магнитосфера защищает Землю от вредного солнечного и космического излучения. Автор: NASA

Новое исследование под руководством доктора Майкла Старки из Юго-Западного исследовательского института (SwRI) предоставило наблюдательные доказательства существования ионов-«автостопщиков» (pickup ions, PUIs) и связанной с ними волновой активности в околоземной среде солнечного ветра. Данные были получены в ходе миссии Magnetospheric Multiscale (MMS), запущенной NASA в 2015 году. Эта миссия разместила четыре космических аппарата на орбите для наблюдения за магнитосферой Земли — магнитным полем вокруг планеты, которое защищает её от вредного солнечного и космического излучения.

Статья «Первые наблюдения MMS волн, возможно, генерируемых PUIs вблизи Земли» опубликована в Journal of Geophysical Research: Space Physics.

PUIs образуются, когда нейтральные частицы, движущиеся через гелиосферу, ионизируются в солнечном ветре. Эти PUIs увлекаются солнечным ветром и вращаются вокруг локального магнитного поля, формируя отдельную популяцию плазмы с характеристиками, отличными от типичной популяции солнечного ветра.

Наблюдения показали, что PUIs имеют типичное распределение по скоростям при отсутствии каких-либо других значительных популяций энергичных ионов или электронов. Волновая активность была идентифицирована с использованием данных о магнитном поле от MMS в сочетании с теоретическим анализом ожидаемых режимов роста волн на основе моделей наблюдаемых PUIs.

«Результаты этого исследования указывают на то, что PUIs действительно могут генерировать волны в солнечном ветре вблизи Земли, и мотивируют необходимость дальнейших статистических исследований этих процессов», — заявил Старки. «Возможно, PUIs играют бóльшую роль в нагреве и терминализации солнечного ветра вблизи Земли, чем считалось ранее, что будет иметь большие последствия для моделей солнечного ветра во всей гелиосфере».

Смоделировав отдельные ионные компоненты (солнечный ветер и PUIs), авторы определили, какие популяции могут быть ответственны за наблюдаемую волновую активность. Они пришли к выводу, что наблюдаемые волны, вероятно, генерируются гелиевыми и/или водородными PUIs, но из-за ограничений инструментов не смогли точно определить конкретный вид ионов, ответственный за это.

На больших расстояниях от Солнца относительная плотность PUIs в солнечном ветре увеличивается, что усиливает их вклад в нагрев и терминализацию солнечного ветра посредством волно-частичных взаимодействий. На внешних границах Солнечной системы PUIs вносят значительный вклад в общее динамическое давление в солнечном ветре, что имеет большие последствия для физических процессов, происходящих на termination shock (ударной волне прекращения) и в гелиосфере.

«Вблизи Земли интенсивность PUIs относительно низка, и поэтому обычно предполагается, что их вклад в волно-частичные взаимодействия в солнечном ветре ничтожен», — добавил Старки. «Если это предположение неверно, текущая теория и моделирование солнечного ветра и его эволюции во всей гелиосфере нуждаются в обновлении».

Больше информации: Michael J. Starkey et al, First MMS Observations of Waves Possibly Generated by PUIs Near Earth, Journal of Geophysical Research: Space Physics (2025). DOI: 10.1029/2024JA033660

Источник: Southwest Research Institute