Учёные обнаружили обратное электрическое поле вокруг Земли

Связь между распределением заряда (зарядка), электрической силой и потоком плазмы (конвекция) вблизи экваториальной плоскости магнитосферы. Автор: KyotoU / Лаборатория Эбихары

Область космоса, контролируемая магнитным полем Земли, называется магнитосферой. Внутри этого огромного магнитного пузыря учёные наблюдали электрическое поле, которое простирается от утренней стороны Земли к вечерней. Эта крупномасштабная электрическая сила оказывает значительное влияние на геомагнитные возмущения, включая бури, которые могут нарушать работу спутников и систем связи.

Поскольку электрические силы движутся от положительных зарядов к отрицательным, учёные ранее предполагали, что магнитосфера имеет положительный заряд на утренней стороне и отрицательный — на вечерней. Однако недавние спутниковые измерения опровергли эту давнюю идею, показав, что фактическое распределение заряда противоположно ожидаемому.

Это удивительное открытие побудило исследователей из Университета Киото, Университета Нагоя и Университета Кюсю пересмотреть формирование и поддержание электрических характеристик магнитосферы.

Для проверки своих гипотез команда использовала крупномасштабное магнито-гидродинамическое (МГД) моделирование для воссоздания условий в околоземном пространстве. Их модель включала постоянный поток высокоскоростного солнечного ветра — непрерывного потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Результаты подтвердили недавние спутниковые наблюдения, показав, что утренняя сторона магнитосферы несёт отрицательный заряд, а противоположная сторона — положительный, но эта закономерность действует не везде.

В полярных регионах полярность заряда соответствует традиционной теории. Однако вблизи экватора картина меняется на противоположную на обширной территории, создавая разительное различие между двумя зонами.

Движение плазмы объясняет загадку

«Согласно традиционной теории, полярность заряда в экваториальной плоскости и над полярными регионами должна быть одинаковой. Почему же тогда мы наблюдаем противоположные полярности между этими регионами? Это можно объяснить движением плазмы», — поясняет ведущий автор Юсукэ Эбихара из Университета Киото.

Когда магнитная энергия от Солнца попадает в магнитное поле Земли, она движется по часовой стрелке на вечерней стороне планеты и направляется к полюсам. Между тем, силовые линии магнитного поля Земли проходят от Южного полушария к Северному — вверх вблизи экватора и вниз вблизи полюсов. Эта противоположная ориентация между магнитным полем и потоком плазмы приводит к обращению распределения заряда между регионами.

«Электрическая сила и распределение заряда являются следствиями, а не причинами движения плазмы», — говорит Эбихара.

Это понимание меняет подход учёных к интерпретации электрической активности в околоземном пространстве.

Более широкие последствия для планетологии

Конвекция плазмы — крупномасштабное движение заряженных частиц внутри магнитосферы — управляет многими динамическими космическими явлениями. Недавние исследования также предполагают, что это движение влияет на радиационные пояса Земли — области, заполненные быстродвижущимися высокоэнергетическими частицами.

Проясняя, как движение плазмы формирует электрические поля, это исследование углубляет понимание поведения крупномасштабной космической плазмы. Оно также проливает свет на аналогичные процессы, происходящие вокруг других магнитных планет, включая Юпитер и Сатурн, расширяя наше понимание того, как планетарные среды эволюционируют по всей Солнечной системе.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Киото.

Юсукэ Эбихара, Масафуми Хирахара, Такаси Танака. Исследование МГД-моделирования квазистационарного утренне-вечернего конвекционного электрического поля в магнитосфере Земли. Журнал геофизических исследований: Физика космического пространства, 2025; 130 (7) DOI: 10.1029/2025JA033731