Исследователи обнаружили горячие атомы водорода в верхних слоях атмосферы Земли

Исследователи из Университета Иллинойса обнаружили существование горячих атомов атомарного водорода (H) в верхнем слое атмосферы Земли, известном как термосфера. Этот вывод, о котором сообщается в Nature Communications, значительно меняет текущее понимание распределения H и его взаимодействия с другими атмосферными компонентами.

Поскольку атомы H очень легкие, они могут легко преодолевать гравитационную силу планеты и навсегда уходить в межпланетное пространство. Постоянный атмосферный уход атомов H — одна из причин, по которой Марс потерял большую часть своей воды. Кроме того, атомы H играют критическую роль в физике верхних слоев атмосферы Земли и служат важным щитом для технологических активов общества, таких как многочисленные спутники на низкой околоземной орбите, от суровых условий космоса.

«Существование горячих атомов H теоретически предполагалось на очень больших высотах, выше нескольких тысяч километров, но наше открытие, что они существуют на высотах всего от 250 километров, стало настоящим сюрпризом», — сказала Лара Уолдроп, руководитель проекта. «Этот результат предполагает, что текущим атмосферным моделям не хватает ключевой физики, которая влияет на многие исследования — от атмосферного побега до тепловой структуры верхней атмосферы».

Открытие стало возможным благодаря разработке новых численных методов и их применению к многолетним данным дистанционного зондирования, полученным спутником NASA TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics).

«Классические допущения о физике верхней атмосферы не позволяли существовать горячим атомам H на этих высотах, — отметил Цзяньци Цинь, разработавший методику анализа данных. — Как только мы изменили подход, чтобы избежать этого нефизического предположения, мы смогли впервые правильно интерпретировать данные».

Атомарный водород эффективно рассеивает ультрафиолетовое излучение Солнца, и количество рассеянного света сильно зависит от количества атомов H в атмосфере. Наблюдения за этим рассеянным излучением H, такие как те, что проводит спутник NASA TIMED, можно использовать для изучения распространения этого ключевого атмосферного компонента. Анализ данных TIMED привел к неинтуитивному выводу: температура атомов H в термосфере значительно возрастает при снижении солнечной активности, в отличие от температуры окружающей атмосферы, которая при этом падает.

Результаты также показывают, что присутствие таких горячих атомов H в термосфере значительно влияет на их распределение во всей атмосфере. Происхождение этих атомов, ранее считавшихся неспособными существовать в термосфере, остается загадкой. «Мы знаем, что должен быть источник горячих атомов H, либо в локальной термосфере, либо в более удаленных слоях атмосферы, но у нас пока нет твердого ответа», — сказала Уолдроп. Работа по разгадке этой головоломки будет продолжена, поскольку знания о распределении плотности H критически важны для понимания нашей атмосферной системы и ее реакции на космическую погоду.