Миссия Cluster ЕКА установила, почему сияют полярные сияния Земли

Миссия Cluster Европейского космического агентства (ЕКА) установила, что высокоскоростные потоки ионизированного газа, известные как взрывные объемные течения (Bursty Bulk Flows, BBFs), в магнитном поле Земли являются переносчиками решающих количеств массы, энергии и магнитных возмущений в сторону Земли во время магнитных суббурь. Когда происходят суббури, энергичные частицы бомбардируют нашу атмосферу, заставляя сиять полярные сияния.

Эти красочные сияния регулярно освещают высокие широты в северном и южном полушариях. В основном они вызваны энергичными электронами, которые движутся по спирали вдоль силовых линий магнитного поля Земли и сталкиваются с атомами атмосферы на высоте около 100 километров. Эти электроны приходят из магнитного хвоста — области пространства на ночной стороне Земли, где солнечный ветер растягивает магнитное поле планеты в длинный хвост.

В центре хвоста находится более плотная область, известная как плазменный слой. Его резкие изменения называются магнитными суббурями. Они длятся до нескольких часов и каким-то образом выбрасывают электроны и другие заряженные частицы в сторону Земли. Помимо красивого светового шоу, суббури также возбуждают ионосферу Земли, нарушая прием сигналов GPS и связь между Землей и орбитальными спутниками.

Ключевым вопросом о суббурях было определение того, как они выбрасывают материю к Земле. Так называемые взрывные объемные течения (BBFs) — потоки газа, движущиеся со скоростью более 300 километров в секунду через плазменный слой, — были открыты в 1980-х годах и стали рассматриваться как возможный механизм.

Наблюдения показывали, что BBFs относительно невелики и обычно длятся всего 10 минут, что ставило под сомнение их значительную роль в явлении магнитной суббури. Также существовали сомнения, происходят ли BBFs при всех суббурях.

Теперь эти сомнения оспорены статистическим исследованием BBFs и магнитных суббурь, проведенным доктором Цзиньбинем Цао из Ключевой лаборатории космической погоды Китайского центра космических наук и прикладных исследований (CSSAR) в Пекине совместно с американскими и европейскими коллегами.

Используя наблюдения за центральным плазменным слоем, собранные тремя спутниками миссии Cluster ЕКА в июле–октябре 2001 и 2002 годов, Цао и коллеги обнаружили 67 суббурь и 209 событий BBFs. При использовании данных только с одного космического аппарата они обнаружили, что 78% суббурь сопровождаются по крайней мере одним BBF. Однако, объединив наблюдения трех из четырех спутников Cluster, они выяснили, что 95,5% суббурь сопровождаются BBFs. «Впервые кажется возможным, что все суббури сопровождаются BBFs», — говорит Цао.

Еще один ключевой результат этой работы заключается в том, что средняя продолжительность BBF оказалась больше, чем предполагалось ранее. Наблюдения с одного спутника подтвердили прошлые результаты о продолжительности BBF около 10 минут.

Однако, объединив данные с трех спутников Cluster, наблюдения показали среднюю продолжительность почти в два раза больше: 18 минут и 25 секунд. Таким образом, данные с нескольких космических аппаратов, предоставленные Cluster, снова позволили раскрыть больше информации о магнитной среде Земли, чем данные с одного аппарата.

«Эти новые результаты миссии Cluster ясно показывают, что многоточечные наблюдения являются ключом к пониманию явления магнитной суббури», — говорит Филипп Эскубе, научный руководитель проектов Cluster и Double Star в Европейском космическом агентстве.

Результаты опубликованы в Journal of Geophysical Research в статье «Joint observations by Cluster satellites of bursty bulk flows in the magnetotail» (J. Geophys. Res., 111, A04206, doi:10.1029/2005JA011322, 2006).