Магнитосфера Земли: щит или сито?

Принадлежащая Европейскому космическому агентству группа спутников Cluster, задача которой — исследование земной магнитосферы, собрала информацию о том, что защитные свойства последней по меньшей мере преувеличены.

Когда солнечный ветер взаимодействует с магнитосферой Земли, сценарии могут быть самыми разными. Благодаря высокой проводимости плазмы солнечного ветра магнитное поле Солнца оказывается «вмороженным» в истекающие потоки ветра и, следовательно, постоянно присутствует в межпланетной среде. Это явление известно как межпланетное магнитное поле. Когда такое поле и магнитное поле Земли имеют противоположные направления магнитных линий, происходит магнитное пересоединение. В итоге, как выяснилось, плазма солнечного ветра входит непосредственно в магнитосферу и попадает на Землю.

Тут, конечно, не обходится без последствий: полярные сияния (в том числе в умеренных широтах), сбои связи, исчезновение сигнала GPS…

Когда межпланетное магнитное поле (белая стрелка) ориентировано на запад или восток, нестабильность Кельвина — Гельмгольца приводит к попаданию солнечного ветра в атмосферу высоких широт. (Здесь и ниже иллюстрации AOES Medialab.)

Миссия Cluster выявила неожиданное. В районе магнитопаузы существуют огромные — до 40 тыс. км — вихри, порождаемые неустойчивостью Кельвина — Гельмгольца, которая возникает при наличии сдвига между слоями сплошной среды либо тогда, когда две контактирующие среды имеют достаточную разность скоростей. Наиболее распространённым примером такой неустойчивости считается возникновение волн на поверхности воды при наличии ветра. На границе магнитосферы Земли и межпланетного магнитного поля, таким образом, тоже есть волновые явления, включая огромных масштабов вихри.

Магнитные волны Кельвина — Гельмгольца, как оказалось, способны обеспечивать частицам солнечного ветра систематическое проникновение в область, теоретически защищаемую магнитосферой планеты.

В случае же, когда межпланетное магнитное поле направлено на север или юг, прорыв плазмы солнечного ветра происходит даже в низких, субэкваториальных широтах.

«Мы обнаружили, что в тех случаях, когда межпланетное магнитное поле направлено с запада или востока, слои магнитопаузы в высоких широтах становятся более подверженными нестабильности Кельвина — Гельмгольца, — рассказывает Кионг-Джу Хван из Центра космических полётов имени Годдарда (США), ведущий автор рассматриваемого исследования. — В действительности очень сложно представить себе ситуацию, когда плазма солнечного ветра не смогла бы проникнуть в магнитосферу, поскольку последняя не является совершенным магнитным доменом».

Таким образом, на деле магнитосфера Земли напоминает сито, позволяющее солнечному ветру постоянно проникать к Земле. Сходные эффекты отмечаются и в магнитосфере Меркурия, а также у Сатурна. Это заставляет предположить, что Земля в этом отношении не уникальна и магнитосфера не защищает от плазмы солнечного и звёздного ветров ни планеты Солнечной системы, ни экзопланеты. Словом, опасность солнечного ветра, которому иные теории приписывали роль главного «похитителя» воды и атмосферы Марса, по всей видимости, существенно преувеличена. По крайней мере его доступ внутрь расположенной ближе к Солнцу магнитосферы Земли за миллиарды лет не привёл к таким последствиям.

Рассказ об исследовании появился в издании Journal of Geophysical Research.

Подготовлено по материалам Европейского космического агентства.