Марсианское сияние проливает свет на изменение климата

Согласно новым результатам миссии, марсианское сияние, впервые идентифицированное космическим кораблем НАСА в 2016 году, на самом деле наиболее распространенная форма сияния, встречающейся на Красной планете.

На Земле полярные сияния обычно видны как яркие проявления света в ночном небе вблизи полярных регионов, где их называют северное и южное сияние. Протонное сияние на Марсе происходит в течение дня и испускает ультрафиолетовое излучение, поэтому оно невидимо для человеческого глаза, но его можно обнаружить с помощью прибора Imaging Ultraviolet Spectrograph (IUVS) на космическом корабле MAVEN.

Миссия MAVEN состоит в исследовании, как Красная Планета потеряла большую часть своей атмосферы и воды, изменив свой климат с климата, который мог поддерживать жизнь, на климат холодный, сухой и негостеприимный. Поскольку протонное сияние косвенно генерируется водородом, полученным из марсианской воды, которая находится в процессе утекания в космос, это сияние можно использовать для отслеживания продолжающейся потери воды в Марсе.

«В новом исследовании, использующем данные MAVEN/IUVS за несколько лет на Марсе, команда обнаружила, что периоды повышенного выброса в атмосферу соответствуют увеличению интенсивности протонного сияния», - сказала ведущий автор статьи Андреа Хьюз из Авиационного университета Эмбри-Риддл, Флорида. «Возможно, однажды, когда межпланетные путешествия станут обычным явлением, путешественники, прибывающие на Марс в течение южного лета, получат места в первом ряду, чтобы увидеть марсианское протонное сияние, величественно танцующее по всей дневной планете (конечно, используя очки, чувствительные к ультрафиолету). Путешественники воочию увидят последние этапы Марса, теряющего остатки воды».

Разные явления порождают разные виды сияний. Все полярные сияния на Земле и Марсе питаются от солнечной активности, будь то взрывы высокоскоростных частиц, известных как солнечные бури, извержения газовых и магнитных полей, известные как выбросы корональной массы, или порывы солнечного ветра, который непрерывно дует в космосе со скоростью около миллиона миль в час. Например, северное и южное сияние на Земле возникает, когда сильная солнечная активность нарушает магнитосферу Земли, заставляя высокоскоростные электроны врезаться в частицы газа в ночной верхней атмосфере Земли и заставлять их светиться. Подобные процессы порождают дискретное и диффузное сияние Марса - два типа сияний, которые ранее наблюдались на марсианской ночной стороне.

Протонные полярные сияния образуются, когда протоны солнечного ветра (которые являются атомами водорода, лишенными электронов интенсивным нагревом) взаимодействуют с верхней атмосферой на дневной стороне Марса. По мере приближения к Марсу протоны, поступающие с солнечным ветром, превращаются в нейтральные атомы, крадя электроны у атомов водорода на внешней границе марсианской водородной короны, огромного облака водорода, окружающего планету. Когда высокоскоростные входящие атомы попадают в атмосферу, часть их энергии излучается в виде ультрафиолетового света.

Когда команда MAVEN впервые увидела протонное сияние, они подумали, что это необычное явление. «Сначала мы полагали, что эти события довольно редкие, потому что не смотрели в нужное время и место», - сказал Майк Чаффин, научный сотрудник Лаборатории физики атмосферы и космоса (LASP) Университета Колорадо и второй автор исследования. «Но при ближайшем рассмотрении мы обнаружили, что протонные полярные сияния встречаются гораздо чаще в дневных южных наблюдениях летом, чем мы изначально ожидали».

Команда обнаружила протонное сияние примерно в 14% дневных наблюдений, которое увеличивается более чем в 80% случаев, когда рассматриваются только дневные южные летние наблюдения. «Для сравнения, IUVS обнаружил диффузное сияние на Марсе в нескольких процентах орбит с благоприятной геометрией, а дискретные сияния еще реже», - сказал Ник Шнайдер, соавтор и руководитель группы IUVS в LASP.

Изображения протонного сияния Марса. Ультрафиолетовый спектрограф MAVEN наблюдает за атмосферой Марса, делая изображения нейтрального водорода и протонного сияния одновременно (слева). Наблюдения в нормальных условиях показывают наличие водорода на диске и в расширенной атмосфере планеты с обзорной точки на ночной стороне (в середине). Протонное сияние видно, как значительное осветление на диске (справа); вычитая вклад нейтрального водорода, распределение протонного сияния обнаруживается, когда достигает пика яркости в непосредственной близости от марсианского диска.

Корреляция с южным летом дала понять, почему протонные полярные сияния так распространены и как их можно использовать для отслеживания потерь воды. В течение южного лета на Марсе планета также находится на близком расстоянии от Солнца на своей орбите, и могут возникать огромные пыльные бури. Летнее потепление и пылевая активность, по-видимому, вызывают протонные полярные сияния, заставляя пары воды подниматься высоко в атмосферу. Солнечный ультрафиолетовый свет разлагает воду на составляющие, водород и кислород. Легкий водород слабо связан гравитацией Марса и усиливает водородную корону, окружающую Марс, увеличивая потери водорода в космос. Большее количество водорода в короне делает взаимодействие с протонами солнечного ветра более распространенным, создавая более частое и яркое протонное сияние.

«Все условия, необходимые для создания марсианского протонного сияния (например, протоны солнечного ветра, расширенная водородная атмосфера и отсутствие глобального дипольного магнитного поля), более доступны на Марсе, чем те, которые необходимы для создания других типов сияний», - сказал Хьюз. «Кроме того, связь между наблюдениями MAVEN означает, что протонное сияние может фактически использоваться для того, что происходит в водородной короне, окружающей Марс, и, следовательно, для временного увеличения выбросов в атмосферу и потери воды».