Сильные ветры приводят в действие электрические поля в верхних слоях атмосферы, обнаружил спутник НАСА

Используя результаты наблюдений миссии НАСА "ICON", ученые представили первые прямые измерения давно теоретически известного земного динамо на краю космоса: электрического генератора, приводимого в действие ветром, который охватывает земной шар на высоте 60 с лишним миль над нашими головами. 

Динамо вращается в ионосфере, электрически заряженной границе между Землей и космосом. Оно приводится в движение приливными ветрами в верхних слоях атмосферы, которые по скорости превосходят большинство ураганов и поднимаются из нижних слоев атмосферы, создавая электрическую среду, которая может влиять на спутники и технологии на Земле.

Новая работа, опубликованная сегодня в журнале Nature Geoscience, улучшает наше понимание ионосферы, что помогает ученым лучше предсказывать космическую погоду и защищать наши технологии от ее воздействия.

Запущенный в 2019 году аппарат ICON, сокращенно от Ionospheric Connection Explorer, призван выяснить, как погода на Земле взаимодействует с погодой в космосе. Радио- и GPS-сигналы проходят через ионосферу, в которой находятся авроры и Международная космическая станция. Пустые карманы или плотные скопления электрически заряженных частиц могут нарушить эти сигналы.

Ученые, изучающие атмосферу и космическую погоду, давно включили динамо-машину Земли в свои модели, потому что знали о ее важном влиянии. Но при недостатке информации им приходилось делать некоторые предположения о том, как оно работает. Данные ICON - это первое конкретное наблюдение за ветрами, подпитывающими динамо и в конечном итоге влияющими на космическую погоду, которое можно использовать в этих моделях.

"Первый год работы ICON в космосе показал, что предсказание этих ветров является ключом к улучшению нашей способности предсказывать происходящее в ионосфере", - сказал Томас Иммель, главный исследователь ICON из Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор нового исследования.

Небесный генератор Земли

Ионосфера похожа на бурлящее море электрически заряженных частиц, созданных Солнцем и перемешанных с нейтральной верхней атмосферой. Находясь между Землей и космосом, ионосфера реагирует на изменения, происходящие как от Солнца вверху, так и от Земли внизу. Насколько сильно влияние каждой из сторон - вот что интересует исследователей. Изучая данные ICON за год, исследователи обнаружили, что большая часть наблюдаемых ими изменений происходит в нижних слоях атмосферы.

В ионосфере высотные ветры, как правило, давят на крупные заряженные частицы сильнее, чем на маленькие отрицательно заряженные электроны. Такое разделение между ионами и электронами создает электрическое поле в области динамо, вблизи нижней части ионосферы.

Генераторы работают путем многократного перемещения проводника, несущего электричество - например, медного провода - через магнитное поле. Наполненная электрически заряженными газами, называемыми плазмой, ионосфера действует как провод, или, скорее, запутанный клубок проводов: Электричество течет прямо через нее. Подобно динамо в ядре Земли, динамо в атмосфере создает электромагнитные поля в результате движения.

Сильные ветры в термосфере - слое верхней атмосферы, известном своими высокими температурами, - толкают плазму с током в ионосфере по невидимым линиям магнитного поля, которые, подобно луку, опоясывают Землю. Ветер, как правило, больше давит на крупные положительно заряженные частицы, чем на маленькие отрицательно заряженные электроны. "Плюсы движутся иначе, чем минусы", - говорит соавтор исследования Брайан Хардинг, физик из Калифорнийского университета в Беркли. "Это и есть электрический ток".

В большинстве генераторов эти компоненты крепко связаны, поэтому они остаются на месте и действуют предсказуемо. Но ионосфера может двигаться, как ей заблагорассудится. "Ток генерирует собственное магнитное поле, которое борется с магнитным полем Земли, проходя через нее", - говорит Иммель. "В итоге вы получаете провод, который пытается уйти от вас. Это беспорядочный генератор".

Слежение за капризами ионосферы является ключом к прогнозированию потенциального воздействия космической погоды. В зависимости от того, в какую сторону дует ветер, плазма в ионосфере выбрасывается в космос или падает на Землю. Такое поведение является результатом перетягивания каната между ионосферой и электромагнитными полями Земли.

Динамо, которое находится в нижней части ионосферы, долгое время оставалось загадкой, потому что его трудно наблюдать. Находясь слишком высоко для научных аэростатов и слишком низко для спутников, оно ускользает от многих инструментов, которыми располагают исследователи для изучения околоземного пространства. ICON обладает уникальными возможностями для исследования этой части ионосферы сверху, используя естественное свечение верхних слоев атмосферы для обнаружения движения плазмы.

ICON одновременно наблюдает мощные ветры и мигрирующую плазму. "Впервые мы смогли сказать, какой вклад вносит ветер в поведение ионосферы, без каких-либо предположений", - сказала Астрид Мауте, другой соавтор исследования и ученый ICON из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, штат Колорадо.

По словам Иммеля, только в последнее десятилетие или около того ученые поняли, насколько сильно меняются эти восходящие ветры. "Не ожидалось, что верхние слои атмосферы будут быстро меняться", - сказал он. "Но это происходит изо дня в день. Мы обнаружили, что все это происходит из-за изменений, вызванных нижними слоями атмосферы".

Сила ветра

Ветры, проносящиеся над поверхностью Земли, хорошо знакомы: от легкого бриза до бодрящих порывов, которые дуют то в одну, то в другую сторону.

Высотные ветры - это совсем другой зверь. На высоте от 60 до 95 миль над землей, в нижней термосфере, ветры могут дуть в одном направлении с одной и той же скоростью - около 250 миль в час - в течение нескольких часов, а затем внезапно менять направление. (Для сравнения, скорость ветра в самых сильных ураганах 5-й категории составляет 157 миль в час и более).

Эти резкие перепады являются результатом воздушных волн, называемых приливами, которые рождаются у поверхности Земли, когда нижние слои атмосферы нагреваются днем и остывают ночью. Они ежедневно проносятся по небу, неся с собой изменения снизу.

Ежедневные циклы образования облаков выделяют энергию в атмосферу, которая, в свою очередь, создает ежедневный цикл нагревания и охлаждения. Нагрев и охлаждение направляют ветры в сторону регионов, где формируются облака. Эти ветры в конечном итоге формируют атмосферный прилив, который распространяется вверх по атмосфере.

Чем дальше от поверхности простирается атмосфера, тем тоньше она становится и тем меньше турбулентность, способная нарушить эти движения. Это означает, что небольшие приливы, возникающие у поверхности, могут стать намного больше, когда они достигнут верхних слоев атмосферы. "Изменения ветров наверху в основном контролируются тем, что происходит внизу", - сказал Хардинг.

Новые измерения ветра ICON помогают ученым понять эти приливы и отливы, которые охватывают весь земной шар, и их последствия".

Атмосферные приливы, создаваемые тропическими лесами, образуют приливную картину с тремя основными пиками, которые простираются по всему земному шару. Они перемещаются вокруг Земли при ее вращении.

Приливы и отливы поднимаются в небо, набирая силу и увеличиваясь, прежде чем прорваться через ионосферу. Электрическое динамо вибрирует в ответ.

Ученые проанализировали данные ICON за первый год и обнаружили, что высотные ветры сильно влияют на ионосферу. "Мы проследили, как движется ионосфера, и обнаружили четкую волнообразную структуру", - сказал Хардинг. Изменения ветра, пояснил он, прямо соответствуют танцу плазмы на высоте 370 миль над поверхностью Земли.

На высоте 60-95 миль над землей ветры, связанные с атмосферными приливами (белые стрелки), перемещают ионы и отделяют их от электронов, образуя электрическое поле (синяя линия) в области динамо. Электрическое поле проникает через верхние слои атмосферы и выталкивает плазму (розового цвета) вверх и вниз, подобно фонтану.

"Половина движения плазмы может быть отнесена к ветрам, которые мы наблюдаем прямо там, на той же линии магнитного поля", - сказал Иммель. "Это говорит о том, что это важное наблюдение, если вы хотите предсказать, что делает плазма".

Первый год наблюдений ICON совпал с солнечным минимумом - спокойной фазой 11-летнего цикла активности Солнца. В это время поведение Солнца представляло собой низкий, постоянный гул. "Мы знаем, что Солнце мало что делает, но мы видели много колебаний снизу, а затем заметные изменения в ионосфере", - сказал Иммель. Это подсказало исследователям, что они могут исключить Солнце как основное влияние.

Когда Солнце перейдет в активную фазу, ученые смогут изучить более сложные изменения и взаимодействия между космосом и атмосферой Земли.

Иммель сказал, что он очень рад получить подтверждение давно известных теорий об ионосфере. "Мы нашли половину того, что заставляет ионосферу вести себя так, как она ведет себя, прямо в данных", - сказал он. "Это то, что мы хотели узнать".

Тем не менее, сказал Мауте, "это оставляет возможность для изучения того, что еще вносит свой вклад в поведение ионосферы".