Возмущения в магнитосфере Земли спровоцировали плазменную турбулентность

Физики увидели зависимость между плазменными волнами в магнитосфере Земли и появлением северных сияний. Ученые подтвердили свое предположение на примере радарных и спутниковых наблюдений, выявив связь между повышенной активностью электростатических циклотронных гармонических волн в магнитосфере и появлением плазменной турбулентности метрового масштаба в нижних слоях ионосферы. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Солнечный ветер вызывает в земной атмосфере возмущения самого разного характера: из-за большого количества энергии, получаемого от Солнца, в воздушном пространстве возникают сильные электрические поля, а те, в свою очередь, возбуждают турбулентность плазмы. Подобные магнитосферные процессы воздействуют на ионосферу за счет двух основных факторов: во-первых, с помощью рассеянных электронов, которые создают квазипостоянное электрическое поле, а во-вторых, благодаря локальной ионизации плазмы, модулирующей проводимость среды. Например, неустойчивость Фарли — Бунемана появляется в том случае, когда относительный дрейф между сильно намагниченными электронами и размагниченными ионами превышает локальную ионно-звуковую скорость.

Магнус Иварсен (Magnus Ivarsen) из Университета Осло совместно со своими коллегами из Великобритании, Канады, Норвегии, Южной Кореи и Японии предположил, что турбулентная структуризация электрических полей в нижних слоях ионосферы обуславливается взаимодействием волн и частиц в так называемой диффузной авроре — то есть магнитосферной волновой активностью.

Чтобы проверить свою гипотезу, физики проанализировали данные, полученные с января 2020 по июнь 2023 года с помощью японского спутника ARASE и канадского детектора северных сияний ICEBEAR. Ученые обнаружили единственное подходящее событие в этот период — диффузную пульсирующую аврору, появившуюся 12-го мая 2021-го года, и проанализировали ее спектр мощности электрического поля на частотах от 0,1 до 20 килогерц — диапазоне, в котором чаще всего возникают электростатические циклотронные гармонические волны.

Физики сформулировали условия, которые предшествовали обнаруженному событию: из-за девятикратного скачка динамического давления солнечного ветра сильный импульс сжал земную магнитосферу. Та в свою очередь инициировала поток электронов, создавших сильные электрические поля и градиент плотности плазмы за счет ионизации газа. Помимо этого, ученые отметили, что обнаруженная пульсирующая аврора сохранила временные и пространственные характеристики от породивших их ансамблей взаимодействующих волн и частиц, а также продемонстрировала самоподобную структуру до метровых масштабов.

Авторы работы подчеркнули, что их интерпретация, объясняющая всплеск ионосферной активности, должна улучшить существующие модели космической погоды. Поскольку предсказание явлений в нижних слоях атмосферы может стать точнее благодаря наблюдениям за магнитосферой.

О том, как свечение стивов — похожих на полярные сияния явлений розовато-лилового цвета, объяснили независимо от сопутствующего «зеленого забора», мы писали ранее.