Решето магнитосферы: плазма волнуется

Магнитосферу нашей планеты принято считать чем-то вроде невидимого щита, отклоняющего непрерывные и довольно плотные потоки заряженных частиц, прилетающих извне - прежде всего, частиц солнечного ветра. Без этой защиты жизнь на Земле была б куда менее комфортной, если б была возможной вообще

Обычно магнитосферу изображают чем-то вроде гигантского, практически непроницаемого для ионов пузыря, в который заключена и планета, и ближайшее к ней пространство. Однако все оказывается куда сложнее: по новым данным, внешние границы этого пузыря скорее напоминают дырявое решето. Из-за сложных взаимодействий магнитных полей в него легко проникают энергичные электроны и протоны.

Открытие стало возможным благодаря работе уникальной европейской миссии Cluster, включающей группировку из четырех аппаратов, работающих на околоземной орбите. То погружаясь в пределы магнитосферы, то выходя в открытое космическое пространство, они позволяют получить трехмерную картину процессов, проходящих на их условной границе, в области магнитопаузы, где магнитное поле планеты начинает поддаваться давлению частиц солнечного ветра, пока вовсе не уступает ему.

Так, проведенные зондами Cluster измерения показали, что в этой области все отнюдь не спокойно. К примеру, здесь фиксируются турбулентные волны Кельвина - Гельмгольца, которые возникают на границе двух сред, двигающихся с достаточно разными скоростями (или на границе движущихся с разной скоростью слоев одной среды). Хорошим примером этих волн являются обычные волны на поверхности воды, возникающие под действием сильного ветра, с их характерной формой. Разумеется, в магнитопаузе ни воды, ни ветра нет, и волны, которые могут растягиваться на десятки тысяч километров, образует неспокойная плазма.

Движущаяся плазма состоит из заряженных ионов и сама является источником магнитного поля, так что игра полей в этой области получается очень сложной, они непрерывно изменяются и рекомбинируют. Силовые линии магнитных полей плазмы могут «перезамыкаться» на силовые линии магнитосферы, создавая туннель, по которому заряженные частицы, как по рельсам, проносятся сквозь границы «пузыря», которое образует магнитное поле планеты, и оказывают серьезное влияние на все, что происходит внутри.

На самом деле, картина еще более сложна и способность солнечного ветра проникать внутрь магнитосферы определяется, прежде всего, самим солнечным ветром. Создаваемое им межпланетное магнитное поле заполняет практически всю Солнечную систему. На дневной стороне Земли пересоединение его силовых линий с линиями магнитосферы планеты происходит непрерывно, причем особенно заметно в те периоды, когда межпланетное магнитное поле направлено к южному полюсу Земли, то есть противоположно направлению магнитосферы, ориентированной на север. В эти периоды внутрь магнитосферы проникает особенно много частиц плазмы солнечного ветра.

Не столь интенсивно, но пересоединение идет и при иных ориентациях межпланетного магнитного поля, в том числе и северной - возможно, важную роль при этом снова играют волны Кельвина - Гельмгольца. Однако подтвердить это предположение пока не удавалось: пересоединение должно наиболее ярко происходить на высоких широтах, где не проводились прямые наблюдения. Лишь теперь ученым это удалось, подтвердив наличие тех самых волн.

В период наблюдений, проведенных с помощью спутников Cluster, межпланетное магнитное поле было направлено к западу Земли, к той границе планеты, на которой начинается ночь. И над ней, над приполярными широтами на высоте магнитопаузы зонды зафиксировали волны Кельвина - Гельмгольца: как и предполагалось. Ученым даже удалось показать, как сказывается различная ориентация межпланетного поля на появлении и интенсивности этих волн. «Мы заметили их в самых неожиданных областях, при таком характере солнечного ветра, который до сих пор считался неподходящим для их появления,» - говорит один из авторов работы.

Получается, что частицы солнечного ветра легко проникают в непосредственные пределы нашей планеты не только при строго определенных условиях. Процесс этот должен быть вполне обычен.