Під час супергеомагнітної бурі у травні 2024 року, коли полярні сяйва спостерігали на незвично низьких широтах, супутник Arase зафіксував несподівану картину в магнітосфері Землі. Як повідомляє SciTechDaily, головним джерелом іонів у кільцевій течії виявилася не щільна плазма сонячного вітру, а важкі частинки з іоносфери нашої планети.
Найсильніша кільцева течія за час прямих вимірювань
Буря почалася після того, як велика сонячна пляма породила серію потужних спалахів і викидів плазми. Кілька хмар намагніченої плазми злилися по дорозі до Землі й ударили по магнітосфері — області, де домінує магнітне поле планети. Це спричинило найсильніше з коли-небудь безпосередньо виміряних збурень у зоні кільцевої течії, пояса заряджених частинок навколо Землі.
Десятиліттями вчені сперечалися, яка частка іонів у кільцевій течії надходить із сонячного вітру, а яка — з іоносфери, електрично зарядженого шару верхньої атмосфери. Зазвичай під час геомагнітних бур обидва джерела роблять внесок. Оскільки травневий шторм живився особливо щільним сонячним вітром, очікували, що іони сонячного походження відіграватимуть значну роль.
Однак прямі вимірювання показали протилежне: внесок сонячного вітру був мінімальним. Іони земного походження домінували в кільцевій течії в масштабах, яких раніше не спостерігали під час супергеомагнітних бур.
Супербуря «День матері» та її наслідки
10–11 травня 2024 року гігантські хмари заряджених частинок досягли магнітосфери Землі. Подія, відома як травнева супергеомагнітна буря, «буря Геннона» або «буря Дня матері», досягла мінімального індексу SYM-H у −518 нанотесла. Це друге за величиною значення з 1981 року; попередня подібна подія сталася у листопаді 2004 року.
Під час таких екстремальних бур наслідки виходять далеко за межі красивих полярних сяйв. Вони створюють радіаційні ризики для космічних апаратів, порушують роботу GPS та зв’язку, а також можуть призводити до відключень електроенергії. Тому розуміння того, як розвивається геомагнітна буря, має не лише наукове, а й практичне значення.
У центрі магнітного збурення під час бурі лежить кільцева течія — широкий пояс енергійних іонів, переважно кисню та водню, які повільно обертаються навколо Землі на висотах у тисячі кілометрів над екватором. Ці частинки несуть електричний струм і створюють власне магнітне поле, що частково послаблює магнітне поле Землі на поверхні. Саме цю зміну реєструють наземні прилади як магнітну бурю.
Arase безпосередньо виміряв склад кільцевої течії
Японський супутник Arase, запущений у 2016 році агентством JAXA, виявився в ідеальному місці, щоб безпосередньо спостерігати кільцеву течію. Його науковий центр ERG (Arase) спільно керується Інститутом космічних і астронавтичних наук (ISAS/JAXA) та Інститутом досліджень середовища «Космос–Земля» університету Нагої.
Орбіта Arase проходить через область формування кільцевої течії, а на борту встановлені прилади, здатні вимірювати масу та енергію окремих іонів. Під час травневої бурі супутник двічі перетнув зону кільцевої течії: невдовзі після початку події та поблизу її піку.
Це стали перші одночасні спостереження іонів кільцевої течії та сонячного вітру під час бурі такої сили. Дані виявилися однозначними: близько 85% іонів становив кисень, що походить з іоносфери Землі. Поблизу піку бурі Arase зафіксував зменшення напруженості магнітного поля приблизно на 40% на висоті близько 16 000 кілометрів — і значно ближче до планети, ніж у попередніх подібних випадках.
У тій самій області зареєстрували різке падіння кількості високоенергетичних електронів. Коли магнітне поле так сильно слабшає, ці електрони можуть виходити зі своїх звичних траєкторій. Чи саме деформація магнітного поля безпосередньо спричинила втрату електронів, поки що залишається відкритим питанням.
Іоносфера як ключ до прогнозів космічної погоди
Результати, опубліковані в журналі Science Advances, змінюють уявлення про розвиток найінтенсивніших геомагнітних бур. Нинішні моделі прогнозування космічної погоди значною мірою спираються на параметри сонячного вітру. Однак нові вимірювання свідчать, що умови в атмосфері Землі, зокрема в іоносфері, також можуть суттєво впливати на силу бурі.
Іоносферні іони значно важчі за частинки сонячного вітру. Їхня перевага могла посилити магнітне збурення та змістити максимум кільцевої течії незвично близько до Землі. Це, своєю чергою, впливає на те, як буря позначається на космічній техніці та наземній інфраструктурі.
Висновки також підтримують концепцію японської місії FACTORS з двома супутниками, яку готують до подання на розгляд JAXA. Ця місія має досліджувати, як іони з атмосфери Землі вириваються в магнітосферу та живлять геомагнітні бурі. Такі дані можуть допомогти точніше прогнозувати інтенсивність майбутніх екстремальних штормів у космосі.