Полярное сияние считается одним из самых красивых природных чудес жизни на планете с глобальным магнитным полем, и эксперты по космической погоде приближаются к разгадке одной из загадок этого явления. Видите ли, когда полярное сияние освещает небо Северного полушария над Арктикой, то же самое должно вспыхнуть в небе Южного полушария над Антарктидой. Но ученые заметили, что они не совпадают после того, как в 2009 году сравнили одновременные изображения северного и южного полярных сияний.
Почему мы вообще ожидаем, что они будут симметричными?
Как работают полярные сияния
Полярное сияние является видимым напоминанием об эпическом взаимодействии между магнитным полем Солнца и глобальным магнитным полем Земли, также известным как магнитосфера. Солнце постоянно выбрасывает огромное количество заряженных частиц, таких как протоны, ядра гелия и следы тяжелых ионов. Вместе эти частицы выбрасываются в межпланетное пространство, омывая планеты солнечным ветром.
Другие солнечные явления, такие как выбросы корональной массы (или КВМ), извергаются, выбрасывая намагниченные облака этих частиц в космос с высокой скоростью. Солнечный ветер, солнечные вспышки и КВМ, а также их влияние на нашу планету все вместе известны как «космическая погода». Вся эта космическая погода может оказать сильное влияние на нашу планету и наши технологии, как только она столкнется с магнитосферой нашей планеты.
Одним из таких эффектов является геомагнитная буря. Это может произойти, если магнитное поле Солнца определенным образом взаимодействует с магнитосферой, вводя в магнитосферу солнечные частицы, создающие полярные сияния. Полярные сияния возникают, когда эти частицы следуют за магнитным полем нашей планеты к полюсам, проливая дождь сквозь атмосферу. В зависимости от того, в какие атмосферные газы они попадут, возникнет красивое красочное световое представление.
Теперь давайте отступим и представим себе схемы стержневых магнитов из учебников с северным (N) и южным (S) полюсами, напечатанными на каждом конце. Создаваемые ими линии магнитного поля образуют симметричные петли, соединяющие северный и южный полюса. Это упрощение магнитного поля нашей планеты, но физика та же самая.
Далее давайте поместим упрощенное магнитное поле нашей планеты в постоянный поток солнечных частиц. Этот поток, он же солнечный ветер, несет солнечное магнитное поле, известное как межпланетное магнитное поле (или ММП), создавая давление на магнитосферу нашей планеты, отбрасывая ее назад. Дневная сторона нашей магнитосферы сожмется, а ночная сторона магнитосферы станет вытянутой, как растянутая капля воды. Если бы солнечный ветер был устойчивым, ничего бы не случилось; поток частиц беспрепятственно протекал бы над магнитосферой Земли. Однако мы знаем, что космическая погода совсем не стабильна.
По мере того как Солнце вращается, оно омывает солнечные ветры с разной скоростью над нашим локальным космическим соседством, а извержения, подобные вспышкам и КВМ, могут создавать очень драматические и динамичные изменения в межпланетном пространстве. Если магнитные условия верны, Солнце может бросить на Землю пузырь намагниченных частиц, которые будут введены в слои магнитосферы (представление слоев магнитосферы как слоев луковой шелухи недалеко от ее фактической структуры). Затем эти частицы уносятся обратно в хвост магнитосферы (метко названный «хвост магнитосферы»), где они хранятся до тех пор, пока в хвосте магнитосферы не произойдет пересоединение, высвобождая давление и заставляя накопленные солнечные частицы течь вдоль силовых линий магнитного поля в атмосферу Земли. Магнитное пересоединение - это явление, при котором магнитные поля объединяются, разрываются, как упругие, а затем снова соединяются, высвобождая энергию вместе с массивным выбросом частиц.
Асимметричная реальность
При прочих равных условиях и с учетом нашей простой схемы стержневого магнита, описанной ранее, силовые линии, ведущие к северному и южному полюсам Земли, должны выглядеть одинаково, и одинаковое количество частиц должно падать дождем по одинаковой схеме над поверхностью Земли. Арктика и Антарктика. И здесь на помощь приходят два взаимодополняющих исследования, опубликованных в Journal of Geophysical Research: Space Physics и в журнале Annales Geophysicae.
В 2009 году специалисты по космической погоде сравнили закономерности появления полярных сияний во время геомагнитной бури. То, что они увидели, сбивало с толку; созданные узоры находились в разных местах и имели форму, отличную от предсказанной. В то время они предположили, что эта асимметрия была вызвана сложностью событий пересоединения в хвосте магнитосферы, отправляющих разное количество заряженных частиц к северному и южному полюсам, что создавало несоответствие. Однако эти два исследования показывают, что асимметрия на самом деле может быть вызвана ориентацией ММП, встроенного в потоки солнечного ветра, которые впервые сталкиваются с магнитосферой нашей планеты - то, что исследователи называют «асимметричным геопространством»."
Запутались? Американский геофизический союз выпустил отличное видео, объясняющее это:
Мы можем представить себе магнитное поле Солнца как ряд случайно ориентированных линий, омывающих Землю, как мелкие волны омывают гальку на пляже. Если они имеют магнитную ориентацию север-юг, которая совпадает с ориентацией север-юг магнитосферы, они соединятся с магнитным полем Земли и унесутся назад, сливаясь с хвостом магнитосферы вместе с содержащимися в них частицами солнечного ветра. В этом случае хвост магнитосферы будет казаться симметричным, и любые генерируемые полярные сияния также будут симметричными. Шаблоны совпали!
Но что, если магнитное поле Солнца ориентировано с востока на запад относительно поля Земли с севера на юг? Согласно этим исследованиям, это может привести к тому, что хвост магнитосферы станет искривленным и асимметричным. Как вы, вероятно, догадываетесь, это повлияет на создаваемые полярные сияния, направляя солнечные частицы асимметричным образом и создавая асимметричные полярные сияния. Шаблоны не совпадают!
Со временем, по мере того как все больше энергии высвобождается за счет повторного соединения в хвосте магнитосферы, он раскручивается, и эти полярные сияния медленно возвращаются к своей симметричной форме. Это противоречит здравому смыслу. Специалисты по космической погоде когда-то предположили, что асимметрия раньше была вызвана магнитным пересоединением. На самом деле кажется, что пересоединение высвобождает магнитное давление, чтобы вернуть полярные сияния к симметрии.
Интересно
Геомагнитные бури могут вызывать мощные электрические помехи по всему миру, вызывая перебои в подаче электроэнергии и связи. В нашем все более зависимом от технологий мире понимание космической погоды имеет первостепенное значение, если мы хотим точно предсказать и подготовиться к воздействиям бурной окружающей среды, окружающей нашу ближайшую звезду.