Иллюстрация марсианской ионосферы и магнитосферы до, во время и после исчезновения солнечного ветра. Фото: Рам и др., 2024 г.
На атмосферу и климат Марса влияет взаимодействие с солнечным ветром — потоком плазмы, состоящим из протонов и электронов, который течет из внешней атмосферы Солнца (короны) и движется со скоростью 400–1000 километров в секунду.
Поскольку эти заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем и атмосферой планеты, мы можем наблюдать впечатляющие полярные сияния над полярными регионами Земли. Учитывая отсутствие глобального магнитного поля на Марсе, полярные сияния здесь рассеяны по всей планете.
Однако иногда этот солнечный ветер может «исчезать» в редких случаях, когда на пути солнечного ветра возникает разрыв, поскольку Солнце увеличивает свою солнечную активность. Это происходит, когда более быстрая часть солнечного ветра догоняет более медленную в области коротирующего взаимодействия и включает ее, оставляя на пути солнечного ветра пустоту с меньшей плотностью.
Это явление наблюдалось в течение трех дней в декабре 2022 года во время миссии НАСА MAVEN (Марсианская атмосфера и нестабильная эволюция). Из-за отсутствия солнечного ветра снижение давления привело к тому, что атмосфера и магнитосфера Марса расширились на тысячи километров, утроившись в размерах. Он также послал по планете сверхзвуковую ударную волну, известную как головная ударная волна.
Новое исследование, опубликованное в журнале Geophysical Research Letters, изучило последствия снижения активности солнечного ветра. Профессор Суманта Сархель и доктор философии. исследователь Лот Рам (из Индийского технологического института Рурки) вместе с доктором Диптиранджаном Раутом (из Национальной лаборатории атмосферных исследований Индии) использовали данные анализатора ионов солнечного ветра, магнитометра, Ленгмюровского зонда и ионного масс-спектрометра на борту космического корабля MAVEN для исследования Марса. плотности электронов и ионов, плотности ионов солнечного ветра, скорости, давление и магнитное поле во время события.
Исследователи установили, что на стороне планеты, обращенной к Солнцу, на ее ночной стороне, наблюдается повышенная плотность плазмы в ионосфере на высотах 200–280 километров, причем максимум в 2,5 раза выше, чем в нормальных условиях. Это является результатом увеличения ионосферного давления до двух порядков по сравнению с магнитным и динамическим давлением солнечного ветра.
Во время этого события количество электронов и ионов в ионосфере увеличилось в 2,5 и 10 раз соответственно. Однако у отдельных ионов наблюдалось различное увеличение максимальной плотности от 10 раз для N+ до 67 раз для O+.
Ученые предполагают, что возможными причинами такой более высокой плотности плазмы может быть расширение из нижней ионосферы в верхнюю из-за разницы давлений (высокого в ионосфере и низкого в солнечном ветре) и/или увеличения переноса плазмы с дневной стороны Марса на ночную.
Помимо этого, необходима дальнейшая работа, чтобы понять роль топологии магнитного поля, учитывая структуру и связность линий магнитного поля, а также их силу во взаимодействии плазмы с поверхностью Марса.
«В замкнутом контуре магнитного поля плазма удерживается внутри, а это означает, что атмосферная плазма не теряется в космос», — говорит профессор Сархел. «В разомкнутом контуре марсианская плазма может выйти через магнитное поле, или плазма солнечного ветра может проникнуть в марсианскую атмосферу и изменить динамику атмосферы.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
«Наконец, в сценарии драпированной петли магнитное поле солнечного ветра может поглотить планету и намагничить ионосферу, что означает, что ионы и электроны проникают в поле солнечного ветра, а плазма покидает планету. В областях с более сильными магнитными полями плазма больше связывается с магнитные петли, и наоборот в более слабых регионах».
Понимание эффекта исчезновения солнечного ветра жизненно важно не только для расширения наших знаний о его взаимодействии с космической средой и поверхностью Марса, но и для исследования человеком, поскольку это может потребовать корректировки орбиты космического корабля для учета увеличенного сопротивления плотной плазмы, чтобы продолжить успешную миссию.
«Наш интерес к изучению исчезновения солнечного ветра возник из-за глубокого воздействия, которое он оказывает на ненамагниченную планету, такую как Марс, что в конечном итоге помогает нам понять его климатическую эволюцию и уход атмосферы с течением времени», — объясняет профессор Сархел.
«Расширение системы магнитосфера-ионосфера может привести к потере атмосферы и усилению взаимодействия с солнечной радиацией или космическими лучами. Кроме того, расширение приводит к большему торможению спутников, находящихся как на низких, так и на высоких планетарных орбитах. Например, в 2022 году Space X потеряла 40 низкоорбитальных спутников в день после запуска из-за повышенной плотности на высотах ионосферы во время геомагнитной бури.
«Поэтому понимание планетарной космической погоды во время солнечного покоя (или исчезновения явлений солнечного ветра) и периодов штормов имеет решающее значение для будущего планетарных спутников и исследований, как для безопасности робототехники, так и для астронавтов. В конечном итоге эти знания могут быть даже полезны для оценки Обитаемость Марса».
