Воспользовавшись беспрецедентным выравниванием восьми спутников через обширную магнитную среду, которая окружает Землю в космосе, включая ARTEMIS и THEMIS НАСА, ученые теперь имеют исчерпывающие детали движения энергии через процесс, который формирует полярное сияние, называемый суббурей. Их результаты, опубликованные в журнале Science 27 сентября 2013 года, показали, что небольшие события, разворачивающиеся в течение миллисекунды, могут приводить к потокам энергии, которые длятся до получаса и охватывают территорию, в 10 раз превышающую площадь Земли.«Одна из уникальных особенностей нашей области исследований заключается в том, что микроскопические объекты иногда могут управлять всем спектаклем, — говорит Дэвид Сибек, научный сотрудник проекта ARTEMIS и THEMIS в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. глобальные последствия.
Это не типично для земной погоды, когда вам не нужно смотреть на крошечное пятно на погодной карте, чтобы понять целый ураган ».Попытка понять, как гигантские взрывы на Солнце могут создавать эффекты космической погоды, включает отслеживание энергии от исходного события до Земли. Это мало чем отличается от наблюдения за персонажем в пьесе с множеством смен костюмов, потому что изменения энергии часто формируются на его пути: магнитная энергия вызывает извержения, которые приводят к кинетической энергии, когда частицы уносятся прочь, или тепловой энергии, когда частицы нагреваются.
Возле Земли энергия может снова измениться во всех этих различных формах.Большинство крупных и мелких особенностей суббурь происходит в основном в той части магнитной среды Земли, которая называется хвостом магнитосферы. Земля находится внутри большого магнитного пузыря, называемого магнитосферой. Когда Земля вращается вокруг Солнца, солнечный ветер проходит мимо пузыря, растягивая его наружу в слезу.
Хвост магнитосферы — это длинная точка слезы, тянущаяся более чем на 1 миллион миль на ночной стороне Земли. Луна вращается вокруг Земли намного ближе, примерно в 240 000 миль от нее, пересекая хвост магнитосферы и выходя из нее.Чтобы отследить, как такие небольшие события могут иметь крупномасштабные эффекты космической погоды, необходимы обсерватории, расположенные по всей системе. Чтобы помочь в этом начинании, в июле 2011 года два из пяти космических кораблей THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) переместились на место вокруг Луны для получения другой точки обзора на хвосте магнитосферы, через которую Луна проходит один раз в месяц. . НАСА переименовало эти два космических корабля в миссию ARTEMIS для исследования ускорения, воссоединения, турбулентности и электродинамики взаимодействия Луны с Солнцем.
Раз в год все орбиты космических аппаратов THEMIS и ARTEMIS совпадают в хвосте магнитосферы. На последнем стыке, в июле 2012 года, произошла суббуря. В тот же период совместная миссия Geotail Японского агентства аэрокосмических исследований / НАСА и GOES 13 и GOES 15 Национального управления океанических и атмосферных исследований также находились в хвосте магнитосферы.
С восемью космическими аппаратами, которые проводили наблюдения одновременно, ученые имели полное представление о том, как энергия в любом заданном регионе перемещается и превращается в другие виды энергии.«Это кропотливая бухгалтерская работа», — говорит Василис Ангелопулос, главный исследователь ARTEMIS и THEMIS в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и первый автор научной статьи. «Со всеми этими космическими аппаратами, которые постоянно измеряют, что происходит в системе, мы можем отслеживать общую энергию и видеть, где и когда она преобразуется в различные виды энергии. И усилия окупились!»
Ученые и раньше наблюдали большую часть пути энергии через суббурь. Когда солнечный ветер исходит от Солнца, он может соединиться с фронтом магнитосферы Земли. Когда два набора магнитных полей объединяются, процесс, называемый магнитным пересоединением, превращает энергию поступающего вперед солнечного ветра во взрыв, который отправляет частицы и магнитные поля, движущиеся вокруг планеты, на дальнюю сторону Земли. Здесь поля снова соединяются, создавая всплеск, который превращает магнитную энергию в ускорение частиц и нагрев.
Однако остается неясным, где и как эта энергия преобразуется в движение частиц.Подробности того, что произошло дальше, потребовали одновременных наблюдений с множества космических аппаратов.
Хотя само событие магнитного пересоединения произошло в определенном месте где-то на полпути между Землей и орбитой Луны, в районе всего в пару сотен миль в поперечнике, это не главное место, где преобразовывалась энергия. Области, обозначенные в статье как «фронты пересоединения», резко отошли от первоначальной точки пересоединения — одна продвинулась к Земле, а другая удалилась, мимо Луны и вниз по хвосту магнитосферы.
Эти фронты подобны листам тока, стеной, мчащейся в каждом направлении, продолжая преобразовывать энергию в течение 30 минут после этого. Энергия, движущаяся к Земле, помогает создать полярное сияние, а также проникает в гигантские пончики излучения вокруг Земли, называемые радиационными поясами.«Количество преобразуемой энергии сравнимо с выработкой электроэнергии на Земле из всех источников в любой момент времени. И это происходит в течение 30 минут», — говорит Ангелопулос. «Количество выделенной энергии эквивалентно землетрясению силой 7,1 балла по шкале Рихтера».
Тот факт, что эта энергия может перемещаться так драматично, сам по себе не удивителен. Ученые наверняка ранее предлагали такие вещи на основе компьютерных моделей.
Но только с флотом космических кораблей ученые могут подтвердить местоположение и точную природу процесса, не говоря уже о том, чтобы узнать что-то новое, например, насколько непрерывным и долгосрочным является процесс преобразования энергии после начального события магнитного пересоединения.В конце 2014 года НАСА добавит новую миссию в свой гелиофизический флот.
Миссия Magnetospheres Multiscale или MMS поместит космический аппарат непосредственно в зоны магнитного пересоединения как на дневной, так и на ночной сторонах Земли.«Понимание того, где искать преобразование энергии, открывает новое окно для исследований», — говорит Сибек. «MMS будет сосредоточена на отслеживании именно такого рода наблюдений».
Подобная работа закладывает основу для полного картирования передачи энергии от Солнца к Земле. После запуска MMS появится еще больше возможностей для добавления наблюдений к ежегодным соединениям космических аппаратов ARTEMIS и THEMIS вместе с другими космическими активами на орбите, образуя настоящую глобальную сеть космических метеорологических станций.
Они смогут наблюдать и изучать постоянно изменяющуюся солнечную энергию во время ее путешествия через околоземную среду в приближающемся солнечном максимуме. Эти знания критически важны для улучшения будущего моделирования и прогнозирования фронтов космической погоды, как это делают сейчас метеорологи для погодных фронтов на Земле.