Новое исследование, опубликованное сегодня, расширяет наши представления о космической среде Земли и о том, как развивается космическая погода.Часть энергии, излучаемой солнцем во время солнечных бурь, временно сохраняется в растянутом и сжатом магнитном поле Земли. В конце концов, эта солнечная энергия взрывается, приводя в действие радиационные пояса Земли и озаряя полярное небо яркими полярными сияниями.
И хотя солнечные бури можно наблюдать издалека с помощью камер, невидимый процесс, высвобождающий накопленную магнитную энергию около Земли, не поддавался наблюдению в течение десятилетий.В выпуске журнала Science от 27 сентября исследователи из Колледжа литературы и науки Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Австрийского института космических исследований (IWF Graz) и Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) сообщают, что они наконец измерили выброс этого магнитного поля. Энергия крупным планом с использованием беспрецедентного совмещения шести космических кораблей на околоземной орбите и первой двойной лунной орбитальной миссии НАСА, ARTEMIS.Космическая погода начинает развиваться внутри магнитосферы Земли, гигантского магнитного пузыря, который защищает планету от сверхзвукового потока намагниченного газа, испускаемого Солнцем.
Во время солнечных бурь часть солнечной энергии проникает в магнитосферу, вытягивая пузырь в длинный каплевидный хвост, который простирается более чем на миллион миль в космос.Сохраненная магнитная энергия затем высвобождается в процессе, называемом «магнитное пересоединение». Это событие может быть обнаружено только тогда, когда быстрые потоки заряженных частиц проходят мимо космического корабля, расположенного точно в нужном месте в нужное время.
К счастью, это произошло в 2008 году, когда пять орбитальных спутников НАСА THEMIS обнаружили, что магнитное пересоединение стало спусковым крючком для околоземных суббурь, фундаментальных строительных блоков космической погоды. Тем не менее, часть загадки космической погоды все еще отсутствовала: казалось, что в потоках пересоединения не было достаточно энергии, чтобы учесть общее количество энергии, высвобождаемой для типичных суббурь.В 2011 году, пытаясь исследовать более широкую область магнитосферы Земли, команда THEMIS переместила два из пяти космических кораблей на лунные орбиты, создав новую миссию, получившую название ARTEMIS в честь греческой богини охоты и Луны. Издалека эти два космических корабля открыли уникальную глобальную перспективу хранения и высвобождения энергии вблизи Земли.
Подобно гальке, создающей расширяющуюся рябь в пруду, магнитное пересоединение генерирует расширяющиеся фронты электричества, преобразуя накопленную магнитную энергию в энергию частиц. Предыдущие наблюдения космических аппаратов могли обнаруживать эти преобразовывающие энергию фронты пересоединения за доли секунды по мере того, как фронты проходят, но они не могли оценить глобальные эффекты фронтов, потому что данные собирались только в одной точке.
К лету 2012 года, однако, согласование между THEMIS, ARTEMIS, спутником Geotail Японского космического агентства и спутником GOES Национального управления океанических и атмосферных исследований США, наконец, смогло собрать данные, учитывающие общее количество энергии, которая определяет космическую погоду вблизи Земли. .Во время этого события, о котором сообщается в текущей статье Science, было высвобождено огромное количество энергии.«Количество преобразованной энергии было сопоставимо с выработкой электроэнергии всеми электростанциями на Земле — и это продолжалось более 30 минут», — сказал Василис Ангелопулос, профессор кафедры Земли, планет и космических наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. исследователь ARTEMIS и THEMIS и ведущий автор исследования в области науки. «Количество выделенной энергии было эквивалентно землетрясению силой 7,1 балла по шкале Рихтера».
Попытка понять, как гигантские взрывы на Солнце могут иметь эффект вблизи Земли, включает отслеживание энергии от первоначального солнечного события до Земли. Исследователи говорят, что это похоже на наблюдение за персонажем в пьесе, который претерпевает множество изменений в костюмах, потому что энергия часто меняется на протяжении своего пути: магнитная энергия вызывает солнечные извержения, которые приводят к потоку энергии, когда частицы уносятся прочь, или к тепловой энергии в качестве частицы нагреваются.
Около Земли эта энергия может снова претерпеть все различные изменения формы. Понимание деталей каждого этапа этого процесса имеет решающее значение для ученых для достижения своей цели — когда-нибудь предсказывать наступление и интенсивность космической погоды.
По словам Ангелопулоса, с помощью ARTEMIS была получена четкая картина общей запасенной энергии, и весь флот спутников отслеживал энергетические фронты с высоким временным разрешением.Космический корабль и спутники наблюдали два расширяющихся энергетических фронта, запущенных симметрично по обе стороны от места магнитного пересоединения, один двигался к Земле, а другой — от нее, мимо Луны. Магнитная энергия была преобразована в энергию частиц и волн во время своего путешествия на четверть миллиона миль от источника в узкой области всего в несколько десятков миль в поперечнике.
По словам исследователей, это объясняет, почему измерения с использованием одного спутника в прошлом не учитывали большого количества энергии. Однако множество спутников показало, что преобразование энергии продолжалось до 30 минут после начала повторного подключения.«Мы наконец выяснили, что приводит в движение полярные сияния и радиационные пояса Земли», — сказал Ангелопулос. «Потребовалось много лет планирования миссии и терпения, чтобы запечатлеть это явление на нескольких спутниках, но оно, безусловно, окупилось. Мы смогли отследить общую энергию и увидеть, где и когда она преобразуется в различные виды энергии».
Имея полную глобальную картину накопления и передачи энергии в магнитосфере, ученые теперь могут сосредоточить свое внимание на физике преобразования энергии и ее возможного рассеяния, чтобы улучшить прогнозы космической погоды.То, что ученые изучают на Земле, может также использоваться в наших знаниях в других частях Солнечной системы.
По словам Ангелопулоса, солнечные извержения также в значительной степени контролируются магнитным пересоединением, а интенсивные полярные сияния на Юпитере создают самые мощные электромагнитные излучения в Солнечной системе, помимо Солнца.Подобные выбросы планет, вращающихся вокруг других звезд, могут однажды выявить внутреннюю структуру далеких миров.
По его словам, поскольку поверхность Солнца и очень далекие планеты еще нельзя посетить, нет лучшего места, чем собственная космическая среда Земли, для изучения преобразования энергии в больших и малых масштабах с помощью скоординированного флота высокопроизводительных спутников.НАСА в настоящее время строит Обсерваторию гелиофизической системы, которая объединяет существующие и будущие спутниковые ресурсы в космосе, включая THEMIS, ARTEMIS, недавно запущенные двойные зонды радиационного пояса Ван Аллена и четыре магнитосферных спутника MultiScale, которые будут запущены в 2014 году (и которые привлекли научное и аппаратное участие UCLA).
«Впереди очень захватывающие времена», — сказал Дэвид Сибек, ученый проекта THEMIS / ARTEMIS в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. «Никогда раньше у нас не было возможности построить так много высококачественных обсерваторий».