Scienceblog.com: NASA изучает космическую энергию

Недавно ученым представилась уникальная возможность собрать ценные данные: в обширном магнитном поле, которое окружает Землю в космосе, одновременно оказалось восемь спутников, включая аппараты NASA из проектов ARTEMIS и THEMIS. Это позволило получить подробную картину превращений и перемещений солнечной энергии во время суббури — явления, которое служит причиной полярных сияний. Согласно результатам этих исследований, опубликованным в журнале Science 27 сентября 2013 г., космические события, совершающиеся за ничтожное время порядка миллисекунды, способны вызывать потоки энергии, которые длятся до получаса и покрывают пространство, в десять раз превосходящее размеры Земли.

«Особенность предмета нашего изучения состоит в том, что иногда микроскопические детали способны радикально влиять на весь процесс, — говорит ученый-исследователь Дэвид Сайбек (David Sibeck) из NASA, участвующий в проектах ARTEMIS и THEMIS в Центре космических полетов им. Годдарда в Гринбелте (Мэриленд, США). — Мельчайшие явления порой приводят к глобальным последствиям. На Земле так не бывает: нет необходимости изучать еле заметную точку на метеорологической карте, чтобы понять природу всего урагана».

Чтобы понять, как гигантские взрывы на Солнце влияют на космическую погоду, нужно проследить весь путь энергии от исходного выброса до Земли. Это похоже на приключения персонажа из пьесы с переодеванием, так как энергия на своем пути неоднократно меняет форму. Магнитная энергия приводит к выбросам частиц, превращаясь в кинетическую энергию при разлете этих частиц и в термическую — при их нагревании. Вблизи от Земли энергия может пройти всю эту череду превращений снова.

Большинство крупных и малых явлений, вызванных суббурями, происходят в той части магнитного поля Земли, которая называется магнитным хвостом, или шлейфом. Земля находится внутри огромного магнитного пузыря — магнитосферы. Земля обращается вокруг Солнца, и солнечный ветер «сдувает» этот пузырь, придавая ему форму капли. Магнитный шлейф — это вытянутый конец капли, который тянется более чем на полтора миллиона километров на ночной стороне Земли. При этом орбита Луны расположена гораздо ближе к Земле — примерно на расстоянии 380 000 км. Таким образом, Луна раз за разом пересекает магнитный шлейф, обращаясь вокруг Земли.

Чтобы проследить, как именно микрособытия приводят к масштабным изменениям космической погоды, необходимо расположить «наблюдательные пункты» в различных точках наблюдаемой системы. С этой целью в июле 2011 года два из пяти аппаратов THEMIS (сокращение от Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms, что означает «динамика событий и макроскопических взаимодействий во время суббурь») переместились в область Луны, чтобы иметь возможность наблюдать магнитный хвост, через который Луна проходит раз в месяц. NASA переименовала эти два аппарата в ARTEMIS (Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon’s Interaction with the Sun, или «наблюдение за ускорением, перезамыканием, турбулентностью и электродинамикой при взаимодействии Луны и Солнца»). Один раз в год орбиты аппаратов THEMIS и ARTEMIS сходятся так, что все спутники оказываются в магнитном шлейфе одновременно. При последнем таком событии в июле 2012 года произошла суббуря. В это время в магнитном шлейфе находились также аппараты совместной миссии японского агентства авиакосмических исследований (Japan Aerospace Exploration Agency) и NASA под названием Geotail и аппараты Национального управления по изучению океанических и атмосферных явлений GOES 13 and GOES 15.

Благодаря данным, полученным с восьми спутников одновременно, ученые получили подробное представление о том, как энергия в произвольном регионе магнитосферы Земли перемещается и превращается в другие виды энергии.

«Мы провели тщательные расчёты, — рассказал Вассилис Ангелопулос (Vassilis Angelopoulos), ведущий исследователь проектов ARTEMIS и THEMIS в Калифорнийском университете (Лос-Анджелес) и постоянный автор журнала Science. — Восемь спутников непрерывно регистрировали события в разных областях магнитного шлейфа, и в результате мы смогли проследить за всеми потоками энергии и установить, где и когда она превращается в другие виды энергии. Наши старания были вознаграждены сполна!»

Ранее ученые уже наблюдали многие особенности движения энергии во время суббурь. Солнечный ветер на своём пути может соприкоснуться с фронтом магнитосферы Земли. При контакте двух магнитных полей происходит так называемое магнитное перезамыкание. В этот момент энергия солнечного ветра, направленного вперёд, приводит к взрыву, в результате которого частицы и магнитные поля начинают двигаться вокруг Земли к её дальней стороне. Там происходит еще одно перезамыкание, и на этот раз в результате резкого возмущения магнитная энергия приводит к ускорению и нагреву частиц. Однако где и когда именно происходит преобразование энергии в движение частиц, до сих пор оставалось неясным.

Чтобы выяснить это, потребовалось провести одновременные наблюдения с нескольких спутников. Оказалось, что хотя само перезамыкание происходит в определенном месте, примерно на полпути от Земли до лунной орбиты, в области диаметром всего несколько сотен километров, основное превращение энергии совершается не там. Области, названные в статье «фронтами перезамыкания», отбрасываются от исходной точки перезамыкания — одна к Земле, а другая в противоположном направлении за пределы лунной орбиты, в дальний конец магнитного шлейфа. Эти фронты похожи на полотнища тока, на стену, которая раздвигается во всех направлениях; при этом преобразование энергии продолжается около получаса после прохождения фронта. Энергия, выброшенная в направлении Земли, является причиной полярных сияний, а также формирует гигантские кольца радиации вокруг нашей планеты — так называемые радиационные пояса.

«Количество преобразуемой энергии в каждый отдельный момент можно сравнить с количеством электроэнергии, вырабатываемой одновременно всеми электростанциями Земли. И так происходит на протяжении получаса, — говорит Ангелопулос. — Количество высвобождаемой энергии эквивалентно энергии землетрясения силой 7,1 балла по шкале Рихтера».

Сам по себе факт, что энергия способна перемещаться в космосе в таких объёмах, не столь удивителен. Ученые с уверенностью предполагали нечто подобное и ранее на основании компьютерных моделей. Но только благодаря спутникам исследователи могут точно выяснить местоположение и природу этого процесса, а также получить новые сведения о нём: например, о непрерывности и длительности процесса преобразования энергии после первичного исходного магнитного перезамыкания.

В конце 2014 года NASA планирует новую миссию для своих гелиофизических аппаратов. В рамках проекта Magnetospheric Multiscale, или MMS, космические аппараты будут направлены прямо в области перезамыканий на дневной и ночной сторонах Земли.

«Теперь, когда мы поняли, где искать точку преобразования энергии, для наших исследований открылись новые направления, — сказал Сайбек. — Ими и будет заниматься проект MMS».

Подобные исследования создают основу для полного картирования передачи энергии от Солнца к Земле. После запуска MMS у исследователей будет возможность расширить наблюдения во время ежегодного схождения спутников ARTEMIS и THEMIS, которые вместе с новыми аппаратами смогут образовать глобальную сеть точных «космических погодных станций». Это позволит наблюдать и изучать постоянно меняющую свою форму солнечную энергию при прохождении ею околоземных областей в преддверии периода максимальной солнечной активности. Благодаря этим знаниям в будущем ученые смогут моделировать и предсказывать космические погодные фронты так же, как метеорологи предсказывают погоду на Земле.