Магнітне поле Землі: таємниця енергії, яка зникає

Вперше вчені виявили, куди зникає енергія із зон зіткнення сонячного вітру і земного магнітного поля, чим і розгадали одну з загадок магнітосфери.
Згідно з отриманими результатами, в погриничной зоні магнітного поля відбувається досі невідомий вид магнітного перез’єднання – эксплозивный контакт між двома лініями магнітного поля. При цьому виникають фонтани швидких електронів, які спрямовують енергію в космос, повідомили вчені в журналі Nature.
Магнітне поле Землі захищає нас від високоенергетичних частинок, постійно летять від Сонця і з глибин космосу. Через такий обстріл не тільки виникає вражаюче полярне сяйво, воно не проходить безслідно і для магнітного захисного шару: зіткнення з магнітосферою і сонячним вітром продукує потужну турбулентну зону мішаних полів на кордоні магнітного поля ближче до Сонця. З кожної сонячною бурею ця зона заряджається все більшою енергією.
Однак дуже швидко ця енергія знову зникає – тільки куди і яким чином це відбувається, досі було таємницею. Досліджуючи темну частину Землі, планетологи виявили придатний механізм для цього – так зване магнітне перез’єднання. При цьому лінії магнітного поля Землі стосуються і відбувається эксплозивный обмін зарядами. Одночасно виникають гарячі фонтани швидких іонів, що, як реактивні потоки, вибухають в космос – і так забирають енергію поля.
Однак в зоні турбулентності магнітосфери цієї форми перез’єднання немає – принаймні, раніше її ніколи не виявляли. Враховуючи те, що магнітні поля там утворюють складні структури з багатьох тонких шарів, контакти ліній поля були б дуже компактними і непомітними для астрономів.
«Роздільної здатності сучасних вимірювальних зондів було недостатньо, щоб помітити перез’єднання у цих тонких шарах магнітного поля», – пояснив провідний автор дослідження Тай Фан (Tai Phan) з Каліфорнійського університету в Берклі.
Але зараз це змінилося – завдяки чотирьом космічним апаратам від NASA, запущеним в рамках місії Magnetospheric Multiscale (MMS). З 2015 року вони розтинають простір в формації, близькою до Землі, і спеціально призначені для того, щоб дослідити вибухові, проте короткочасні процеси перез’єднання.
Кожен з апаратів три метри величиною, восьмикутні, вони мають на борту 25 датчиків, деякі з них на антенах, завдовжки метр. Ці інструменти можуть вимірювати присутність і розподіл іонів і електронів з тимчасовим розширенням 37,5 7,5 мілісекунд.
«Це в 80 і 400 разів кращу розширення, ніж всі до цих пір доступні дані», – сказав учений. Сподівалися, що цього буде достатньо, щоб виявити малі і короткочасні перез’єднання у турбулентних ділянках магнітосфери – якщо вони взагалі є.
І 9 грудня 2016 року чотири кораблі з ММЅ помітили щось незвичайне. Датчики зафіксували раптове короткочасне збільшення електронів на одному з тонких шарів магнітного поля. Швидкі частинки з цього шару виливалися в протилежному напрямку, як показали вимірювання. Ці реактивні частинки були типовими для перез’єднання, повідомили вчені.
Тим не менш, вид частинок був незвичайним. Адже вчені помітили лише потоки швидких електронів. Від іонів не було й сліду. Для вчених стало ясно: хоча мова йде про магнітне перез’єднання, але воно зовсім іншого вигляду, ніж властиво для темної сторони магнітного поля.
«Відкриття цього перез’єднання, пов’язаного тільки з електронами, демонструє: ці процеси на ділянках з меншими шарами магнітного поля функціонують по-різному», – сказав Фан з колегами.
Важливо, що так вчені виявили, куди зникає енергія із зон турбулентності нашої магнітосфери: магнітна енергія вивільняється фонтанами електронів в процесі магнітного перез’єднання і розподіляється в космосі.
«Наші результати підтримують припущення, що перез’єднання відіграє важливу роль в розсіювання енергії», – констатували вчені. Нові дані дозволяють також з’ясувати підстави енергетичного розсіювання в інших турбулентних системах. Адже подібні зони турбулентності існують і на Сонце, і в міжзоряному середовищі, у залишках наднових і в рідкому зовнішньому ядрі Землі.