Явления Стив и Забор маскируются под полярные сияния
Мерцающие зеленые, красные и фиолетовые занавеси северного и южного сияния — полярные сияния — возможно, самые известные явления, освещающие ночное небо, но самыми загадочными являются лиловые и белые полосы по имени Стив и их частый спутник, светящееся зеленое небо «забор». Впервые признанное в 2018 году отличным от обычных полярных сияний, Стив (ироничная отсылка к безобидному имени, данному страшной живой изгороди в детском фильме 2006 года) и связанный с ним частокол, тем не менее, считалось, что они вызваны теми же физическими процессами. Но учёным пришлось ломать голову над тем, как были произведены эти светящиеся выбросы. Клэр Гаск, аспирантка по физике из Калифорнийского университета в Беркли, теперь предложила физическое объяснение этих явлений, которое полностью отличается от процессов, ответственных за хорошо известные полярные сияния. Она объединилась с исследователями Лаборатории космических наук кампуса (SSL), чтобы предложить НАСА запустить ракету в самое сердце полярного сияния, чтобы выяснить, права ли она.
Яркие полярные сияния и светящиеся явления, такие как Стив и частокол, становятся все более распространенными по мере того, как солнце входит в активный период своего 11-летнего цикла, а ноябрь был хорошим месяцем для наблюдений Стива в северных широтах. Поскольку все эти временные световые явления вызваны солнечными бурями и выбросами корональной массы Солнца, приближающийся солнечный максимум — идеальное время для изучения редких событий, таких как Стив и частокол. Гаск описал физику за частоколом в статье, опубликованной в прошлом месяце в журнале Geophysical Research Letters, и обсудит результаты 14 декабря в приглашенном докладе на встрече Американского геофизического союза в Сан-Франциско. Она подсчитала, что в области верхних слоев атмосферы южнее той, где формируются полярные сияния, электрические поля, параллельные магнитному полю Земли, могут создавать цветовой спектр частокола. Если это правда, то этот необычный процесс имеет значение для того, как физики понимают поток энергии между магнитосферой Земли, которая окружает и защищает Землю от солнечного ветра, и ионосферой на краю космоса. «В некоторых случаях это перевернуло бы наше моделирование того, что создает свет и энергию в полярном сиянии», — сказал Гаск.
«Самое интересное в статье Клэр то, что мы уже пару лет знаем, что спектр Стива говорит нам, что происходит какая-то очень экзотическая физика. Мы просто не знали, что это такое», — сказал Брайан Хардинг. соавтор статьи и помощник физика-исследователя SSL. «Работа Клэр показала, что параллельные электрические поля способны объяснить этот экзотический спектр». Эта статья была побочным проектом докторской диссертации Гаска. Диссертация, в которой основное внимание уделяется связи между такими событиями, как извержения вулканов на поверхности Земли, и явлениями в ионосфере на высоте 100 и более километров над нашей головой. Но, услышав о Стиве — что теперь стало аббревиатурой от «сильного повышения скорости теплового излучения» — на конференции в 2022 году, она не смогла удержаться от изучения физики, стоящей за Стивом и частоколом. «Это действительно круто», сказала она. «На данный момент это одна из величайших загадок космической физики». Обычные полярные сияния возникают, когда солнечный ветер возбуждает частицы в магнитосфере Земли, часто на высоте более 1000 километров над поверхностью.
Эти заряженные частицы вращаются вокруг линий магнитного поля Земли к полюсам, где они врезаются в молекулы кислорода и азота в верхних слоях атмосферы и возбуждают их. Когда эти молекулы расслабляются, кислород излучает определенные частоты зеленого и красного света, а азот генерирует немного красную, но в основном синюю линию излучения. Получающиеся в результате красочные, мерцающие занавеси могут простираться на тысячи километров в северных или южных широтах. Стив, однако, отображает не отдельные линии излучения, а широкий диапазон частот, сосредоточенный вокруг фиолетового или лилового цвета. И в отличие от полярных сияний, ни Стив, ни частокол не излучают синий свет, который генерируется, когда наиболее энергичные частицы сталкиваются и ионизуют азот. Стив и частокол также встречаются на более низких широтах, чем полярное сияние, возможно, даже на юге, вплоть до экватора. Некоторые исследователи предположили, что Стив вызван потоками ионов в верхних слоях атмосферы, называемыми субавроральным дрейфом ионов, или SAID, хотя не существует общепринятого физического объяснения того, как SAID может генерировать красочные выбросы.
Интерес Гаска был вызван предположениями о том, что выбросы частокола могут быть вызваны электрическими полями на малой высоте, параллельными магнитному полю Земли. Такая ситуация считалась невозможной, поскольку любое электрическое поле, совмещенное с магнитным полем, должно быстро замкнуться и исчезнуть. Используя общую физическую модель ионосферы, Гаск впоследствии показал, что умеренное параллельное электрическое поле — около 100 милливольт на метр — на высоте около 110 км может ускорять электроны до энергии, которая возбуждает кислород и азот и генерирует спектр света. наблюдал из-за частокола. Необычные условия в этой области, такие как более низкая плотность заряженной плазмы и более нейтральные атомы кислорода и азота, потенциально могут действовать как изоляция, предотвращающая замыкание электрического поля. «Если вы посмотрите на спектр частокола, то увидите, что он гораздо более зеленый, чем можно было бы ожидать. И здесь нет ни капли синего цвета, который возникает из-за ионизации азота», — сказал Гаск. «Это говорит нам о том, что существует только определенный энергетический диапазон электронов, которые могут создавать эти цвета, и они не могут прийти из космоса в атмосферу, потому что эти частицы имеют слишком много энергии».
Вместо этого, по ее словам, «свет от частокола создается частицами, которые должны быть заряжены прямо здесь, в космосе, параллельным электрическим полем, что представляет собой совершенно другой механизм, чем любое из полярных сияний, которые мы изучали или знали до." Она и Хардинг подозревают, что сам Стив может быть создан в результате связанных процессов. Их расчеты также предсказывают тип ультрафиолетового излучения, которое будет производить этот процесс, что можно проверить, чтобы проверить новую гипотезу о частоколе. Хотя расчеты Гаска напрямую не касаются свечения, из-за которого явление похоже на частокол, оно, вероятно, связано с волнообразными изменениями электрического поля, сказала она. И хотя частицы, ускоряемые электрическим полем, вероятно, исходят не от Солнца, возмущение атмосферы солнечными бурями, вероятно, приводит в действие Стива и частокол, как и обычное полярное сияние. Следующим шагом, по словам Хардинга, будет запуск ракеты с Аляски через эти явления и измерение силы и направления электрического и магнитного полей. Ученые SSL специализируются на разработке и создании инструментов, которые делают именно это. Многие из этих инструментов находятся на космических кораблях, вращающихся сейчас вокруг Земли и Солнца.
Первоначально целью будет так называемое усиленное полярное сияние, то есть обычное полярное сияние со встроенными в него выбросами, похожими на частокол. «Усиленное полярное сияние — это, по сути, яркий слой, встроенный в нормальное полярное сияние. Цвета похожи на частокол в том, что в них не так много синего, а больше зеленого от кислорода и красного от азота. Гипотеза состоит в том, что эти цвета также создаются параллельными электрическими полями, но они гораздо более распространены, чем частокол», — сказал Гаск. План состоит в том, чтобы не только «провести ракету через этот расширенный слой, чтобы впервые измерить эти параллельные электрические поля», сказала она, но и отправить вторую ракету вверх для измерения частиц на больших высотах, «чтобы различить условия от тех, которые вызывают полярные сияния». В конце концов, она надеется на ракету, которая пролетит прямо через Стива и частокол. Этой осенью Хардинг, Гаск и коллеги предложили НАСА именно такую звучную ракетную кампанию и ожидают услышать ответ о ее выборе в первой половине 2024 года.
Гаск и Хардинг считают этот эксперимент важным шагом в понимании химии и физики верхних слоев атмосферы, ионосферу и магнитосферу Земли, а также предложение в рамках программы «Бюджетный доступ к космосу» (LCAS), спонсируемой НАСА для подобных проектов. «Справедливо сказать, что в будущем будет проведено много исследований о том, как эти электрические поля попали туда, с какими волнами они связаны или не связаны, и что это означает для большей передачи энергии между атмосферой Земли и космосом", - сказал Хардинг. «Мы действительно не знаем. Статья Клэр — первый шаг в цепи этого понимания». Гаск выразила признательность за вклад людей, изучающих среднюю ионосферу, или мезосферу, и стратосферу, чьи идеи помогли ей найти решение. «Благодаря этому сотрудничеству мы смогли добиться действительно значительного прогресса в этой области», — сказала она. «Честно говоря, он просто следил за нашим носом и был в восторге от этого».
