Магнитосфера: броня, обтекатель, решето?

По мнению ученых, проект "Кластер" поможет составить первую трехмерную карту магнитного поля Земли Именно связка четырех спутников, сканирующих параметры магнитосферы, выявила огромные, до 40 тысяч километров, вихри на магнитопаузе. А также аппараты "Кластера" нашли много других интересных вещей — например, нулевую точку нашей магнитосферы.

Миссия Европейского космического агентства (ESA), носящая название "Кластер" (Cluster), была запущена в 2000 году на околоземную орбиту с помощью российских ракет-носителей "Союз". Успешный старт двух спутников с космодрома "Байконур" в Казахстане произошел 16 июля 2000 года, а вторая пара спутников стартовала вдогонку первой через месяц. Достаточно компактная группа четырех одинаковых спутников слаженно начала свой орбитальный танец, не зря им дали имена: "Румба", "Самба", "Сальса" и "Танго"!

Первый запуск этой миссии 4 июня 1996 года с помощью ракеты "Ариан 501" потерпел катастрофу почти в самом начале, сразу после старта. Однако за четыре года спутники были воссозданы повторно командой "Кластера", что и обеспечило успех сложной комплексной миссии. В 2010 году был отмечен десятилетний юбилей работы "Кластера", успешно выполняющего свои функции на орбите. Это большой срок для спутниковой миссии. Ее работа осложнена тем, что стареют солнечные панели, снижая поток электроэнергии, портятся аккумуляторы. Известно, что аппаратура "Кластера" лишилась семи батарей, две из которых вспыхнули и отлетели от спутников. Однако аппараты работают, передают телеметрию — данные о параметрах среды, в которой они пролетают! Планируется, что эксплуатация спутников продлится до 2012 года.

Помимо этого, сейчас в ЕКА рассматривается вопрос о продлении миссии до 2014 года, если техника продолжит благополучно работать. Спутники "Кластера" выносливы и исполнительны, невзирая на отдельные технические неурядицы! Научные задачи миссии "Кластер" — подробное исследование земной магнитосферы, которое до сих пор не проводилось. Группа из четырех спутников поставляет уникальные данные о вариациях магнитосферных параметров, что позволяет анализировать процессы тщательно и детально. Именно это является достоинством миссии.

По словам руководителя миссии Филипе Эскубе (Philippe Escoubet), "Кластер" обеспечил нас множеством данных для лучшего понимания физических процессов космической погоды". Напомню, что космическая погода (уровень возмущенности магнитосферы, или геомагнитная активность) зависит от солнечной активности. Иногда в магнитосфере происходят мощные магнитные бури — их фиксируют геомагнитные обсерватории.

Современные приборы, оборудование и средства связи, основанные на высоких технологиях, чувствительны к вариациям космической погоды. Поэтому давно известные общие представления о магнитосфере должны быть изучены гораздо более подробно и глубоко! Магнитосфера Земли огромна — она представляет собой полость, в которой проявляется собственное дипольное магнитное поле Земли, а возникает магнитосфера из-за воздействия солнечного ветра, обтекающего ее практически непрерывным изменчивым потоком.

Главное геомагнитное поле величиной в 0,5 эрстеда всегда дополнено переменным магнитным полем: это схоже с глубоким океаном, на поверхности которого бывает то штиль, то волнение или мощный шторм! Его вариации переменного порождает воздействие солнечного ветра — радиально улетающего и заполняющего околосолнечное космическое пространство потока плазмы с "вмороженным" в него межпланетным магнитным полем (ММП).

Плазма солнечного ветра нейтральна — это преимущественно протоны с небольшой примесью альфа-частиц (ядер гелия) и увлеченными электронами. Ее плотность варьируется от единиц до десятков частиц в кубическом сантиметре. Скорость солнечного ветра — от средних 300-400 километров в секунду до высокоскоростных потоков, достигающих примерно 1500 километров в секунду.

Магнитосфера всегда обращена к Солнцу лобовой частью, на которую набегает солнечный ветер, а в антисолнечном направлении вытягивается ее длинный плазменный хвост. Можно сказать, что она похожа на длиннющую каплю с горошиной Земли в центре полусферической лобовой части.

Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли осуществляется в процессах, которые называются магнитным пересоединением. Когда вектор магнитного поля Земли на магнитопаузе (переднем фронте, на границе магнитосферы) противоположен по направлению межпланетному магнитному полю, пересоединение интенсифицируется. Это необходимое условие возникновения магнитосферной возмущенности. При этом пространственные параметры магнитосферы изменяются во всем объеме, плазмосодержащие регионы трансформируются.

Именно так возникают полярные сияния, нарушается радиосвязь, возникают пульсации компонентов геомагнитного переменного поля, и это далеко не полное описание начала геомагнитной возмущенности. Если энергия из солнечного ветра продолжает поступать в магнитосферу, развивается магнитная буря. В ней реализуется совокупное воздействие потока частиц солнечного ветра и межпланетного магнитного поля.

"Кластер" — ключ к трехмерной карте магнитосферы Земли" — таково выразительное и понятное название доклада Горана Маркланда, характеризующее основную функцию миссии. Именно связка четырех спутников, сканирующих параметры магнитосферы, выявила огромные — до 40 тысяч километров — вихри на магнитопаузе. Они возникают при разности потоковых скоростей плазмы. Это явление порождается неустойчивостью Кельвина — Гельмгольца и является аналогом волновых явлений, принявших такую крупномасштабную вихревую форму.

Такие магнитные волны Кельвина — Гельмгольца помогают частицам солнечного ветра проникать в магнитосферу, то есть процессы на магнитопаузе крупномасштабно турбулентны, и частицам солнечного ветра обеспечено систематическое поступление внутрь магнитосферы, на силовые линии дипольного магнитного поля.

Специалист Кюн-Чжу Хван из Центра космических полетов имени Годдарда (США) отмечает, что при направленности межпланетного магнитного поля на запад или восток в плазме магнитопаузы в высоких широтах реализуется нестабильность Кельвина — Гельмгольца и туда проникают частицы солнечного ветра. Картина с вихревыми потоками получена в результате анализа данных "Кластера". Теперь ситуация проникновения солнечной плазмы внутрь магнитосферы имеет теоретическое обоснование и модельное представление.

Однако обнаруженная возможность проникновения частиц солнечного ветра в магнитосферу Земли не изменила существенно климата и водного баланса планеты, как это произошло на Марсе. Нужно искать дополнительные факторы воздействия, которые обезводили Марс и Венеру. И будут ли они иметь одинаковую природу?

Примечательно то, что проникновение плазмы солнечного ветра в магнитосферы планет и экзопланет выявлено с достаточной определенностью, а является ли солнечный ветер выметающим воду или сдувающим атмосферу с планеты — еще предстоит исследовать. Во всяком случае, на Земле в этом отношении все обстоит достаточно благополучно, потому что за миллиарды лет, протекших на Земле, обезвоживания планеты не произошло.

Чрезвычайно интересен факт, подтвержденный данными "Кластера", касающийся явления "черной авроры". Этот причудливый электрический феномен вызван понижением электронной компоненты (в противовес авроре, вызванной вторжением электронов). При этом возникают черные прогалы в авроральных сияниях, условно их можно определить, как "антиавроры", когда происходит откачка электронов из ионосферы.

В конце нельзя не отметить, что "Кластер" предоставил впервые объемное изображение нулевой точки — очень важного, уникального региона в центральной области пересоединения магнитных полей на магнитопаузе. В данном регионе поле было скручено в трубку шириной 500 километров.