Ракетний експеримент NASA розкриває приховану фізику полярних сяйв

Вчені досягли революційного прогресу в розумінні сліпучих полярних сяйв, які освітлюють нічне небо. Використовуючи експеримент NASA KiNET-X, дослідники змоделювали авроральні умови, викидаючи барій в іоносферу, створюючи плазмові хмари та хвилі Альвена. Ці хвилі передавали енергію електронам, імітуючи умови, що стоять за полярними сяйвами Землі. Хоча видимого полярного сяйва не було створено, експеримент надав важливі дані про прискорення електронів і динаміку плазми, пропонуючи підказки до процесів, які створюють ці захоплюючі явища.

Розкриття секретів танцювальних полярних сяйв

Нещодавно опубліковані результати експерименту 2021 року під керівництвом вченого з Університету Аляски у Фербенксі пропонують нове розуміння процесів на рівні частинок, що стоять за швидкоплинними полярними сяйвами, які освітлюють небо. Експеримент Kinetic-scale Energy and Momentum Transport, або KiNET-X, був запущений з льотного центру NASA Wallops у Вірджинії 16 травня 2021 року. Місія відбулася в останні моменти дев’ятиденного вікна запуску.

«Сліпучі вогні надзвичайно складні», — пояснив Деламер. «Там багато чого відбувається, і багато чого відбувається в космічному середовищі Землі, що породжує те, що ми спостерігаємо. «Зрозуміти причинно-наслідковий зв’язок у системі надзвичайно важко, тому що ми не знаємо точно, що відбувається в космосі, що породжує світло, яке ми спостерігаємо в полярному сяйві», — сказав він. «KiNET-X був надзвичайно успішним експериментом, який розкриє більше таємниць полярного сяйва».

Ракетна наука в дії: барій та іоносфера

Одна з найбільших ракет-зондів НАСА злетіла над Атлантичним океаном в іоносферу та випустила дві каністри з барієвим термітом. Потім каністри були підірвані, один на висоті приблизно 249 миль, а інший через 90 секунд на низхідній траєкторії приблизно на 186 милях поблизу Бермудських островів. Отримані хмари спостерігали на землі на Бермудських островах і дослідницьким літаком НАСА.

Експеримент мав на меті відтворити в дрібному масштабі середовище, в якому низька енергія сонячного вітру перетворюється на високу енергію, що створює швидко рухливі та мерехтливі штори, відомі як дискретне полярне сяйво. Завдяки KiNET-X Деламер та його колеги наблизилися до розуміння того, як прискорюються електрони.

«Ми генерували електрони під напругою», — сказав Деламер. «Ми просто не згенерували їх достатньо, щоб створити полярне сяйво, але фундаментальна фізика, пов’язана з енергією електронів, була присутня в експерименті».

Створення хвиль Альвена: плазмові збурення

Експеримент мав на меті створити хвилю Альвена, тип хвилі, який існує в намагніченій плазмі, такій як ті, що знаходяться в зовнішній атмосфері Сонця, магнітосфері Землі та в інших місцях Сонячної системи. Плазму — форму матерії, що складається переважно із заряджених частинок — також можна створювати в лабораторіях і експериментах, таких як KiNET-X.

Хвилі Альвена виникають, коли збурення в плазмі впливають на магнітне поле. Плазмові збурення можуть бути викликані різними способами, наприклад через раптову ін’єкцію частинок від сонячних спалахів або взаємодію двох плазм із різною щільністю.

KiNET-X створив хвилю Альвена, порушивши навколишню плазму ін’єкцією барію у верхні шари атмосфери. Сонячне світло перетворило барій на іонізовану плазму. Дві плазмові хмари взаємодіяли, створюючи хвилю Альвена. Ця хвиля Альфвена миттєво створила лінії електричного поля, паралельні лініям магнітного поля планети. І, як припущено, це електричне поле значно прискорило електрони на лініях магнітного поля.

«Це показало, що барієва плазмова хмара на короткий момент поєдналася з навколишньою плазмою та передала їй енергію та імпульс», — сказав Деламер.

Авроральні промені та «золота точка даних»

Перенесення проявляється у вигляді невеликого пучка прискорених електронів барію, що прямує до Землі вздовж лінії магнітного поля. Промінь видно лише в даних експериментальної лінії магнітного поля.

«Це аналогічно полярному пучку електронів», — сказав Деламер. Він називає це «золотою точкою даних» експерименту.

Аналіз променя, видимого лише як різні відтінки зелених, синіх і жовтих пікселів на зображеннях даних Delamere, може допомогти вченим дізнатися, що відбувається з частинками для створення танцюючого північного сяйва.

Збираємо пазл «Аврора»

Отримані результати показують успішний проект, який навіть може дозволити отримати більше інформації з попередніх експериментів.

«Це питання спроби зібрати цілісну картину, використовуючи всі продукти даних і чисельне моделювання», — сказав Деламер.