Земне магнітне поле захищає планету від сонячного вітру, але на межі цього невидимого щита виникають хвилі, які допомагають плазмі проникати всередину магнітосфери. Нове комп’ютерне моделювання показало, що ці хвилі можуть формуватися переважно з одного боку Землі, а їхнє розташування залежить від напрямку магнітного поля Сонця.
Дослідження провели науковці з Університету Оулу у Фінляндії спільно з колегами з Embry-Riddle Aeronautical University та NASA Goddard. Результати опублікували в журналі Geophysical Research Letters. Відкриття може допомогти пояснити, чому хвильові процеси на межі магнітосфери та електричні струми поблизу полюсів розподіляються нерівномірно.
Як виникають хвилі на межі магнітосфери
Земля оточена магнітосферою — областю, у якій домінує магнітне поле планети. Вона відхиляє більшу частину заряджених частинок сонячного вітру, потоку плазми, що постійно рухається від Сонця. Однак сонячний вітер не зупиняється біля зовнішньої межі магнітосфери, а обтікає її. Плазма рухається з різною швидкістю по обидва боки цієї межі, створюючи умови для нестабільності, подібної до хвиль на поверхні води, коли вітер дме над озером.
Такі хвилі можуть закручуватися у великі вихори. Вони переносять плазму сонячного вітру всередину магнітосфери та деформують магнітні силові лінії. Ці зміни, своєю чергою, можуть спричиняти електричні струми, що прямують уздовж магнітного поля до верхніх шарів атмосфери поблизу полюсів.
Раніше супутникові спостереження вже виявляли асиметрію цих хвиль. Проте з’ясувати, що саме її спричиняє, було складно: космічні апарати перетинають відповідні ділянки магнітосфери лише час від часу.
Напрямок магнітного поля Сонця змінює розташування хвиль
Щоб дослідити це явище, команда використала глобальну модель магнітосфери Lyon-Fedder-Mobarry, яку запускають через Центр координованого моделювання NASA.
Науковці провели два чотиригодинні моделювання з однаковими параметрами сонячного вітру. Його швидкість становила близько 500 км/с, а магнітне поле було спрямоване на південь. В обох сценаріях магнітна вісь Землі була нахилена на 35 градусів від Сонця — конфігурація, що приблизно відповідає умовам північної зими. Єдина принципова відмінність між сценаріями полягала в напрямку одного компонента магнітного поля Сонця.
Результат виявився показовим:
- У першому сценарії хвилі активно формувалися на світанковому боці магнітосфери, тоді як на вечірньому були майже відсутні.
- Коли напрямок магнітного поля змінювали на протилежний, хвилі переміщувалися на інший бік.
В обох сценаріях хвилі виникали на високоширотній межі в північній півкулі, але не формувалися в південній. Важливо, що цей результат отримали за конкретного нахилу магнітної осі, тому його не можна автоматично поширювати на всі сезони й умови сонячного вітру.
Чому магнітне поле пригнічує хвилі з одного боку
Дослідники запропонували два взаємопов’язані пояснення асиметрії. Перше стосується того, як магнітне поле Сонця огинає магнітосферу Землі. Цей процес називають обтіканням або драпіруванням магнітного поля. Через нахил земної магнітної осі поле розподіляється нерівномірно, а його натяг може стабілізувати межу магнітосфери з одного боку, перешкоджаючи розвитку хвиль.
Друге пояснення пов’язане з магнітним перез’єднанням — процесом, під час якого магнітні силові лінії Сонця та Землі перебудовуються, вивільняючи енергію й переміщуючи плазму.
У моделюванні область такого перез’єднання проходила через магнітосферу по S-подібній траєкторії — від південного світанкового боку до північного вечірнього. Потоки плазми, що виникали внаслідок цього процесу, розширювали шар на одному з боків. У ширшому шарі хвилі розвиваються повільніше, ніж у тоншому. Отже, напрямок магнітного поля Сонця може визначати, де межа магнітосфери буде стабільнішою, а де умови сприятимуть утворенню хвиль.
Що ще належить з’ясувати
Модель також відтворила нерівномірні електричні струми, що рухаються вздовж магнітних силових ліній до полярних областей атмосфери. Їхній розподіл відповідав певним закономірностям, виявленим у супутникових спостереженнях під час північної зими.
Проте автори не стверджують, що саме хвилі спричиняють цю асиметрію. На підставі поточного моделювання неможливо чітко відокремити їхній вплив від ефектів руху плазми та магнітного перез’єднання. Є й інше обмеження: у симуляціях магнітне поле сонячного вітру залишалося незмінним, тоді як у реальності воно закручене у спіраль. Це спрощення могло вплинути на те, наскільки вираженою виявилася різниця між двома боками магнітосфери.
Для остаточної перевірки вченим потрібні точніші моделі та супутники, які одночасно спостерігатимуть за обома боками магнітосфери в північній і південній півкулях. Поки що дослідження пропонує можливе пояснення того, чому хвилі на земному магнітному щиті виникають нерівномірно. У перспективі це може допомогти краще зрозуміти взаємодію сонячного вітру з магнітосферою та процеси, які впливають на космічну погоду поблизу Землі.