На Рождество 2022 года в Арктике была замечена особенно гладкая и загадочная аврора, вызванная «дождём» электронов, напрямую пришедших с Солнца, сообщают японские и американские исследователи.
Это первый случай, когда такого рода редкую аврору можно было наблюдать с Земли. Она произошла в период, когда порывы солнечного ветра почти полностью прекратились, создав околоземную область спокойствия.
Обычно авроральные явления, подобные тем, что наблюдались по всему миру в мае, перемещаются и пульсируют, образуя ясно различимые формы на небе. Эти явления вызваны электронами от солнечного ветра — потока заряженных частиц, идущих от Солнца, которые попадают в ловушку расширения магнитного поля Земли, называемого магнитосферой. При экстремальных космических условиях, таких как выброс корональной массы (CME), — большого выброса плазмы и магнитного поля с Солнца — хвост магнитосферы может быть отжат (не волнуйтесь, он вырастает заново). Захваченные там электроны стекают вниз по силовым линиям магнитного поля Земли к полюсам. В процессе они сталкиваются с молекулами атмосферы Земли, заставляя их светиться цветами полярного сияния/авроры (синий для азотных эмиссий, зелёный или красный для кислорода в зависимости от высоты).
Однако гладкая аврора 25-26 декабря 2022 года сильно отличалась. Снятая камерой All-Sky Electron Multiplying Charge-Coupled Device (EMCCD) в Лонгйирбюэне, Норвегия, аврора представляла собой слабое, лишённое признаков свечение, простирающееся на расстояние 4 тысячи километров (2485 миль). У неё не было структуры, а также не было пульсации или изменяющейся яркости. Никакой другой тип авроры подобного рода никогда ранее с Земли не наблюдался.
Для решения загадки команда под руководством Кейсукэ Хосокавы (Keisuke Hosokawa) из Центра космических наук и радиотехники Университета электрокоммуникаций в Токио сравнила это бесцветное свечение с данными, полученными специальным ультрафиолетовым сканирующим прибором (SSUSI) на полярно-орбитальных спутниках программы Defense Meteorological Satellite Program (DMSP). DMSP управляется Национальным океаническим и атмосферным управлением и Военно-космическим ведомством США от имени Министерства обороны США.
Спутники увидели аврору сверху и обнаружили, что она обладает всеми признаками редкого типа полярного сияния, называемого полярной дождевой авророй, которая ранее наблюдалась только из космоса.
Солнечный ветер обычно движется со скоростью около 400 километров в секунду (250 миль в секунду). Однако в горячей короне Солнца часто образуются дыры, особенно на более высоких солнечных широтах, откуда исходит исключительно «быстрый» солнечный ветер со скоростью до 800 километров в секунду (500 миль в секунду). Иногда такие корональные дыры могут появляться на более низких широтах, и именно это произошло в Рождество 2022 года, совпав с прекращением обычного солнечного ветра.
В месте расположения корональных дыр линии магнитного поля Солнца открыты — они не возвращаются на поверхность Солнца, в фотосферу. Когда открытые силовые линии магнитного поля простираются в космос, корональная дыра образует основание магнитной воронки, из которой вытекают высокоэнергетические электроны.
В случае с полярным дождевым сиянием эти электроны путешествовали по космосу, а открытые силовые линии магнитного поля соединялись с магнитным полем Земли над северным полюсом, позволяя электронам выпадать дождём прямо на полюса, а не застревать внутри хвоста магнитосферы.
Как правило мы этого не замечаем, поскольку обычные частицы полярного ветра рассеивают электроны быстрого ветра, исходящие из корональной дыры. Однако в этом случае давление солнечного ветра уменьшилось до весьма малой степени, и электроны быстрого ветра смогли беспрепятственно достичь Земли.
Кроме того, диаметр этого отверстия магнитной воронки составляет около 4600 миль (7500 км), если проецировать его на расстояние Земли от Солнца. Вот почему полярное сияние казалось таким гладким; открытые трубки магнитного потока, исходящие от Солнца, охватывали более широкую территорию, чем северная полярная шапка Земли. Поскольку электроны имели высокую энергию, полярное сияние было чисто зелёным, а не красным, поскольку для ионизации кислорода в более глубоких слоях атмосферы требуется больше энергии.
Убедительным доказательством было то, что спутники DMSP видели полярное дождевое сияние только над северным магнитным полюсом Земли, который во время зимы в Северном полушарии наклонён к Солнцу.
«Когда солнечный ветер исчез, DMSP наблюдал интенсивный поток электронов с энергией > 1 кэВ, благодаря чему полярное дождевое сияние стало видимым в виде яркого зеленоватого излучения даже с Земли», — сообщила команда Хосокавы в своей опубликованной исследовательской работе.
Сам полярный дождь ранее подробно изучался с помощью детекторов частиц на спутниках на орбите, но таких исследований немного, и они редки. Эти гладкие полярные сияния обычно не видны невооруженным глазом на Земле. Таким образом, до сих пор никто не знал, чем именно является такое гладкое, безликое северное сияние, которое окрасило небо в зелёный цвет на Рождество 2022 года. Полное объяснение можно найти в выпуске журнала Science Advances от 21 июня.
