Миссия Cluster измеряет турбулентность в магнитосфере Земли

Впервые ученые подсчитали, сколько энергии передается от больших до небольших масштабов в магнитосхеме, граничной области между солнечным ветром и магнитным щитом, который защищает нашу планету. Основываясь на данных, собранных миссиями ESA Cluster и NASA THEMIS в течение нескольких лет, исследование показало, что турбулентность является ключом, который делает этот процесс в сто раз более эффективным, чем в солнечном ветре.

Планеты Солнечной системы, включая нашу Землю, омываются солнечным ветром, сверхзвуковым потоком высокоэнергетических заряженных частиц, которые постоянно испускаются Солнцем. Наша планета и еще несколько других выделяются в этом всепроникающем потоке частиц: это планеты, у которых есть собственное магнитное поле, и оно представляют собой препятствие для мощной силы солнечного ветра.

Именно взаимодействие между магнитным полем Земли и солнечным ветром создает сложную структуру магнитосферы, защитный щит, который защищает нашу планету от подавляющего большинства частиц солнечного ветра.

Ученые достигли достаточно хорошего понимания физических процессов, происходящих в плазме солнечного ветра и в магнитосфере. Тем не менее, многие важные аспекты по-прежнему отсутствуют в отношении взаимодействия между этими двумя средами и относительно сильно турбулентной области, которая их разделяет, известной как магнитосхема, где есть подозрения, что происходит много интересного.

«Чтобы узнать, как энергия передается от солнечного ветра в магнитосферу, нам нужно понять, что происходит в магнитосхеме, «серой зоне» между ними, — говорит Лина Зафер Хадид из Шведского института космической физики в Уппсале, Швеция.

Лина является ведущим автором нового исследования, в котором впервые определена роль турбулентности в магнитосрефе. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.

«В солнечном ветре мы знаем, что турбулентность способствует диссипации энергии от больших масштабов в сотни тысяч километров до меньших масштабов одного километра, где частицы плазмы нагреваются и ускоряются до более высоких энергий», — объясняет соавтор Фуад Сахрауи из Лаборатории физики плазмы во Франции.

«Мы подозревали, что подобный механизм должен быть и в магнитосхеме, но мы не могли проверить его до сих пор», — добавляет он.

Плазма магнитосферы более турбулентна, в большей степени подвержена флуктуациям плотности и может быть сжата в гораздо большей степени, чем солнечный ветер. Таким образом, это существенно сложнее, и ученые только в последние годы разработали теоретические рамки для изучения физических процессов, происходящих в такой среде.

Лина, Фуад и их сотрудники изучили обширный объем данных, собранных в период между 2007 и 2011 годами четырьмя космическими аппаратами Clusters ESA и двумя из пяти космических аппаратов миссий THEMIS НАСА, которые летают через магнитную сферу Земли.

Когда они применили недавно разработанные теоретические инструменты к этим данным, они оказались очень удивлены.

«Мы обнаружили, что плотность и магнитные флуктуации, вызванные турбулентностью в магнитосфере, усиливают скорость, с которой энергия передается от больших до малых каскадов, по меньшей мере, в сто раз по сравнению с тем, что наблюдается в солнечном ветре», объясняет Лина.

Новое исследование показывает, что около 10-13 Дж энергии передается на кубический метр каждую секунду в этой области магнитной среды Земли.

«Мы ожидали, что сжимаемая турбулентность повлияет на перенос энергии в плазме магнитосферы, но не на то, что она будет столь значительной», добавляет она.

Кроме того, ученые смогли получить эмпирическую корреляцию, которая связывает скорость рассеивания энергии в магнитосфере с четвертой степенью другой величины, используемой для изучения движения жидкостей, так называемого турбулентного числа Маха. Названный в честь австрийского физика Эрнста Маха, она количественно определяет скорость колебаний в потоке относительно скорости звука в этой жидкости, указывая, является ли поток дозвуковым или сверхзвуковым.

В то время как скорость передачи энергии сложно определить, если не использовать космические зонды, которые проводят измерения на месте, такие как космический аппарат Cluster, число Маха можно более легко оценить, используя дистанционные наблюдения за множеством астрофизической плазмы за пределами нашей планеты.

«Если эта эмпирическая связь окажется универсальной, будет чрезвычайно полезно исследовать космическую плазму, которая не может быть непосредственно исследована космическими аппаратами», — говорит Фуад.

Ученые с нетерпением ждут сравнения своих результатов с измерениями плазмы, окружающей другие планеты Солнечной системы, с собственным магнитным полем, например, с помощью миссии НАСА «Юнона», а также будущей миссии Icy Moons Explorer от ESA, и совместной миссии ESA-JAXA BepiColombo на Меркурий, которую планируется запустить в этом году.

«Очень интересно, что исследование, основанное на нескольких годах данных Cluster, нашло ключ к решению важного, нерешенного до сих пор вопроса в физике плазмы», — говорит Филипп Эскубе, специалист по проектам Clusters ESA.

Больше информации: L. Z. Hadid et al. Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence in the Earth’s Magnetosheath: Estimation of the Energy Cascade Rate Using in situ Spacecraft Data, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.055102