Магнитосферу Земли питают плазменные струи

Магнитная защита Земли не идеальна: плазменные струи, создаваемые солнечным ветром на границе магнитосферы, способны проникнуть внутрь.

Солнце непрерывно генерирует поток высокоэнергичных заряженных частиц – солнечный ветер, от которого нас защищает земное магнитное поле. При его взаимодействии с солнечным ветром вокруг Земли возникает плазменная оболочка, получившая название магнитосфера.

Структура магнитосферы Земли. 1) Ударная волна солнечного ветра 2) Переходный плазменный слой, 3) Магнитопауза 4, 5, 6) Магнитосфера Земли 7) радиационные пояса (Изображение NASA, en.wikipedia.org)

Границей магнитосферы считается магнитопауза – область, где давление набегающего солнечного ветра сравнивается с давлением магнитного поля. Перед ней, в переходном плазменном слое, энергичные частицы тормозятся, и их поток становится турбулентным.

Магнитное поле Земли достаточно велико, и формально магнитопауза должна быть непрозрачна для плазмы солнечного ветра. Однако при определенных условиях она все же проникает сквозь нее на дневной стороне. Этот явление представляет большой интерес для геофизиков, поскольку определяет целый ряд важных процессов в магнитосфере, в том числе формирование радиационных поясов Земли, в которых содержатся захваченные магнитным полем заряженные частицы, и генерацию геомагнитных бурь..

Магнитосфера Земли и солнечный ветер (изображение NASA, en.wikipedia.org)

Исследователи из НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ, проанализировав экспериментальные данные по движениям плазмы и магнитному полю, полученных на пяти спутниках миссии THEMIS, выявили быстрые и плотные потоки плазмы, так называемые плазменные джеты, способные активно проникать в дневную магнитосферу Земли. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Geophysical Research.

За период 2007–2009 годов физики обнаружили 646 крупномасштабных джетов, вызывающих низкочастотные геомагнитные пульсации, и определили их характеристики. Средний поток проникающей через магнитопаузу плазмы составил примерно 10²⁹ частиц в день. Однако он сильно меняется по времени и может достигать значений 1,5*10²⁹ частиц в час. Большинство джетов проникали сквозь магнитопаузу на высокой скорости – более 220 км/с. Любопытно, что средний поток частиц в джетах в 1,5 раза больше, чем в солнечном ветре.

Накопив статистику, исследователи пришли к выводу, что проникновение джетов можно объяснить двумя механизмами. Первый связан с тем, что поток солнечного ветра меняется со временем и различен в разных точках пространства. Это приводит к тому, что иногда в некоторых местах магнитопаузы повышается давление плазмы и увеличивается концентрация частиц. Образовавшаяся в результате плазменная неоднородность или плазмоид может пройти через магнитопаузу.

Второй механизм связан с особенностями движения частиц плазмы в магнитном поле, благодаря чему ионы с достаточно большой энергией могут проникать в магнитопаузу на глубину порядка 90 км. Отметим, что наименьшая толщина магнитопаузы на дневной стороне около 50 км, а ее среднее значение порядка 500 км.  .

Главный вывод работы в том, что магнитосфера может эффективно питаться горячей плазмой через джеты даже в спокойных условиях. Плазменные джеты в переходном слое служат источником плазмы и нерегулярных низкочастотных геомагнитных пульсаций в дневной магнитосфере.

По мнению авторов, исследование открывает новые перспективы в исследованиях спокойного солнечного ветра, в частности, межпланетных разрывов и их роли в «спокойных» вариациях магнитосферы и ионосферы.