У полярних широтах аврори можуть освітлювати ніч широкими хвилями кольорів. Ці мінливі вогні натякають на потужні сили, що діють високо над Землею. Нещодавнє дослідження Університету Саутгемптона виявило сигнали, які дають нове розуміння моментів, що передують кожному спалаху полярного сяйва.
Дослідження поглиблює наше розуміння походження суббурь та пов’язує поведінку аврора з ширшими планетарними системами. Заряджені частинки від Сонця рухаються магнітними шляхами та стикаються з газами атмосфери.
«Аврора бореаліс та аврора австраліс виникають внаслідок зіткнення заряджених частинок із космосу з атомами й молекулами в нашій атмосфері», — пояснив співавтор дослідження доктор Даніель Вайтер.
Ці зіткнення створюють світіння, але глибші механізми приховані в магнітосфері. Накопичена магнітна енергія створює напругу, яка раптово вивільняється, спричиняючи суббурю.
Ознаки плазмової нестабільності
Перед кожним спалахом з’являються маленькі світні точки. Аврорні «бусини» формують періодичні ланцюжки з послідовним розташуванням. Наземні камери фіксують такі утворення вже десятиліттями. Тепер дослідники розглядають кожен ланцюжок як чітку ознаку плазмової нестабільності.
Азимутальне розташування, виміряне у багатьох випадках, узгоджується з прогнозами для дисперсійних альфвенівських хвиль, що взаємодіють із магнітосферною плазмою. Такий патерн свідчить, що хвильова активність переносить енергію до нижчих висот задовго до того, як починається яскраве зміщення аврори до полюса. Періоди часто збігаються зі значеннями, зафіксованими в попередніх дослідженнях хвильової потужності над нічним авроральним овалом.
Радіосигнали та полярні сяйва
Авроральне кілометричне випромінювання (AKR) виникає високо над кожною світною дугою. Аналізи даних від кількох космічних місій показують слабкі радіосигнали, що посилюються за кілька хвилин до початку руху аврора. Спостереження демонструють повільно дрейфуючі тони вище 100 кілогерц. Кожен тон підвищується в частоті, що вказує на рух джерела до сильніших магнітних полів. Дослідження визначає швидкості іонного звуку як найімовірніший рушій цього руху.
Подвійні електричні шари — які формуються, коли альфвенівські хвилі порушують плазмові ділянки — рухаються вздовж силових ліній та створюють ці зміщувані тони. Порівняння частот із циклотронними частотами електронів визначає висоти джерел між 2000 і 8000 км. Це відповідає очікуваним зонам прискорення електронів, що спричиняють сяйво.
Ретельний аналіз архівних даних космічних апаратів показав сотні таких передвісних подій. Багато з них містять повторювані дрейфуючі тони зі стабільними періодами. Ці періоди збігаються з інтервалами між аврорними «бусинами», виявленими в довгострокових наземних спостереженнях.
Хвилі керують енергетичними змінами
Хвилеподібні дуги розвиваються синхронно з радіотонами. Камери часто фіксують дві фази. Перше локальне яскравіння триває кілька хвилин і згасає. Друга структурована дуга з’являється незадовго до суббурі та розширюється у напрямку полюса. Радіотони відтворюють цю послідовність.
Слабкі дрейфуючі сигнали формуються під час раннього яскравіння, зникають, а потім повертаються у сильнішій формі в період накопичення енергії. Альфвенівські хвилі відіграють центральну роль у всіх зв’язках. Дисперсійні форми цих хвиль несуть енергію до Землі з магнітного хвоста. Досягнувши нижчих висот, хвильові фронти збурюють плазму та енергізують електрони. Цей процес активує подвійні шари, які потім ковзають вздовж магнітних ліній.
Послідовний патерн сигналів аврори
Кожен рухомий подвійний шар створює дрейфуючий тон. Прискорення електронів поблизу цих шарів сприяє яскравінню аврори вздовж пов’язаних силових ліній. Команди дослідників фіксують разючу узгодженість між періодами хвиль, швидкостями дрейфу та поведінкою аврорних «бусин». Аврорні структури демонструють чіткий азимутальний рух. Цей рух створює періодичне яскравіння для будь-якої камери, спрямованої на одну ділянку неба. Відображене на силових лініях, те саме ритмічне повторення проявляється як структура у радіотонах.
Рух кількох хвиль
Періоди повторення часто трапляються в діапазоні 30–90 секунд. Це збігається зі значеннями, побаченими в дослідженнях ультранизькочастотних хвиль, пов’язаних із розвитком суббурі. Усі ці показники вказують на єдиний процес, що формується альфвенівським зв’язуванням.
Швидкості іонного звуку значно краще узгоджуються з виміряними швидкостями дрейфу, ніж швидкості самих альфвенівських хвиль. Це виключає роль вільного руху електронів і натякає на структуроване електричне середовище. Подвійні шари задовольняють ці вимоги. Кожен шар формується, коли фронти хвиль стикаються з неоднорідною плазмою. Шар рухається вздовж силової лінії та лишає радіосліди. Кілька шарів у русі створюють кілька дрейфуючих тонів і формують узгоджений частотний патерн.
Сигнали перед аврорними спалахами
Подібні дрейфуючі радіосигнали спостерігаються біля Сатурна та Юпітера. Дані попередніх місій демонструють частотні зміщення з набагато вищими швидкостями, ніж земні приклади. Плазмові умови навколо гігантських планет дозволяють прискорений рух електричних структур. Альфвенівські хвилі також керують потоками енергії там.
Дослідження Юпітера навіть виявили радіосплески, пов’язані з взаємодією з місяцями, і знову домінують альфвенівські процеси. Такі паралелі підтримують ширшу ідею: спільний механізм може діяти на всіх магнітизованих світах.
Подвійні шари, сформовані альфвенівськими хвилями, рухаються вздовж магнітних ліній і генерують дрейфуючі радіосигнали. Аврорні структури світяться там, де силові лінії перетинають атмосферу планети. Кожен світ виявляє ті самі фізичні процеси у своїх унікальних умовах, але ключові патерни впізнавані на різних планетах.
Напрями майбутніх досліджень
Дослідження Саутгемптона посилює новий погляд на походження суббур. Аврорні «бусини» позначають ранні структури плазми. Дрейфуючі радіотони вказують на рухомі подвійні шари. Альфвенівські хвилі живлять обидві форми активності. Кожен зв’язок дає підказки про часові масштаби та енергетичні потоки в магнітосфері. Розширення суббурі починається лише тоді, коли енергетичні процеси збігаються та спричиняють швидке яскравіння широких дуг.
Майбутні дослідження уточнять оцінки висот, часові інтервали та динаміку електронів. Але вже зараз результати пов’язують оптичні та радіосигнали новими способами. Кожен новий набір даних наближає науку про аврору до цілісного розуміння раптових яскравих ночей у полярному небі.
Дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.
Джерело: portaltele.com.ua