Солнечный ветер возмущает верхние слои атмосферы Марса, усиливая потери ионов в космическое пространство

Наше Солнце постоянно испускает поток высокоскоростных заряженных частиц, известный как солнечный ветер. В отличие от Земли, у Марса нет сильного глобального магнитного поля, которое защищало бы его атмосферу от этого потока. В результате солнечный ветер может напрямую взаимодействовать с верхними слоями атмосферы Марса и постепенно вытеснять атмосферные частицы в космос.

Новое исследование под руководством ученых из Бостонского университета показало, что этот процесс может происходить подобно тому, как ветер дует над поверхностью воды. На Земле ветер может создавать волны и водовороты на поверхности воды. На Марсе солнечный ветер может аналогичным образом «возмущать» верхние слои атмосферы планеты и генерировать большие пограничные волны, известные как волны Кельвина — Гельмгольца.

Первый автор, Чи Чжан, научный сотрудник Центра космической физики Бостонского университета, созданного в рамках сотрудничества Колледжа искусств и наук и Инженерного колледжа Бостонского университета, вместе с группой исследователей использовали в своем исследовании данные миссий MAVEN и «Тяньвэнь-1». «Тяньвэнь-1» служил монитором солнечного ветра, а MAVEN наблюдал за выбросом ионов из атмосферы вблизи Марса, что позволило исследователям напрямую связать условия солнечного ветра в реальном времени с выбросом ионов из атмосферы Марса.

Большие облака плазмы в верхних слоях атмосферы Марса способствуют «массовому испарению» атмосферных ионов. Чжан объяснил, что, хотя ранее было предложено несколько механизмов образования этих облаков, их происхождение оставалось неясным из-за отсутствия прямых наблюдений.

Основная сложность в установлении связи между солнечным ветром и испарением атмосферы Марса заключалась в том, что ни один космический аппарат не мог одновременно измерять и невозмущенный солнечный ветер, и испускаемые Марсом атмосферные ионы. В более раннем исследовании Чжан и его коллеги продемонстрировали, что одновременные наблюдения с аппаратов MAVEN и «Тяньвэнь-1» могут напрямую связать изменения в солнечном ветре с окружающей средой в марсианском космическом пространстве. Новое исследование, опубликованное в Science Advances, основанное на наблюдениях с двух космических аппаратов, выявило волны Кельвина — Гельмгольца как ключевой механизм, способствующий утечке ионов из атмосферы.

Чжан и его коллеги представили убедительные доказательства того, что эти плазменные облака образуются под воздействием волн Кельвина — Гельмгольца. Они также показали, что этот процесс происходит неравномерно по всей планете. «В основном он наблюдается на одной стороне планеты, в зависимости от направления электрического поля солнечного ветра», — сказал Чжан. Эти результаты устанавливают прямую связь между волнами Кельвина — Гельмгольца и усилением ионного выхода из атмосферы Марса.

«Будущие исследования будут направлены на выявление условий, способствующих образованию и росту волн Кельвина — Гельмгольца, а также на определение того, насколько они способствуют испарению атмосферы Марса», — отметил Чжан. Для дальнейших исследований потребуется больше наблюдений с космических аппаратов и усовершенствованное численное моделирование. Поскольку MAVEN переходит к завершающей стадии своей миссии, "его богатое научное наследие будет дополнено миссией NASA ESCAPADE, которая уже стартовала и предоставит важную новую возможность исследовать потери атмосферы на Марсе под действием солнечного ветра", - сказал Чжан.

"Мы хотим знать, когда с наибольшей вероятностью сформируются эти волны, как они развиваются и насколько сильно они могут влиять на выход из атмосферы", - сказал Чуанфэй Донг, сотрудник факультета космической физики Центра БУ и доцент астрономии Колледжа искусств и наук. «Этот процесс может происходить и на других планетах, не имеющих сильного магнитного поля, в том числе на некоторых экзопланетах».

«Считается, что Марс когда-то был потенциально пригоден для жизни, имел более плотную атмосферу и жидкую воду на поверхности. Понимание того, как он превратился в холодную и сухую планету, которую мы видим сегодня, важно для понимания того, как меняется окружающая среда планет с течением времени», — сказал Чжан.

Источник: Nature Communications

На изображении:

Изображение взаимодействия солнечного ветра и электрического поля. Источник: Чи Чжан, Бостонский университет