Магнітне поле: таємниця енергії, що зникає

Вперше вчені виявили куди пропадає енергія з зон зіткнення сонячного вітру та земного магнітного поля, чим і розгадали одну із загадок магнітосфери. Згідно з отриманими результатами, в межевій зоні магнітного поля відбувається дотепер невідомий вид магнітного перез’єднання – експлозивний контакт між двома лініями магнітного поля. При цьому виникають фонтани швидких електронів, які направляють енергію в космос, повідомили вчені в журналі Nature.

Магнітне поле Землі захищає нас від високоенергетичних частинок, які постійно летять від Сонця та з глибин космосу. Через такий обстріл не лише виникає вражаюче полярне сяйво, воно не минає безслідно і для магнітного захисного шару: зіткнення з магнітосферою та сонячним вітром продукує потужну турбулентну зону змішаних полів на межі магнітного поля ближче до Сонця. З кожною сонячною бурею ця зона заряджається все більшою енергією.

Проте дуже швидко ця енергія знову зникає – лише куди та в який спосіб це відбувається, дотепер було таємницею. Досліджуючи темну частину Землі, планетологи виявили придатний для цього механізм – так зване магнітне перез’єднання. При цьому лінії магнітного поля Землі торкаються і відбувається експлозивний обмін зарядами. Водночас виникають гарячі фонтани швидких іонів, що, як реактивні потоки, вибухають у космос – і так забирають енергію поля.

Проте в зоні турбулентності магнітосфери цієї форми перез’єднання немає – принаймні раніше її ніколи не виявляли. З огляду на те, що магнітні поля там утворюють складні структури з багатьох тонких шарів, контакти ліній поля були б дуже компактними й надто непомітними для астрономів.

«Роздільної здатності сучасних вимірювальних зондів було недостатньо, щоб помітити перез’єднання у цих тонких шарах магнітного поля», – пояснив провідний автор дослідження Тай Фан (Tai Phan) з Каліфорнійського університету в Берклі.

Але зараз це змінилося – завдяки чотирьом космічним апаратам від NASA, запущеним у межах місії Magnetospheric Multiscale (MMS). З 2015 року вони розсікають простір в формації, наближеній до Землі, і спеціально призначені для того, щоб досліджувати вибухові, проте короткочасні процеси перез’єднання.

Кожен з апаратів три метри завбільшки, восьмикутні, вони мають на борті 25 датчиків, деякі з них на антенах, завдовжки метр. Ці інструменти можуть вимірювати присутність та розподіл іонів й електронів з часовим розширенням 37,5 та 7,5 мілісекунд.

«Це в 80 та 400 разів краще розширення, ніж всі дотепер доступні дані», – сказав вчений. Сподівалися, що цього буде достатньо, аби виявити малі та короткочасні перез’єднання в турбулентних ділянках магнітосфери – якщо вони взагалі є.

І 9 грудня 2016 року чотири кораблі з ММS помітили дещо незвичне. Датчики зафіксували раптове короткострокове збільшення електронів на одному з тонких шарів магнітного поля. Швидкі частинки з цього шару виливалися в протилежному напрямку, як засвідчили вимірювання. Ці реактивні частинки були типовими для перез’єднання, повідомили вчені.

Тим не менше, вид частинок буз незвичним. Адже вчені помітили лише потоки швидших електронів. Від іонів не було й сліду. Для вчених стало ясно: хоча йдеться про магнітне перез’єднання, але воно – зовсім іншого виду, ніж властиве для темного боку магнітного поля.

«Відкриття цього перез’єднання, пов’язаного лише з електронами, демонструє: ці процеси на ділянках з меншими шарами магнітного поля функціонують по-різному», – сказав Фан з колегами.

Важливо, що так вчені виявили, куди зникає енергія із зон турбулентності нашої магнітосфери: магнітна енергія вивільняється фонтанами електронів у процесі магнітного перез’єднання і розподіляється в космосі.

«Наші результати підтримують припущення, що перез’єднання відіграє важливу роль у розсіювання енергії», – конcтатували вчені. Нові дані дають змогу також з’ясувати підстави енергетичного розсіювання в інших турбулентних системах. Адже подібні зони турбулентності існують і на Сонці, і в міжзоряному середовищі, в залишках наднових та в рідкому зовнішньому ядрі Землі.

Magnetfeld: Rätsel der "verschwundenen" Energie gelöst

University of California – Berkeley, 11/05/2018

Зреферувала С.К.