Земля может усиливать экстремальные солнечные бури

Новое исследование, опубликованное в Science 13 ноября, показало, что экстремальную силу геомагнитной бури в мае 2024 года во многом определила собственная атмосфера Земли, а не только потоки вещества от Солнца. Ученые впервые провели прямые измерения состава околоземного пространства во время шторма такого масштаба и выяснили, что около 85% заряженных частиц в эпицентре возмущения составили тяжелые ионы кислорода земного происхождения. Это открытие меняет научные представления о природе космической погоды и объясняет, почему магнитное поле планеты ослабло необычайно близко к ее поверхности.

Хроника «бури Ганнона» и природа кольцевого тока

Событие началось с того, что крупное солнечное пятно произвело серию мощных вспышек, выбросив в космос гигантские облака намагниченной плазмы. Объединившись по пути, они 10 и 11 мая 2024 года ударили по магнитосфере — защитной магнитной оболочке Земли. Шторм, получивший названия «буря Ганнона» и «буря Дня матери», вызвал сильнейшее за всю историю наблюдений возмущение в кольцевом токе планеты.

Кольцевой ток представляет собой огромный пояс из заряженных частиц, преимущественно ионов кислорода и водорода, который медленно циркулирует на высоте тысяч километров над экватором. Двигаясь, эти частицы создают электрический ток и собственное магнитное поле, которое ослабляет природное магнитное поле Земли у ее поверхности. Показатель геомагнитных возмущений — индекс SYM-H — опустился тогда до минимума в -518 нТл, нанотесла, — единиц измерения магнитной индукции. Это стало вторым по силе возмущением с 1981 года после сопоставимой бури в ноябре 2004 года.

Спор о происхождении частиц и цена космической погоды

Десятилетиями исследователи спорили о том, откуда берутся частицы кольцевого тока. Известны два основных источника: солнечный ветер — поток заряженных частиц, идущий от Солнца, — и ионосфера Земли — верхний электрически заряженный слой нашей атмосферы. Оба источника обычно подпитывают кольцевой ток во время бурь. И часть ученых ожидала, что при экстремальном событии с особенно плотным солнечным ветром именно он останется ключевым поставщиком частиц.

Яркие полярные сияния — далеко не единственное последствие подобных штормов. 

«Некоторые супербури или экстремальные геомагнитные бури — это не просто впечатляющие световые шоу. Они создают радиационную опасность для космических аппаратов, нарушают работу сигналов GPS и систем связи, а также вызывают отключения электроэнергии. Понимание того, как развивается геомагнитная буря, — это не только научный вопрос, но и проблема с реальными последствиями», — отметил ведущий автор исследования, доцент Института исследований космической и земной среды (ISEE) Университета Нагои Наритоси Китамура.

Прямые измерения спутника Arase

Детально изучить майскую бурю помог японский спутник Arase, запущенный в 2016 году под управлением Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA), научный центр которого совместно курируют Институт космических и астронавтических наук (ISAS/JAXA) и ISEE Университета Нагои. Аппарат движется непосредственно через область формирования кольцевого тока и оснащен инструментами, которые измеряют массу и энергию отдельных ионов, позволяя точно определять их тип. По удачному стечению обстоятельств спутник прошел через кольцевой ток вскоре после начала майской бури и снова пересек его вблизи пика возмущения.

«Это первое одновременное наблюдение ионов кольцевого тока и солнечного ветра во время столь крупной бури, и данные оказались однозначными: примерно 85% ионов составлял кислород из собственной ионосферы Земли», — пояснил Наритоси Китамура. 

Таким образом, вопреки ожиданиям, солнечный ветер сыграл сравнительно небольшую роль в формировании измеренной популяции частиц.

Аномальное ослабление магнитного поля

Кроме того, датчики Arase зафиксировали еще одну аномалию: вблизи пика шторма напряженность магнитного поля упала на 40% на высоте около 16 000 километров над Землей — значительно ближе к планете, чем подобные резкие спады отмечались раньше. Ученые полагают, что именно преобладание тяжелых ионов из земной атмосферы, которые гораздо массивнее частиц солнечного ветра, могло усилить магнитное возмущение и приблизить его максимум к Земле.