Область космоса, контролируемая магнитным полем нашей планеты, известна как магнитосфера. Внутри этого гигантского магнитного пузыря ученые давно наблюдают электрическое поле, которое простирается от утренней стороны Земли к вечерней. Эта крупномасштабная электрическая сила является ключевым фактором, влияющим на геомагнитные возмущения, включая бури, способные нарушать работу спутников и систем связи.
Ранее в научном сообществе преобладало мнение, что, поскольку электрические силы движутся от положительных зарядов к отрицательным, утренняя сторона магнитосферы должна быть заряжена положительно, а вечерняя – отрицательно. Однако недавние измерения, проведенные с помощью спутников, опровергли эту устоявшуюся идею. Данные показали, что реальное распределение заряда прямо противоположно тому, что ожидали увидеть исследователи.
Это неожиданное открытие побудило группу ученых из университетов Киото, Нагои и Кюсю пересмотреть фундаментальные принципы формирования и поддержания электрических характеристик магнитосферы. Для проверки своих гипотез команда использовала крупномасштабное магнитогидродинамическое (МГД) моделирование, чтобы воссоздать условия в околоземном космическом пространстве. В их модель был включен постоянный поток высокоскоростного солнечного ветра – заряженных частиц, непрерывно испускаемых Солнцем.
Результаты компьютерного моделирования подтвердили данные спутниковых наблюдений: утренняя сторона магнитосферы действительно несет отрицательный заряд, а противоположная – положительный. Однако выяснилось, что эта закономерность проявляется не повсеместно. В полярных регионах полярность заряда соответствует традиционной теории. В то же время вблизи экватора на обширной территории картина меняется на противоположную, создавая разительный контраст между двумя зонами.
«Согласно общепринятой теории, полярность заряда в экваториальной плоскости и над полярными областями должна быть одинаковой. Почему же мы наблюдаем противоположные полярности между этими регионами? Это можно объяснить движением плазмы», – отмечает ведущий автор исследования Юсуке Эбихара из Университета Киото. Когда магнитная энергия от Солнца проникает в магнитное поле Земли, она движется по часовой стрелке на вечерней стороне планеты и направляется к полюсам. При этом силовые линии магнитного поля Земли идут от Южного полушария к Северному – вверх вблизи экватора и вниз вблизи полюсов. Именно это противоположное направление между потоком плазмы и магнитным полем приводит к инверсии в распределении заряда между регионами.
Это понимание меняет научный взгляд на электрические процессы в околоземном пространстве. «Электрическая сила и распределение заряда являются следствием, а не причиной движения плазмы», – подчеркивает Эбихара. Конвекция плазмы – крупномасштабное движение заряженных частиц в магнитосфере – управляет многими динамическими космическими явлениями. Недавние работы также показывают, что это движение влияет на радиационные пояса Земли, заполненные высокоэнергетическими частицами. Таким образом, проясняя, как движение плазмы формирует электрические поля, это исследование углубляет понимание поведения космической плазмы в целом и проливает свет на аналогичные процессы, происходящие вокруг других планет с магнитным полем, таких как Юпитер и Сатурн.
