Недавно описанные сияния оказались вовсе не полярными

Физики обнаружили, что механизм возникновения на небе стивов — окрашенных светящихся полос длиной до тысячи километров — принципиально отличается от механизма появления полярных сияний.

Для этого ученые исследовали данные о стиве, описанном в 2008 году — еще до того момента, когда стало понятно, что это особый тип сияний. Вероятнее всего, свечение такого типа так же, как и полярное сияние, вызвано процессами в ионосфере Земли, но при этом оно не сопровождается сильным увеличением потока заряженных частиц, пишут ученые в Geophysical Research Letters.

 

В областях, расположенных вокруг магнитных полюсов Земли, часто можно наблюдать полярные сияния — свечение верхних слоев атмосферы, в которые попадают заряженные частицы солнечного ветра. В северном полушарии чуть южнее авроральных зон часто удавалось видеть и другое похожее явление — протяженные окрашенные полосы шириной около 20–30 километров и до тысячи километров в длину. Эти полосы, которые изначально астрофотографы-любители называли «протонными дугами», были известны уже не одно десятилетие, однако ученые впервые достоверно описали их только в 2016 году, а первая работа, посвященная их изучению, была опубликована только в апреле 2018 года. Такие полосы были названы стивами (англ. STEVE — Strong Thermal Emission Velocity Enhancement, то есть «сильное повышение скорости теплового излучения»). Считалось, что стивы по своей природе могут быть похожи на полярные сияния, однако механизм их появления до сих пор подробно не описан.

Чтобы исследовать природу этого пока мало изученного явления, группа физиков под руководством Беатрис Гальярдо-Лакур (Beatriz Gallardo-Lacourt) из Университета Калгари внимательно изучила стив, который наблюдался в Канаде 28 марта 2008 года. Ранее считалось, что формирование этих светящихся полос связано с попаданием в магнитосферу заряженных частиц, энергетические переходы которых приводят к свечению — именно так на небе появляются полярные сияния. Кроме того, высказывалась гипотеза, что в основе этого явления может лежать собственное свечение атмосферы. Тем не менее, единственное на сегодняшний день исследование стива показало, что при сияниях такого типа происходят немного другие процессы (в частности, увеличение электронной температуры и падение электронной плотности в ионосфере), и вероятнее всего, механизм возникновения стивов связан с субавроральным ионным дрейфом.

 

Тем не менее, для стива, исследованного в предыдущей работе, практически не было данных о заряженных частицах, которые попадали во время сияния в ионосферу. На этот раз ученым удалось обнаружить запись стива, расположение которого на небе позволило получить такую информацию. Данные об этом сиянии 2008 года были получены с использованием наземных камер, а также с помощью двух спутниковых систем: спутникового комплекса THEMIS, запущенного НАСА для изучения магнитосферных суббурь, и системы погодных спутников POES, которую Национальное управление океанических и атмосферных исследований использовало для предсказания погоды.

 

Полученные данные подтвердили, что процессы, которые приводят к возникновению стивов, принципиально отличают их и от полярного сияния, и от собственного свечения атмосферы (также в механизме формирования стивов не участвует и световое загрязнение атмосферы). Проанализировав количество протонов и электронов, попавших в ионосферу во время сияния, ученые обнаружили, что поток протонов все это время был практически нулевым, а все попавшие в атмосферу электороны имели довольно низкую энергию. Так, никаких следов столкновения с ионосферой электронов с энергиями от 0,03 до 2,5 мегаэлектронвольт обнаружено не было, а заметным оказался только поток электронов более низких энергий — от 0,05 до 1 килоэлектронвольта.

 

При этом, несмотря на заметное увеличение в субавроральной зоне потока электронов низких энергий, он все равно был примерно на два порядка меньше, чем во время обычных полярных сияний, и не мог вызвать свечения такой интенсивности. Кроме того, ученые до сих пор не исключают возможное влияние протонов на появление сияния — несмотря на их почти нулевой поток, во время начала сияния число попавших в ионосферу низкоэнергетических протонов (с энергией около 50 электронвольт) заметно выросло. Несмотря на то, что величина потока осталась очень близка к нулю, для субавроральных зон этого изменения могло хватить для начала сияния.

 

Ученые отмечают, что точный механизм свечения все еще остается непонятен, однако сейчас с уверенностью можно утверждать, что он сильно отличается от процессов, которые приводят к полярному сиянию. Для обозначения нового механизма авторы работы предложили использовать термин «skyglow» — небесное свечение. Вероятнее всего, связанные с сиянием процессы, так же, как и в случае с полярным сиянием, происходят в ионосфере, однако детально их изучить предстоит в будущих работах.

 

Недавно японские физики впервые впервые экспериментально подтвердили теорию происхождения другого типа небесных свечений — пульсирующих полярных сияний. Оказалось, что причиной этого явления становится взаимодействие электронов с плазменными волнами в магнитосфере планеты.