Коллектив ученых из МФТИ, Института космических исследований РАН и Института физики атмосферы РАН провел моделирование явлений атмосферного разряда и взаимодействия заряженных пылевых частиц в верхних слоях атмосферы, включая мезосферу и термосферу. Результат исследования опубликован в журнале Space Sci.
Верхняя атмосфера Земли представляет собой динамичную, сложную среду и заманчивый набор для научный исследований, начиная от кратковременных светящихся явлений и заканчивая сложным взаимодействием заряженных частиц и электромагнитного излучения. Этот регион, охватывающий мезосферу и термосферу, играет решающую роль в регулировании климата нашей планеты и взаимодействия с космосом. Чтобы лучше понять эти сложные процессы, необходимы наблюдения с различных платформ и инструментов, а также исследования моделирования.
Всего эта область охватывает высоту примерно 50–600 км над поверхностью Земли, на которые влияют как нижние слои атмосферы, так и эффекты магнитосферы. При чрезвычайно низком давлении воздуха, составляющем примерно 0,1% от давления, испытываемого у поверхности Земли, и температуре, падающей до –90°C, она характеризуется своим холодным и разреженным характером.
Молнии в верхних слоях атмосферы. Из сети Интернет
При этом в ней происходят яркие световые события: спрайты, голубые джеты, эльфы и гигантские джеты, охватывающие световые потоки в широком диапазоне частот, от СНЧ до УВЧ. Спрайты наблюдаются на высоте примерно 50–90 км над уровнем моря и часто связаны с интенсивными положительными молниями от облака к земле. Голубые струи, с другой стороны, выбрасываются вверх из вершин грозовых облаков на высоту около 15–40 км. Эльфы, возникающие в нижней части ионосферы на высоте 90 км, возникают в результате взаимодействия электромагнитных импульсов, вызванных молнией, и ионосферы. Кроме того, гигантские струи, впервые обнаруженные в начале 2000-х годов, простираются от грозовых облаков до ионосферы, потенциально вызывая короткое замыкание облачного заряда в верхние слои атмосферы. Эти явления подчеркивают сложные взаимодействия между атмосферным электричеством, конвективными процессами и ионосферной средой.
В этих сложных процессах значительную роль играют пылевые частицы, усложняющие динамику верхней атмосферы. Источники их попадания разнообразны, включая как естественное, так и антропогенное происхождение — извержения вулканов и промышленную деятельность. Частицы пыли в мезосфере могут заряжаться в результате нескольких процессов, в том числе присоединения частиц плазмы (электронов и ионов), что приводит к образованию положительных или отрицательных зарядов, а также фотоэмиссии. В свою очередь, заряженные частицы пыли воздействуют на окружающую плазму. Отрицательно заряженная пыль может действовать как сток электронов, потенциально вызывая локальное истощение электронов. И наоборот, положительно заряженная пыль может увеличить локальную плотность электронов, в первую очередь за счет таких процессов, как фотоионизация.
Понимание этих ключевых процессов имеет решающее значение, учитывая их значимое участие в деятельности ионосферы. Солнечное УФ-излучение, основная причина ионизации, превращает этот слой в динамическую арену, существенно влияющую на распространение радиоволн. Более того, сама система «мезосфера-термосфера» служит площадкой для решающей передачи энергии и атмосферных волновых явлений, определяя температуру и динамику этой критической области.
«Цель нашего исследования — понять достаточно сложные процессы, которые происходят в верхней части атмосферы. А еще то, как эти процессы связаны и как влияют на общую атмосферу. В лаборатории мы провели экспериментальную работу, которая позволила смоделировать атмосферный разряд и понять, как на него влияют заряженные частицы. Это довольно необычная тема исследования, поскольку в земной атмосфере в основном изучают молекулы газа. Но поскольку мы изучаем пылевые частицы на Луне и на Марсе, то смогли максимально моделировать влияния, которые происходят в марсианской атмосфере, схожей по некоторым характеристикам верхнему слою», — рассказал об исследовании Мохамад Абделаал, аспирант МФТИ.
Для моделирования условий мезосферы-термосферы ученые использовали вакуумную камеру. Для изучения электромагнитных влияний внутри камеры был установлен электромагнитный анализатор (ЭМА), который зарегистрировал сигналы, генерируемые атмосферным разрядом, и электромагнитную сигнатуру заряженных частиц пыли. Это очень точный прибор, который был установлен на миссии Экзомарс. Ученые обновили и усовершенствовали эту версию и провели замеры для Земли.
«С помощью вакуумной камеры мы хотели смоделировать условия верхней части атмосферы. Конечно, возникает вопрос, почему вакуум, если в земной атмосфере есть воздух. Но в верхнем слое его гораздо меньше, чем на поверхности, что и делает ее похожей на атмосферу красной планеты», — добавил Мохамад Абделаал.
В чем же суть самого эксперимента? С помощью инжектора, который находится в верхней части вакуумной камеры, ученые создали напряжение электрического поля, которое отталкивает частицы внутрь вакуумной камеры. Когда в инжекторе образуется большой заряд, то происходит пробой наподобие молнии или образования заряда в воздухе, когда мы кладем рядом два провода. Но в условиях обычной атмосферы между проводами есть молекулы, и они влияют на проводимость в отличие от вакуума, где проводимость гораздо ниже.
«Мы задались вопросом, что меняют такие молекулы в атмосфере. Частицы, которые мы добавляли, — это в основном пыль размером около 40 микронов — действительно влияли на проводимость. Конечно, искусственный вакуум не может на 100% быть схожим с условиями открытого космоса, но суть в том, что мы смогли с помощью ЭМА регистрировать разряд, который получился во время высокого напряжения — до 8–10 киловольт. Это позволило создать пробой с помощью пылевых частиц. Во время него мы могли регистрировать электромагнитный сигнал, а не только электрический разряд. И это очень хороший результат. В итоге мы смогли регистрировать электромагнитные явления во время электрического разряда и взаимодействия заряженных частиц в нашей симуляции верхней части земной атмосферы», — заключил Мохамад Абделаал.
Результаты экспериментальных исследований выявили характерные электромагнитные процессы, происходящие при пробоях и взаимодействиях заряженных частиц в атмосфере Земли. Полученные результаты способствуют нашему пониманию сложных взаимодействий в верхних слоях атмосферы не только Земли, но и Марса.
