Мощнейшие солнечные бури могут усиливаться за счет процессов, происходящих не на Солнце, а в самой атмосфере Земли. К такому выводу пришли японские исследователи, изучившие магнитную бурю мая 2024 года. Спутниковые измерения показали, что около 85% заряженных частиц, сформировавших кольцевой ток вокруг планеты во время этого события, поступили из верхних слоев земной атмосферы. Открытие меняет представления о механизмах развития экстремальных геомагнитных возмущений и может помочь точнее прогнозировать опасные космические погодные явления.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances. Данные были получены с помощью японского спутника Arase, который наблюдал за магнитосферой Земли во время бури.

Неожиданная роль земной атмосферы

В мае 2024 года несколько мощных солнечных выбросов последовательно направили к Земле облака намагниченной плазмы. После их взаимодействия в космосе потоки заряженных частиц достигли магнитосферы планеты и вызвали одну из сильнейших геомагнитных бурь за последние десятилетия. Яркие полярные сияния наблюдались в регионах, где такое явление бывает крайне редко.

Буря, получившая название Gannon storm, или «буря Дня матери», достигла значения индекса SYM-H в минус 518 нанотесла. Это стало вторым по величине возмущением с начала измерений в 1981 году. Сопоставимое событие ранее наблюдалось в ноябре 2004 года.

Одним из главных факторов геомагнитных возмущений является кольцевой ток — огромная область энергичных заряженных частиц, которая циркулирует вокруг Земли на высоте нескольких тысяч километров. В основном он состоит из ионов кислорода и водорода. Их движение создает собственное магнитное поле, частично противодействующее земному. В результате магнитное поле, измеряемое у поверхности планеты, ослабевает.

До сих пор ученые знали о двух основных источниках частиц для кольцевого тока: солнечном ветре, несущем вещество от Солнца, и ионосфере — электрически заряженном слое верхней атмосферы Земли. Предполагалось, что во время особенно мощных бурь значительный вклад должен вносить именно солнечный ветер.

Однако измерения Arase показали иную картину. Около 85% обнаруженных ионов составлял кислород, поступивший из земной ионосферы. Частицы солнечного происхождения внесли сравнительно небольшой вклад в состав кольцевого тока.

По словам ведущего автора исследования Наритоси Китамуры из Института исследований космоса и земной среды Университета Нагои, это первое одновременное наблюдение ионов кольцевого тока и солнечного ветра во время бури такой силы.

Магнитное поле ослабло на 40%

Спутник Arase зафиксировал еще одну необычную особенность майского события. Вблизи пика бури напряженность магнитного поля на высоте около 16 тысяч километров над Землей снизилась на 40%. Столь значительное ослабление было зарегистрировано гораздо ближе к планете, чем в предыдущих наблюдениях сопоставимых магнитных возмущений.

Одновременно приборы спутника обнаружили уменьшение количества энергичных электронов, которые обычно циркулируют в этой области магнитосферы. Сильное изменение магнитного поля может менять траектории движения электронов и уводить их с привычных орбит. Однако исследователи пока не установили, было ли именно ослабление поля непосредственной причиной сокращения их количества. Для подтверждения этой связи необходимы дополнительные наблюдения.

Ученые предполагают, что необычно высокая концентрация тяжелых ионов кислорода земного происхождения могла усилить магнитное возмущение и привести к тому, что кольцевой ток достиг максимальной интенсивности ближе к Земле.

Почему открытие важно для прогнозирования бурь

Геомагнитные бури представляют угрозу не только для спутников и космических аппаратов. Они способны нарушать работу GPS-навигации и систем связи, создавать радиационные риски для космической техники и вызывать сбои в электросетях.

Поэтому понимание того, как формируется и развивается такая буря, имеет практическое значение. До сих пор модели прогнозирования в основном опирались на характеристики солнечного ветра. Новые данные показывают, что для оценки силы будущего возмущения необходимо учитывать и состояние верхних слоев земной атмосферы — в частности, количество ионов, которые из нее попадают в магнитосферу.

Для дальнейшего изучения этого процесса японские исследователи предлагают миссию FACTORS, которую планируется представить в рамках будущего конкурса проектов Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA). Она предполагает запуск двух спутников, которые будут изучать механизмы переноса атмосферных ионов в магнитосферу и их влияние на геомагнитные бури.

Если миссия будет реализована, ее данные помогут лучше понять взаимодействие солнечного вещества с атмосферой Земли и усовершенствовать прогнозирование экстремальных космических погодных явлений. Это позволит заблаговременно оценивать риски для спутников, навигационных систем, коммуникационных сетей и энергетической инфраструктуры.