Магнитосфера как защитный барьер
Магнитосфера, образованная магнитным полем Земли, действует как защитный щит, отклоняя солнечный ветер — поток заряженных частиц, постоянно устремляющихся от Солнца к нашей планете. Этот магнитный барьер защищает атмосферу и технологии, от которых мы всё больше зависим в околоземном пространстве, например, спутники связи.
Проблема магнитного пересоединения
Однако магнитосфера не является непроницаемой, поскольку фундаментальный процесс, называемый «магнитным пересоединением», может временно ослабить этот барьер во время интенсивного солнечного ветра и вызвать резкие колебания энергии в околоземном пространстве. По мере роста активности человека в этом регионе понимание и прогнозирование такой космической погоды становится критически важным.
Измерение скорости пересоединения
Ключом к пониманию этих нарушений является измерение так называемой «скорости пересоединения», которая количественно определяет эффективность преобразования энергии в процессах магнитного пересоединения. Десятилетиями учёные пытались измерить эту скорость различными методами, включая полёты космических аппаратов непосредственно через зоны пересоединения и наблюдения за солнечными вспышками с помощью дистанционного зондирования.
Однако эти традиционные подходы дают лишь локальные снимки процесса магнитного пересоединения или ограничены специфическими, часто неустойчивыми условиями. Получение полной и согласованной картины, которая объединила бы локальные и глобальные скорости пересоединения, остаётся сложной задачей.
Инновационный подход
Исследовательская группа под руководством доцента Ёсукэ Мацумото из Института перспективных академических исследований при университете Тиба, Япония, тестирует инновационный подход, используя мягкое рентгеновское излучение для измерения скоростей пересоединения. Исследование, соавторами которого являются Рёта Момосе из университета Тиба и профессор Ёсидзуми Миёси из университета Нагоя, было опубликовано в журнале Geophysical Research Letters 28 июня 2025 года.
Мягкое рентгеновское излучение возникает в результате процесса обмена зарядами между тяжёлыми ионами в солнечном ветре и нейтральными атомами водорода, исходящими от Земли. В этом исследовании учёные предлагают использовать мягкое рентгеновское излучение, которое естественным образом излучается, когда частицы солнечного ветра взаимодействуют с границами магнитосферы, для дистанционного измерения скоростей пересоединения в гораздо больших регионах, чем это было возможно ранее.
Команда провела передовые компьютерные симуляции на суперкомпьютере Fugaku, объединив глобальные магнитогидродинамические симуляции магнитосферы Земли с моделью мягкого рентгеновского излучения. Из симуляций они проанализировали, как рентгеновские лучи, связанные с пересоединением, могут быть зафиксированы спутником, расположенным на расстоянии Луны, во время интенсивного солнечного ветра. Эта точка обзора примерно соответствует точке зрения предстоящего спутника для рентгеновской съёмки, такого как GEO-X, запуск которого запланирован на ближайшее время.
После анализа результатов симуляций исследователи обнаружили, что самые яркие рентгеновские излучения образуют отчётливые формы, напоминающие пики, которые напрямую отражают структуру магнитного поля вокруг зон пересоединения. Измеряя угол раскрытия этих ярких областей, они рассчитали глобальную скорость пересоединения, равную 0,13, что близко соответствует теоретическим предсказаниям и предыдущим лабораторным измерениям.
Таким образом, результаты демонстрируют, что геометрия ярких рентгеновских особенностей коррелирует со скоростью пересоединения, предлагая новый метод оценки этого важного параметра. «Визуализация рентгеновских лучей от обращённой к Солнцу границы магнитосферы теперь потенциально может количественно оценить приток энергии солнечного ветра в магнитосферу, что делает рентгеновские лучи новым диагностическим инструментом для космической погоды», — подчёркивает доктор Мацумото.
Вклад в прогнозирование космической погоды
Предоставляя новый способ измерения и понимания магнитного пересоединения, это исследование напрямую способствует улучшению прогнозирования космической погоды. Возможность прогнозировать, как солнечная активность влияет на околоземное пространство, жизненно важна для защиты астронавтов и обеспечения надёжности систем связи и космических миссий, особенно перед лицом потенциально разрушительных событий, таких как магнитные бури.
Примечательно, что это исследование также имеет более широкие научные последствия для понимания магнитного пересоединения в других контекстах, как объясняет доктор Мацумото: «Магнитное пересоединение не только ответственно за нарушение магнитного щита Земли, но также является основным процессом, стоящим за взрывными событиями в плазменных устройствах, на Солнце и в чёрных дырах. Понимание этого процесса имеет важное значение для развития технологий, таких как удержание плазмы в термоядерных реакторах, и для изучения происхождения высокоэнергетических космических лучей».
По мере того как человечество готовится к эпохе освоения космоса и коммерческой космической деятельности, этот недавно предложенный метод может проложить путь к точным прогнозам космической погоды, помогая обеспечить безопасность и успех наших предприятий за пределами атмосферы Земли.