Подобно Земле, на нашем космическом соседе Марсе иногда можно наблюдать северное сияние, танцующее на ночном небе. В марте 2024 года марсоход NASA Perseverance впервые запечатлел видимое свечение полярных сияний во время сильной солнечной вспышки и выброса корональной массы. Это открытие подтвердило, что будущие астронавты на Марсе смогут увидеть (и ощутить) влияние полярных сияний, и открыло новые возможности для исследований. 🔭
Учёные теперь считают, что у них есть инструменты для прогнозирования зелёного свечения полярных сияний на ночном небе над Марсом. Сегодня в Хельсинки, Финляндия, планетолог Элиз Райт-Кнутсен из Университета Осло представила вторую фотографию марсианского сияния на совместном заседании Европланетарного научного конгресса — Отдел планетарных наук (EPSC–DPS).
«Тот факт, что мы снова зафиксировали полярное сияние, демонстрирует, что наш метод прогнозирования полярных сияний на Марсе и их регистрации работает», — сказала Кнутсен, которая также была научным руководителем при получении первого изображения марсианского полярного сияния, сделанного с поверхности.
Как работает полярное сияние
Полярные сияния появляются на ночном небе, когда всплеск энергичных частиц в солнечном ветре выбрасывается из-за коронального выброса массы на Солнце. Эти частицы сталкиваются с молекулами в верхних слоях атмосферы Земли в пределах магнитного поля, заставляя их светиться. Это похоже на то, как будто солнце отрыгивает на нас, только вместо звука мы видим, как яркие огни танцуют по ночному небу.
Активность полярных сияний обычно наиболее высока на Северном и Южном полюсах, но даже такие места, как Ки-Уэст во Флориде, имели возможность увидеть это природное явление.
На Земле они бывают разных цветов в зависимости от того, какие типы атомов присутствуют. Согласно Канадскому космическому агентству, зелёные полярные сияния возникают, когда заряженные частицы сталкиваются с высокими концентрациями молекул кислорода в атмосфере Земли. Красные полярные сияния встречаются реже, чем зелёные. Они больше связаны с интенсивной солнечной активностью и вызваны солнечными частицами, взаимодействующими с кислородом на больших высотах (примерно от 180 до 250 миль). Редкие синие и фиолетовые сияния возникают, когда солнечные частицы взаимодействуют с азотом в атмосфере Земли.
На Красной планете полярные сияния светятся зелёным, потому что заряженные частицы сталкиваются с атомами кислорода высоко над Марсом. Они могут быть достаточно яркими, чтобы астронавты на Марсе могли заметить их невооружённым глазом. Здесь, на Земле, обычно полезно иметь телескоп или даже фильтр для камеры телефона, чтобы по-настоящему увидеть полярное сияние.
Поскольку у Марса нет магнитного поля, которое направляло бы заряженные частицы к магнитным полюсам, как у Земли, полярные сияния здесь видны по всей планете в виде свечения в небе, которое распространяется, как тонкий туман. Учёные называют это диффузным сиянием.
Полярные сияния на Марсе ранее наблюдались с орбиты в ультрафиолетовом свете с помощью космического аппарата Европейского космического агентства (ЕКА) Mars Express. Миссия NASA MAVEN также зафиксировала полярные сияния, светящиеся в ультрафиолетовом свете, невидимом для человеческого глаза.
Добавление обнаружений в видимом свете, подобных тем, что были сделаны в марте 2024 года, даёт больше возможностей для прогнозирования полярных сияний. Хотя на них приятно смотреть, то же самое излучение, которое вызывает полярное сияние, может быть опасным для астронавтов без предупреждения. Система предупреждения о мощных солнечных бурях, которые достигнут Марса, важна, если люди когда-либо собираются выжить на каменистой поверхности планеты.
Тонкости прогнозирования полярных сияний на Марсе
На Марсе наблюдения для прогнозирования полярных сияний должны быть запланированы и загружены на марсоход через три дня после того, как корональный выброс массы вырвется из Солнца в направлении Марса. Это означает, что приходится много гадать, какие солнечные бури вызовут полярные сияния.
«Предсказать полярное сияние с точностью до минуты невероятно сложно! Но есть разные проблемы на Земле и Марсе», — говорит Кнутсен в интервью Popular Science. «На Земле полярное сияние ограничено определённой областью, оно имеет относительно узкую форму и сильно меняется. Но мы можем продолжать проверять новые данные на Земле и корректировать наш прогноз и последующие наблюдения. На Марсе у нас нет возможности скорректировать время наблюдения».
С учётом трёхдневного времени на подготовку учёным приходится выбирать время всего на несколько минут. Однако полярные сияния на Марсе охватывают всю планету и длятся несколько часов.
«Так что, если можно так выразиться, здесь больше возможностей для ошибки», — говорит Кнутсен.
Между 2023 и 2024 годами Кнутсен и её команда предприняли восемь попыток наблюдения за полярным сиянием с помощью камер SuperCam и MastCam марсохода Perseverance. Они назвали этот процесс настоящим методом проб и ошибок.
В первых трёх попытках они ничего не увидели. Однако, анализируя условия, которые измерили орбитальные аппараты NASA MAVEN и Mars Express ЕКА, они поняли, что скорости этих выбросов корональной массы, вероятно, были недостаточно высоки, чтобы создать возмущение солнечного ветра на Марсе.
«Чем выше скорость коронального выброса массы, тем больше вероятность ускорения частиц к Марсу, которые создают полярные сияния, и чем сильнее возмущение солнечного ветра вокруг Марса, тем больше вероятность того, что эти частицы попадут в ночную атмосферу Марса», — сказала Кнутсен.
Чтобы скорректировать настройки, они нацелились на более интенсивные корональные выбросы массы. Именно тогда они обнаружили свои первые два обнаружения полярных сияний. Последние три корональных выброса массы не вызвали полярных сияний, даже несмотря на то, что у них были все признаки, которые искала команда. Однако отсутствие полярных сияний не означало, что всё потеряно.
«Самым удивительным моментом после трёх неудачных попыток было то, что в конце концов нам это удалось! Это означало, что наша стратегия прогнозирования и техника наблюдения сработали», — говорит Кнутсен. «Это невероятно приятно, когда работаешь с вполне конкретной гипотезой, и твои результаты наконец-то соответствуют ожиданиям».
В сиянии полярных сияний всё ещё много загадок как дома, так и на Марсе. В будущем команда надеется продолжить сравнение времени солнечного ветра и прибытия солнечных энергичных частиц на Марс, чтобы лучше понять, как они работают, и лучше подготовить будущих астронавтов.