Пятнистые протонные полярные сияния на Марсе образуются, когда турбулентные условия вокруг планеты позволяют заряженным частицам водорода с Солнца проникать в марсианскую атмосферу. Изображения от 5 августа показывают типичные атмосферные условия, в которых прибор EMM EMUS не обнаруживает необычной активности на двух длинах волн, связанных с атомом водорода. Но 11 и 30 августа прибор наблюдал пятнистое полярное сияние на обеих длинах волн, что указывает на турбулентное взаимодействие с солнечным ветром. Кредит: EMM/EMUS

В новом исследовании EMM обнаружил мелкомасштабные структуры в протонном полярном сиянии, охватившем всю дневную сторону Марса. Протонное полярное сияние, обнаруженное MAVEN в 2018 году, представляет собой разновидность марсианского полярного сияния, которое формируется, когда солнечный ветер, состоящий из заряженных частиц Солнца, взаимодействует с верхними слоями атмосферы. Типичные наблюдения за протонным полярным сиянием, сделанные MAVEN и миссией ESA (Европейского космического агентства) Mars Express, показывают, что эти полярные сияния кажутся гладкими и равномерно распределенными по полушарию. Напротив, EMM наблюдал протонное сияние, которое казалось очень динамичным и изменчивым. Эти «пятнистые протонные полярные сияния» образуются, когда турбулентные условия вокруг Марса позволяют заряженным частицам проникать прямо в атмосферу и светиться по мере их замедления.

«Наблюдения EMM показали, что полярное сияние было настолько широко распространено и дезорганизовано, что плазменная среда вокруг Марса должна была быть действительно нарушена до такой степени, что солнечный ветер непосредственно воздействовал на верхние слои атмосферы везде, где мы наблюдали полярное сияние», — сказал Майк Чаффин, MAVEN, ученый EMM из Лаборатории атмосферной и космической физики Университета Колорадо в Боулдере и ведущий автор исследования.

«Объединив наблюдения полярных сияний EMM с измерениями MAVEN среды плазмы полярных сияний, мы можем подтвердить эту гипотезу и определить то, что мы видели, было по сути картой того, где солнечный ветер обрушивался на планету».

Обычно солнечному ветру трудно достичь верхних слоев атмосферы Марса, потому что он перенаправляется ударной волной и магнитными полями, окружающими планету. Таким образом, неоднородные наблюдения протонного полярного сияния являются окном в редкие обстоятельства, при которых взаимодействие Марса и солнечного ветра носит хаотический характер. «Полное влияние этих условий на марсианскую атмосферу неизвестно, но наблюдения EMM и MAVEN сыграют ключевую роль в понимании этих загадочных событий», — сказал Чаффин.

Верхнее изображение показывает нормальный механизм образования протонных полярных сияний, впервые обнаруженный в 2018 году. Белые линии показывают, что протоны солнечного ветра, удаляющиеся от Солнца, обычно уносятся магнитосферой Марса вокруг планеты и не взаимодействуют напрямую с атмосферой. Когда возникает протонное полярное сияние, небольшая часть солнечного ветра сталкивается с марсианским водородом в протяженной короне планеты (показана синим цветом) и обменивается зарядом на нейтральные атомы водорода. Эти недавно созданные атомы H все еще движутся с той же скоростью и больше не чувствительны к силам магнитосферы, которые перенаправляют протоны вокруг планеты. Вместо этого энергичные атомы H врезаются прямо в верхние слои атмосферы Марса и несколько раз сталкиваются с нейтральной атмосферой, что приводит к авроральному излучению падающих атомов H (фиолетовый). Поскольку солнечный ветер и марсианская корона одинаковы по всей планете, полярное сияние происходит повсюду на дневной стороне планеты с одинаковой яркостью. На нижнем изображении показан недавно обнаруженный механизм формирования пятнистого протонного сияния. Зеленые линии на верхнем изображении показывают, что в нормальных условиях магнитное поле солнечного ветра хорошо обтекает планету. Напротив, пятнистые протонные полярные сияния образуются при необычных обстоятельствах, когда магнитное поле солнечного ветра совпадает с потоком протонов. В таких условиях типичная драпированная конфигурация магнитного поля заменяется очень изменчивым лоскутным одеялом из плазменных структур, а солнечный ветер может напрямую воздействовать на верхние слои атмосферы планеты в определенных местах, которые зависят от структуры турбулентности. Когда протоны солнечного ветра сталкиваются с нейтральной атмосферой, их можно нейтрализовать, и они излучают полярное сияние локальными участками. В такие периоды неоднородное протонное сияние образует карту мест, где плазма солнечного ветра непосредственно воздействует на планету. Предоставлено: Миссия Эмирейтс на Марс/Космическое агентство ОАЭ.

Обмен данными между MAVEN и EMM позволил ученым определить причины пятнистого протонного сияния. EMM оснащен прибором Emirates Mars Ultraviolet Spectrograph (EMUS), который наблюдает за верхней атмосферой и экзосферой Красной планеты, сканируя изменчивость состава атмосферы и выход атмосферы в космос. MAVEN имеет полный набор плазменных инструментов, в том числе магнитометр (MAG), анализатор ионов солнечного ветра (SWIA) и инструмент супратермического и теплового состава ионов (STATIC), используемые в этом исследовании.

«Глобальные наблюдения EMM за верхними слоями атмосферы дают уникальный взгляд на регион, имеющий решающее значение для науки MAVEN», — сказал главный исследователь MAVEN Шеннон Карри из Лаборатории космических наук Калифорнийского университета в Беркли. «Эти типы одновременных наблюдений исследуют фундаментальную физику динамики и эволюции атмосферы и подчеркивают преимущества международного научного сотрудничества».

Руководитель отдела исследований EMM Хесса Аль Матруши согласилась. «Доступ к данным MAVEN был необходим для того, чтобы поместить эти новые наблюдения EMM в более широкий контекст», — сказала она. «Вместе мы раздвигаем границы наших существующих знаний не только о Марсе, но и о взаимодействии планет с солнечным ветром».

Измерения с нескольких точек обзора уже доказали свою эффективность в исследованиях Земли и гелиофизики. На Марсе более полудюжины орбитальных аппаратов в настоящее время проводят научные наблюдения, а поскольку в южном полушарии Марса в настоящее время наблюдается лето, когда известно, что протонное полярное сияние наиболее активно, наблюдения с нескольких точек обзора будут иметь решающее значение для понимания того, как формируются эти события. Сотрудничество между EMM и MAVEN демонстрирует ценность науки об атмосфере Марса на уровне открытий, когда два космических корабля одновременно наблюдают за одним и тем же регионом.