Ученые выяснили, как геомагнитное поле защищает Землю от электронов

Понимание ионосферы в высоких слоях земной атмосферы очень важно, поскольку она оказывает влияние на системы связи, спутники и важнейшие химические свойства, включая озоновый слой.

Новые сведения об активности высокоэнергетических электронов ученые получили в результате моделирования, проведенного под руководством геофизика Юто Катоха из Университета Тохоку, о чем сообщается в журнале Earth, Planets and Space.

Наши результаты проясняют неожиданную роль геомагнитного поля, окружающего Землю, в защите атмосферы от высокоэнергетических электронов, — говорит Катох.

Ионосфера — это широкая область, расположенная на высоте примерно от 60 до более 600 км над поверхностью Земли. Она содержит электрически заряженные частицы, представляющие собой смесь ионов и свободных электронов, образующихся при взаимодействии атмосферы с солнечным излучением.

Полярные области ионосферы подвергаются особенно устойчивому и энергичному потоку приходящих электронов в процессе, называемом электронными осадками. Эти «релятивистские» электроны движутся со скоростью, близкой к скорости света, при этом эффекты теории относительности Эйнштейна становятся все более значимыми. Они сталкиваются с молекулами газа и способствуют возникновению многих явлений в ионосфере, включая красочные авроральные проявления. Эти процессы в значительной степени зависят от воздействия геомагнитного поля на участвующие в них заряженные частицы.

Группа специалистов из Тохоку совместно с коллегами из Германии и других институтов Японии разработала сложный программный код, в котором особое внимание было уделено моделированию влияния относительно малоизученной «зеркальной силы» на осаждение электронов. Она обусловлена магнитной силой, действующей на заряженные частицы под влиянием геомагнитного поля.

Моделирование показало, что зеркальная сила заставляет релятивистские электроны отскакивать вверх, причем в степени, зависящей от углов, под которыми электроны прилетают. Предсказанные эффекты означают, что электроны сталкиваются с другими заряженными частицами выше в ионосфере, чем предполагалось ранее.

Приводя один из примеров значимости этой работы, Катох комментирует:

Осаждающие электроны, которым удается пройти через зеркальную силу, могут достигать средней и нижней атмосферы, способствуя химическим реакциям, связанным с изменением уровня озона.

Снижение уровня озона на полюсах, вызванное загрязнением атмосферы, уменьшает защиту живых организмов от ультрафиолетового излучения, которую обеспечивает озон.

Катох подчеркивает, что ключевым теоретическим достижением исследования является выявление удивительной значимости геомагнитного поля и зеркальной силы в защите нижней атмосферы от последствий деятельности электронных осадков, удерживая их на большем расстоянии.

В настоящее время мы начали проект по объединению имитационного моделирования, использованного в данной работе, с реальными наблюдениями полярной ионосферы для достижения еще более глубокого понимания этих важнейших геофизических процессов, — говорит Катох.

04.08.2023