Группа сотрудников ИКИ РАН, НИИЯФ МГУ и ФИАН под руководством д.физ.-мат.н. Юрия Ермолаева (ИКИ РАН) провела статистическое исследование тонкой структуры и распределения содержания двукратно ионизованных атомов гелия (альфа-частиц) в крупномасштабных явлениях солнечного ветра — в том числе и в магнитных облаках. Благодаря этой работе был найден ответ на экспериментальный вопрос — почему количество альфа-частиц в магнитных облаках в одних измерениях повышено, а в других нет?

Статья принята к публикации в Journal of Geophysical Research (аннотация, DOI: 10.1029/2020JA027878).

Магнитные облака (далее сокращённо МО) — это «продолжение» в межпланетное пространство выбросов корональной массы (coronal mass ejection, CME), которые были открыты 40 лет назад по дистанционным наблюдениям с помощью внеатмосферных коронографов. CME, как следует из названия, представляют собой выбросы именно вещества, т.е. солнечной плазмы — протонов и электронов с небольшой долей более тяжёлых элементов (в отличие от вспышек, основное проявление которых — электромагнитное излучение). Магнитное же облако — это структура CME, покинувшая солнечную корону и регистрирующаяся в межпланетном пространстве in situ с помощью приборов на космических аппаратах по повышенной величине магнитного поля, что нашло свое отражение в названии. Магнитные облака были описаны в начале 1980-х гг., и экспериментально показана их связь с CME.

В процессе многолетних исследований были определены некоторые критерии для определения магнитного облака. Основной — уменьшение так называемого бета-параметра, одной из характеристик магнитного поля, примерно в ~2 раза по сравнению со средним значением в невозмущенном солнечном ветре. Кроме этого, в первых работах считалось, что обязательный атрибут магнитного облака — высокое содержание гелия в них. Однако накопленные экспериментальные данные явно этому противоречили — высокое содержание гелия наблюдалось только в ~10% случаев.

Чтобы найти ответ на эту загадку, исследователи проанализировали спутниковые данные, взятые из базы OMNI NASA и каталога крупномасштабных явлений солнечного ветра ИКИ РАН. Был взят 42-летний период (1976-2017 гг.), данные получены в экспериментах, проведённых на более чем десяти космических аппаратах.

По итогам работы было обнаружено, что в ~ 10% случаев из всех наблюдений магнитных облаков спутник пересекал область электрического тока, который протекает «внутри» спиралеобразного магнитного поля. И второе, особенно важно, что период пересечения тока совпадал с ростом содержания альфа-частиц.

«Таким образом, регистрация повышенного содержания альфа-частиц зависит от траектории космического аппарата, — говорит Юрий Ермолаев. — Повышение наблюдается только в том случае, если аппарат проходит через электрический ток. При этих допущениях верхняя оценка размера сечения тока, то есть области, по которой он проходит, составляет миллион (~ 10⁶ ) километров». Средний же размер сечения МО на 1 а.е. (у Земли) составляет порядка десяти миллионов км (~ 10⁷ км, или около одной десятой расстояния от Солнца до Земли).

Согласно результатам работы, именно в области тонкого цилиндрического тока содержание гелия повышено, а в остальной части МО оно такое же, как в обычном солнечном ветре. Все различия в наблюдениях связаны с траекторией спутника внутри МО — пересечет он или нет этот ток.

Слева: схема CME и магнитного облака. Штриховой линией показано положение электрического тока внутри спиралеобразного магнитного поля. Исходное изображение (с) NASA/Goddard/SDO. Справа: увеличенная область магнитного облака, в которой обозначены положение тока J и распределения бета-параметра и содержания альфа-частиц Nα/Np внутри магнитного облака

Результаты работы имеют прямое отношение к пониманию того, как «устроена» космическая среда. В ИКИ РАН ранее были выполнены работы, показывающие заметную роль малых тяжелых ионных составляющих в формировании плоских токовых слоев на кинетических масштабах — около тысячи км (~ 10³ км). Однако обнаруженный случай отличается и по масштабам, и по геометрии.

«Такой ток имеет магнитогидродинамический масштаб, он мог образоваться на Солнце и не успеть диссипировать до орбиты Земли, — поясняет Юрий Ермолаев. — С «геометрической» же точки зрения эта задача не плоская, а цилиндрическая. Поэтому необходимо рассмотреть вопросы формирования, устойчивости и динамики электрического тока с повышенным содержанием ионов гелия в магнитных облаках».