Так же, как моторная лодка создает волну, имеющую форму поклона перед собой, поскольку корпус проталкивает воду, Земля создает подобный эффект – назвал головную ударную волну – поскольку это проталкивает солнечный ветер. Ученые стремились объяснить, как магнитное поле Земли может пихнуть в стороне сильный солнечный ветер, не развязывая бедствие. Они знали часть ответа в течение долгого времени: головная ударная волна преобразовывает энергию из солнечного ветра, чтобы нагреться сохраненный в электронах и ионах.
Но теперь, у исследователей есть важные новые подсказки о том, как этот процесс происходит.Ведомое Университетом Мэриленда исследование описывает первые наблюдения за процессом электрона, нагревающегося в головной ударной волне Земли.
Исследователи нашли, что, когда электроны в солнечном ветре сталкиваются с головной ударной волной, они на мгновение ускоряются к такой высокой скорости, что электронный поток становится нестабильным и ломается. Этот аварийный процесс отнимает у электронов их высокой скорости и преобразовывает энергию нагреться.
Результаты добавляют важное новое измерение к пониманию ученых магнитного поля Земли и его способности защитить планету от вредных частиц и радиации. Научно-исследовательская работа была издана в журнале Physical Review Letters on May 31, 2018.«Если бы Вы должны были стоять на горной вершине, Вы могли бы быть свалены быстрым ветром», объяснил Ли-Джен Чен, ведущий автор исследования и объединенный исследователь в Отделе UMD Астрономии. «К счастью, поскольку солнечный ветер врезался в магнитное поле Земли, головная ударная волна защищает нас, замедляя этот ветер и изменяя его на хороший, теплый бриз. У нас теперь есть лучшая идея, как это происходит».
Ученые получили свои данные НАСА, Магнитосферного Многомасштабный (MMS) миссия. Миссия MMS состоит из четырех идентичных спутников, которые несут инструменты, чтобы изучить физику магнитного поля Земли, поскольку это взаимодействует с солнечным ветром.
Спутники получили трехмерные измерения каждые 30 миллисекунд, приводящих к сотням измерений в слое головной ударной волны. Эти высокочастотные, точные измерения от миссии MMS были очень важны для исследования.
«Чрезвычайно быстрые измерения от MMS позволили нам наконец видеть электронный процесс нагрева в тонком слое шока», сказал Томас Мур, главный координатор проекта из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА и соавтор исследования. «Это инновационное, потому что теперь у нас есть способность определить механизм на работе, вместо того, чтобы просто наблюдать ее последствия».Ученые знали в течение некоторого времени, что головная ударная волна так или иначе в состоянии преобразовать энергию в электронах, чтобы нагреться без любых прямых столкновений между электронами. Это означает, что трение – распространенный способ выработать тепло здесь на Земле – не ответственен за электрон, нагревающийся в головной ударной волне.«Новые наблюдения за электронным ускорением в головной ударной волне переписывают текущее понимание электронного нагревания», сказал Чен, который является также исследователем в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. «Например, исследователи не ожидали, что головная ударная волна могла ускорить поток электрона солнечного ветра к скоростям, которые мы наблюдали».
В более ранней фазе миссии MMS спутники, как правило, двигались по кругу намного ближе к Земле, таким образом, они обычно пропускали головную ударную волну. Однако неожиданная вспышка солнечного ветра выдвинула головную ударную волну ближе к Земле, позволив спутникам собрать редкие и информативные данные.Ухватившись за это преимущество, исследователи наблюдали электронный поток солнечного ветра прежде, в течение и после встречи с головной ударной волной. Электронный поток, ускоренный шоком только, взял 90 миллисекунд, чтобы дестабилизировать и полностью сломаться.
«Исследование электронного нагревания важно не только для понимания, как головная ударная волна защищает Землю, но и потенциально для спутников, космического полета и возможно исследования других планет в будущем», сказал Чен.Давая первую четкую картину того, что делают электроны в головной ударной волне, Чен и ее сотрудники надеются поощрить других ученых выполнять компьютерные моделирования, дальнейшие космические наблюдения и лабораторные эксперименты на электронном нагревании.
Чен также надеется копаться далее в механизмах, которыми головная ударная волна ускоряет электронный поток.«Как правило, у ученых есть моделирования или теории предсказать то, что происходит, и затем они проектируют эксперименты, чтобы измерить его», сказал Чен. «На этот раз это – противоположное: измерение было на первом месте.
Моделирование и теория должны будут нагнать».