Миссия Cluster измеряет турбулентность в земной магнитной среде

clusterme
Иллюстрация демонстрирует космические аппараты миссии Cluster (сверху) и THEMIS (внизу), пролетающие через земной магнитослой (турбулентная граничная область между солнечным ветром и магнитосферой нашей планеты)
Впервые ученым удалось определить, сколько энергии передается от больших до мелких масштабов в магнитослое – граничная область между солнечным ветром и защитным магнитным пузырем нашей планеты. Данные собирали миссиями Cluster и THEMIS в течение нескольких лет. Анализ показал, что турбулентность выступает ключом, делая процесс в 100 раз более эффективным, чем в солнечном ветре.
Планеты нашей системы омываются солнечным ветром – сверхзвуковой поток высокоэнергетических заряженных частичек, выпущенных главной звездой. Несколько планет, включая нашу, выделяются, потому что располагают магнитным полем – препятствие для солнечного ветра.
Именно контакт между земным магнитным полем и звездным ветром создает сложную структуру магнитосферы. Речь идет о защитном пузыре, оберегающем планету от большинства опасных частичек.
Ученые смогли достаточно детально изучить физические процессы в плазме солнечного ветра и магнитосфере. Но еще остаются вопросы касательно отношения этих двух сред и турбулентной области, называемой магнитослоем.
Чтобы понять, как энергия передается от солнечного ветра к магнитосфере, нужно разобраться в том, что происходит в магнитослое. В звездном ветре турбулентность влияет на диссипацию энергии от больших до мелких масштабов, где плазменные частички раскаляются и ускоряются до более высоких энергий.
Были подозрения, что такой же механизм должен срабатывать и для магнитослоя, но это не удавалось проверить. Плазма магнитосферы более турбулентная, сильнее подвергается флуктуациям плотности и более сжата, чем солнечный ветер. Поэтому ученые только в последние годы смогли разработать теоретические границы для исследования физических процессов в подобной среде.

1-clustermeasu

Схематическая иллюстрация процесса энергетического каскада в турбулентной плазме, замеченного в земном магнитослое

Ученые изучили объем сведений, добытых аппаратами миссии Cluster и THEMIS в 2007-2011 гг. Применив недавно созданные теоретические инструменты, они получили удивительный результат. Оказалось, что плотность и магнитные флуктуации, вызванные турбулентностью в магнитосфере, увеличивают скорость, с которой энергия падает от больших к меньшим масштабам в 100 раз эффективнее, чем в солнечном ветре. Анализ показывает, что примерно 10^-13 Дж энергии на м3 передается каждую секунду.
Кроме того, исследователи получили эмпирическую корреляцию, связывающую скорость рассеивания энергии в магнитослое с четвертой степенью другой величины, используемой для изучения движения жидкостей (турбулентное число Маха).
Скорость определить сложно, если не использовать космические зонды, а вот число Маха вычисляется проще с применением дистанционных наблюдений за астрофизической плазмой, расположенной за планетарными пределами.
Ученые ждут сопоставления своих выводов с измерениями плазмы вокруг других солнечных планет. Это возможно для миссий Юнона (Юпитер) и будущих полетов к спутникам Юпитера, а также BepiColombo.
Источник:https://aboutspacejornal.net/2018/01/31/миссия-cluster-измеряет-турбулентность-в-зе/