Полярное сияние — одно из самых зрелищных явлений природы. Оно возникает, когда заряженные частицы от Солнца направляются магнитным полем Земли в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с атомами и молекулами и создают отчётливо окрашенные светящиеся структуры, похожие на занавесы.
Хотя физика, лежащая в основе полярных сияний, изучена хорошо, некоторые мелкомасштабные особенности объяснить сложнее. Используя оптические данные высокого разрешения и простую математическую модель, исследователи Н. Бриндли и Д. Уайтер показали, что некоторые тонкие структуры полярных сияний могут возникать из-за «отскока» электронов от низкочастотных плазменных волн (волн Альфвена) над ионосферой. Их работа опубликована в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics.
Полярное сияние создаёт для изучения плазмы и электромагнитных полей как трудности, так и возможности. Любая плазма сложна: электрически заряженные частицы, из которых она состоит, создают собственные поля и одновременно движутся под действием внешних полей. Однако движение полярного сияния позволяет оценить электрические поля.
Спутники, обращающиеся вокруг Земли, составили карты U-образных электрических потенциалов над авроральными дугами, но эти наблюдения ограничены, в частности потому, что большинство космических аппаратов находится над интересующей областью лишь короткое время. Чтобы разобраться в мелкомасштабных флуктуациях, авторы использовали излучение кислорода и азота в оптической и ближней инфракрасной областях спектра, измеренное наземным прибором Auroral Structure and Kinetics (ASK) во время его работы на Шпицбергене (Норвегия).
Прибор предоставил как пространственные, так и временные данные о том, как электрические поля менялись на протяжении 25 секунд. Этот промежуток был достаточно долгим, чтобы зафиксировать поведение, которое обычно ускользает от спутниковых исследований. Исследователи использовали два подхода к построению карт электрических полей, один из которых предполагал наличие U-образного потенциала. Результаты двух подходов в основном совпали, а расхождения между ними, как предположили исследователи, могут объясняться электронами, ускоренными в результате отскока от волн Альфвена над ионосферой.
По мнению авторов, метод наблюдения, основанный только на оптических данных и обладающий высоким пространственным и временным разрешением, открывает путь к пониманию полярных сияний на малых масштабах, а также других явлений космической погоды.
Эта статья переопубликована с разрешения Eos, издания Американского геофизического союза. Оригинал статьи можно прочитать здесь.