Сотрудники физического факультета МГУ доказали, что сдвиг линий магнитного поля способен самоорганизовываться

Сотрудники физического факультета и Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В.Ломоносова экспериментально доказали, что шировая компонента магнитного поля ночной стороны магнитосферы Земли способна к самоорганизации. Результаты исследования были опубликованы в Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics.

Магнитное поле Земли — поле, по которому проходят магнитные силовые линии нашей планеты. Иногда это поле «загибается» и переходит в третье измерение — такое явление называется магнитным сдвигом, или шировой компонентой магнитного поля. Шировая компонента обычно появляется в хвосте магнитосферы Земли — длинном образовании с ночной стороны магнитосферы. При этом до сих пор было неизвестно, как эта компонента генерируется. Ранее считалось, что шировая компонента появляется в плазменном слое хвоста благодаря проникновению в хвост межпланетного магнитного поля (ММП). Плазменный слой образуется в той части хвоста, где магнитное поле слабое, за счет этого в эту область натекает плазма. В том же месте существует токовый слой — очень сильный ток (с силой тока равной миллион ампер А), текущий через плазму. Несколько лет назад авторы статьи создали модель магнитосферы Земли и предположили, что на генерацию ширового поля влияет не только ММП, но и внутренняя динамика плазменного слоя.

В ходе работы ученые исследовали связь между величиной шировых компонент магнитного поля и ММП. Они наблюдали за корреляциями (взаимодействиями) шировой компоненты в плазменном слое и этой же компоненты в ММП. Ученые установили, что корреляция лучше во время спокойных условий, когда высокоскоростные потоки плазмы в плазменном слое отсутствуют. Во время активных периодов, когда в плазменном слое наблюдаются ускоренные плазменные потоки, корреляция хуже. Причиной плохой корреляции стало то, что во время активных периодов токовый слой усиливается из-за ускоряющихся потоков плазмы. Этот токовый слой может существенно модулировать фоновое поле шировой компоненты в плазменном слое и нарушать корреляцию.

Также авторы исследовали пространственные распределения поля шировой компоненты в направлении нормали к токовому слою хвоста. Нормаль токового слоя — это перпендикуляр через плоскость этого слоя. Оказалось, что шировая компонента может появляться в двух формах.

«Показано существование двух типов конфигураций, которые могут самосогласованно генерироваться в токовом слое. Первое — симметричное “колоколообразное” распределение, где шировая компонента максимальна у верхушки “колокола” и минимальна к краям. Второе — “квадрупольное” распределение поля шировой компоненты, напоминающее синусоид (в одном конце значение положительное, в другом — отрицательное)», — рассказала один из авторов статьи Хельми Малова, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории магнитосфер планет отдела космических наук Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В.Ломоносова.

Авторы выяснили, что время жизни «квадрупольных» конфигураций поля компоненты короткое, оно составляет всего лишь несколько минут. А «колоколообразная» форма шировой компоненты оказалась более устойчивой: время ее жизни, по оценкам ученых, составляет до десяти минут.  

В ходе работы ученые использовали данные многоспутниковых миссий Cluster и THEMIS. Авторы рассмотрели девять интервалов наблюдений THEMIS в феврале-марте 2009 года.

«Данные исследования будут развиваться в направлении более детального исследования механизмов генерации шировой компоненты магнитного поля в токовом слое хвоста и построении самосогласованной теории, которая бы позволила объяснить самоорганизацию магнитных полей в космической плазме, их время жизни и пространственную локализацию», — заключила Хельми Малова.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Института космических исследований РАН, Высшей школы экономики и из Института космических исследований и технологий Болгарской академии наук.