Исчезнувший сигнал: как солнечная активность заглушила радиоголос Земли
Исследователи из НИУ ВШЭ и ИКИ РАН проанализировали данные спутника ERG (Arase) за семь лет и впервые подробно описали новое радиоизлучение Земли — гектометровый континуум, открытый в 2017 году. Выяснилось, что это излучение возникает спустя несколько часов после заката и исчезает через 1–3 часа после восхода Солнца. Чаще всего его фиксировали в летние месяцы, реже — весной и осенью. Однако к середине 2022 года, когда Солнце вошло в фазу повышенной активности, излучение полностью исчезло, но ученые предполагают, что сигнал может вернуться. Исследование опубликовано в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics.
Земля постоянно излучает радиоволны — естественные электромагнитные сигналы, возникающие в околоземном пространстве. Их анализ помогает понять, как Солнце воздействует на магнитосферу — область вокруг Земли, где магнитное поле защищает ее от внешнего воздействия.
Внутри этой области формируются разные типы радиоизлучений, и одно из них — гектометровый континуум (ГМК). Это слабое естественное излучение в диапазоне 600–1700 килогерц, что значительно ниже частот вещания обычных радиостанций. Источники излучения находятся сравнительно близко к планете — на высоте около одного-двух земных радиусов, где магнитное поле все еще управляет движением заряженных частиц. На Земле такие волны не уловить: плотные слои ионосферы полностью их поглощают, поэтому наблюдать ГМК можно только с помощью космических аппаратов. В связи с этим гектометровый континуум открыли сравнительно недавно, в 2017 году, благодаря японскому спутнику ERG (Arase). С того времени сигнал фиксировали эпизодически, и полной картины его поведения не было.
Чтобы описать свойства ГМК и объяснить механизм его возникновения, исследователи ИКИ РАН и факультета физики НИУ ВШЭ собрали все доступные данные со спутника и проследили, как изменяется это излучение во времени. Для этого они проанализировали около тысячи эпизодов регистрации ГМК за 2017–2023 годы.
Результаты показали, что появление сигнала связано с процессами в околоземной плазме — области, заполненной заряженными частицами, которые движутся под действием магнитного поля Земли и солнечного ветра. По мнению авторов, гектометровый континуум возникает из-за двойного плазменного резонанса — явления, при котором в плазме совпадают два типа колебаний: собственные колебания плазмы и вращение электронов вокруг линий магнитного поля Земли. Такое совпадение создает неустойчивость, из-за которой плазма излучает радиоволны. Для этого нужны особые условия — определенная плотность плазмы и наличие горячих электронов с высокой энергией.
Выяснилось, что излучение существует только ночью и исчезает через 1–3 часа после восхода Солнца. Ученые объясняют это тем, что утреннее излучение Солнца увеличивает плотность плазмы и разрушает условия, необходимые для генерации радиоволн. После заката сигнал тоже возникает не сразу, а спустя несколько часов, когда ионосфера успевает остыть и восстановить нужные параметры для возбуждения ГМК.
Кроме суточного цикла, у излучения есть и сезонные особенности: оно чаще регистрировалось летом, реже — осенью и весной. С середины 2022 года сигнал исчез. Ученые связывают это с переходом Солнца в более активную фазу: в эти месяцы на его поверхности стало больше пятен, усилилось радиоизлучение на длине волны 10,7 см и вырос уровень ультрафиолета. Из-за этого изменилась структура плазмы, и условия для генерации континуума исчезли.
Александр Чернышов
«Интересно, что, в отличие от других радиосигналов, которые во время всплесков солнечной активности усиливаются, например аврорального километрового радиоизлучения, связанного с полярными сияниями, гектометровый континуум, наоборот, затихает. Поэтому мы предполагаем, что он может появиться вновь через несколько лет, когда солнечная активность снизится», — комментирует доцент базовой кафедры физики космоса ИКИ РАН Александр Чернышов.
Исследование помогает не только лучше понять магнитосферу Земли, но и потенциально проверить, могут ли подобные радиоизлучения возникать у экзопланет. Это может указывать на наличие у планеты собственного магнитного поля — важного условия для сохранения атмосферы и, возможно, существования жизни.