Норвегия, ночь, полярный круг. Ты смотришь в небо — и видишь нечто, что захватывает дыхание.

Над горами струятся зелёные шторы света — танец частиц, рождённый Солнцем и магнитным полем Земли. Это северное сияние (аврора бореалис) — одно из самых завораживающих природных явлений, которое можно наблюдать на нашей планете.

Но вдруг — среди света появляется тьма. Странные тёмные полосы, будто кто-то вырезал куски из сияющей ткани неба. Что это? Тень? Облако?
Нет. Это ещё более редкое и малоизвестное явление — антисеверное сияние, или чёрное сияние.

🌠 Что такое северное сияние?
Сияние начинается далеко от Земли — на Солнце, где происходят мощные вспышки и выбросы корональной массы.
Огромный поток заряженных частиц, известный как солнечный ветер, устремляется в сторону Земли и достигает её за несколько дней.

Там его встречает магнитосфера — защитное магнитное поле планеты, которое перенаправляет частицы к полюсам.
И вот тогда начинается магия: частицы попадают в верхние слои атмосферы — на высоте от 80 до 300 км, где сталкиваются с молекулами воздуха:

💚 Кислород на ~100 км — даёт зелёное свечение

❤️ Кислород выше 200 км — красное

💜 Азот при возбуждении даёт синий и фиолетовый цвета

Так рождаются световые завесы, дуги, спирали и волны — полярные сияния, которые украшают небо вблизи магнитных полюсов.

🖤 Что такое антисеверное сияние?
Иногда в сиянии появляются тёмные зоны, словно прорехи. Это не тень и не оптический обман. Это — антисеверное сияние, активный физический процесс, противоположный привычному свечению.

🔁 Вместо того чтобы электроны падали вниз и возбуждали атмосферу, в этих зонах они вытягиваются обратно в космос вдоль магнитных линий Земли.
Это становится возможным благодаря восходящим электрическим полям, создающим отток частиц из атмосферы. Такие процессы формируют области пониженной яркости — визуально они выглядят как разрывы в сиянии.

📡 Эти явления были впервые подтверждены спутниками миссии ESA Cluster, которые проводили синхронные измерения в разных слоях магнитосферы Земли.

Антисияние может достигать высот свыше 20 000 км и длиться от нескольких секунд до минут — столь же активно, как и обычное сияние, но проявляется в виде тьмы.

🌐 Свет и тьма одного происхождения
Полярное сияние — это наглядное проявление взаимодействия солнечного ветра, магнитного поля и атмосферы Земли, физически ощутимое глазами.
Антисеверное сияние — не его противоположность, а другая фаза той же физической системы. Вместе они демонстрируют, насколько тонко устроены процессы в околоземном космосе.

Это не просто игра света и тени, а живая иллюстрация фундаментальных сил природы, в которых энергия проявляется не только как сияние, но и как его отсутствие.

Больше в моем тг-канале: https://t.me/farren_ingenior

#северноесияние #полярноесияние #антисеверноесияние #чёрноесияние #auroraborealis #antiaurora #солнечныйветер #магнитосфера #ионизация #космос #атмосфера #астрофизика #наука #ESA #Cluster #spaceweather #наблюдениенеба #астрономия

12.11.2021, arxiv.org

Рут А. Бэмфорд, Барри Дж. Келлетт, Джеймс Л. Грин, Чуанфэй Донг, Владимир Айрапетян, Боб Бингхэм

Для установления долгосрочного присутствия человека на Марсе необходимо серьезно подумать о терраформировании планеты. Одним из основных требований для такого терраформирования является защита Марса планетарным магнитным полем, которое в настоящее время отсутствует.

В этой статье группа ученых впервые всесторонне исследует практические и инженерные проблемы, влияющие на возможность создания искусственного магнитного поля, способного охватить весь Марс. Это включает в себя проблемы, которые определяют конструкцию и место расположения генератора магнитного поля и возможные стратегии строительства.

https://arxiv.org/abs/2111.06887

Цель статьи не в том, чтобы обосновать необходимость планетарной магнитосферы, а в том, чтобы оценить практические аспекты, чтобы иметь возможность взвесить плюсы и минусы различных инженерных подходов.

Предлагаемое оптимальное решение является совершенно новым, хотя и вдохновлено естественной ситуацией и одним из методов создания термоядерной плазмы. Решение с наименьшей мощностью, конструкцией и массой заключается в создании искусственного кольца заряженных частиц (аналогичного по форме радиационному поясу) вокруг планеты, которое, возможно, будет образовано путем выброса вещества с одной из лун Марса (аналогично тому, как образуется плазменный тор Ио, спутника Юпитера), но с использованием электромагнитных и плазменных волн для создания чистого тока в кольце (кольцах), что приведет к созданию общепланетарного магнитного поля.

С наступлением новой эры освоения космоса настало время задуматься об этих новых и смелых концепциях будущего и начать заполнять пробелы в стратегических знаниях. Кроме того, рассмотренные здесь принципы также применимы к объектам меньшего масштаба, таким как пилотируемые космические корабли, космические станции или лунные базы, которые выиграли бы от создания защитных мини-магнитосфер.

Рисунок 1: Художественное изображение магнитосферы вокруг Марса, образованной магнитным дипольным полем от искусственного кольца или петли электрического тока, циркулирующего вокруг планеты. Приблизительной точкой, в которой уравновешивается давление, является дистанция противостояния RS.

Рисунок 2: Подходы к созданию магнитного поля. Варианты различных подходов к созданию токовой петли: (A) динамо-машина с расплавленным железным сердечником, (B) твердотельная сверхпроводящая токовая петля или постоянные магниты, (C) цепочка дискретных связанных источников тока или магнитных источников и (D) тор, управляемый плазменным током.

Рисунок 3. Варианты размещения источника магнитного поля; (a) ядро планеты, (b) поверхность Марса, (c) орбита Марса (на низкой орбите у Марса (LMO) или ареостационарной орбите), (d) орбита Фобоса, (e), орбита Деймоса, и (f) точка Лагранжа Марс-Солнце Л1.

https://en.wikipedia.org/wiki/Areosynchronous_orbit

Рисунок 4: Для покрытия всей площади планеты потребуется либо (а) токовая петля с широким безопасным радиусом b (которая может состоять из N токовых петель), либо (b) набор более дискретных катушек/токовых петель в конфигурации Гельмгольца (или аналогичной).

Рисунок 5: Варианты расположения токовой петли на орбите включают в себя низкую орбиту Марса, орбиты лун (Фобос и Деймос) и ареостационарную орбиту, марсианский эквивалент геостационарной. Если мы зафиксируем местоположение магнитопаузы на 10 RM (радиусов Марса) с полем 100nT (нанотесла), то создаваемая напряженность магнитного поля должна соответствовать показанной кривой, и чем шире петля, тем ниже поле, но тем больше необходимая структура.

Рисунок 6: Катушки соленоида могут быть изготовлены из полых решетчатых конструкций для минимизации массы. Эти структуры, в свою очередь, могут состоять из легких материалов, например, нанотрубок.

Рисунок 7: Сравнение относительных гравитационных колодцев между Землей, Марсом и Луной. Гравитационный потенциал выражается в километрах и представляет собой эквивалентное расстояние, необходимое для поднятия массы 1 кг в однородном гравитационном поле 1 G (9,8 мс−2).

По материалам Crawford (2015).

Рисунок 8: Принцип плазменного тора с токовым приводом, который создает результирующее магнитное поле. Заряженные частицы направляются между серией космических станций, которые используют частицы для формирования токовой петли.

Рисунок 9: Плазма, выпущенная с луны Марса (Фобоса или Деймоса) (Фобос показан на вставке (а)) и искусственно ускоренная (вставка (b)), образующая плазменный тор с токовым приводом, который создает результирующее магнитное поле.

В отличие от естественных природных систем, чтобы сформировать убегающий пучок (луч), частицы которого могут ускоряться выше предела Dricer, и который не подвержен влиянию плазменной среды и процессов захвата. Но для обеспечения формирования замкнутого контура потребуются станции поддержки «kicker». Показанное создаваемое током полоидальное магнитное поле, способствует удержанию плазменного столба, а также формированию результирующего магнитного поля. Если плазменный пучок будет иметь достаточную плотность, чтобы учесть диффузионные потери, все равно потребуется 1011 земных лет, чтобы таким образом исчерпать материал Фобоса.

Резюме и выводы:

Если Марс когда-нибудь станет долговременной обителью человеческой жизни, ему, возможно, потребуется защита искусственно созданной магнитной магнитосферы планетарных размеров. Магнитосфера Земли помогает защитить планету от потенциального стерилизующего воздействия космических лучей и сохранить атмосферу от значительного разрушения во время больших солнечных супербурь, когда они проходят над планетой. Здесь мы привели несколько простых расчетов, исследующих основы физики и технологии того, что практически потребуется для создания искусственного магнитного поля размером с планету, подобной Земле. Очевидно, что необходимые ресурсы будут огромными.

Целью данного исследования не является изучение эффективности магнитосферы на основе магнитного поля на Марсе или обоснование необходимости создания магнитного щита. Скорее, цель состоит в том, чтобы количественно исследовать практические способы, которыми это может быть сделано, если человечество решит это сделать, и сделать некоторую оценку ресурсов, которые будут задействованы. Это делается впервые в научном журнале. Это намеренно сделано с точностью до одной значащей цифры, поскольку для обоснования более точных цифр потребовались бы отдельные статьи для подробного описания уровня развития технологий. Тем не менее, эта первая попытка позволяет сравнить подходы и исследовать идеи.

Ни одно отдельное решение не обходится без серьезных технических проблем, многие из которых выходят за рамки того, что можно описать здесь. Основная проблема заключается не в необходимой интенсивности магнитного поля, а в требуемом его размере. Данные магнитосферы Земли свидетельствуют о том, что величина напряженности магнитного поля для сдерживания солнечного ветра составляет около ∼100nT (нанотесл). Однако для защиты всего Марса это поле должно быть непрерывным на абсолютной минимальной площади ∼ 109 км2 (площадь поверхности Марса при условии 100-километровой атмосферы). Для того чтобы такая магнитосфера сохранялась во время взаимодействия с солнечным ветром при любых условиях, она должна быть намного больше.

Из рассмотренных здесь вариантов маловероятно, что перезапуск ядра Марса когда-либо станет жизнеспособным вариантом.

Проблема заключается не только в минимальном количестве 1011 водородных бомб мощностью 1 мегатонна, которые необходимо распределить по железному ядру, чтобы расплавить его, но и в неуверенности в том, что динамо даже перезапустится, если это будет сделано, или как долго будет продолжаться любая циркуляция, поскольку в настоящее время неизвестно в первую очередь, почему динамо Марса остановилось — если предположить, что у Марса когда-то было естественное магнитное поле, исходящее из его ядра, как у Земли.

Соленоидные петли являются следующим вариантом, и существует множество потенциальных мест и технологий. С точки зрения расположения они варьируются от поверхности планеты до стабильных орбит и совпадения с лунами Марса. При использовании искусственной системы можно управлять величиной магнитного поля в источнике и размером создающей его структуры.

Мы показали преимущество, которое дает петля соленоида большого радиуса (R0) не только в плане более низких требований к магнитному полю на поверхности катушки (что было бы безопаснее для работы и жизни), но и в том, что скорость уменьшения магнитного поля с расстоянием меньше на R03, что делает ее гораздо более эффективной для покрытия большей площади, чем петля малого радиуса с более высоким полем. Однако петля тока большого диаметра требует создания в космосе более крупной физической структуры.

Структуры, генерирующие магнитное поле, могут быть изготовлены из сверхпроводящих материалов или проникающих магнитов, оба из которых минимизируют рабочую мощность, но имеют недостаток в том, что они тяжелые и изготовлены из редких минералов. В качестве альтернативы, углеродные нанотрубки предлагают потенциально более легкую проводящую структуру, но они хрупкие и имеют конечное сопротивление, требующее поддержания непрерывной мощности и, следовательно, влекущее потери мощности для его преодоления.

Мы показали, что требуемый ток составляет ∼0,2-0,5 GAmps в одной или многих соленоидных петлях. Хотя потребляемая мощность зависит от используемого материала, ее можно оценить в пределах 0,1-100 ГВт, что составляет от менее одной до 50 типичных электростанций мощностью 2 ГВт. Хотя это и не тривиально, но и не невообразимо много, особенно если управляемый ядерный синтез будет успешно развиваться как эффективный источник энергии в будущем.

Один из последних подходов к снижению нагрузки на массу заключается в использовании плазменного тока, а не какого-либо твердого проводника. В этом сценарии ток проходит через вакуум пространства. Для этого заряженные частицы, составляющие ток, должны быть ускорены до скоростей, при которых взаимодействие с окружающей плазменной средой будет недостаточным для разрушения петли тока.

Превышение предела ускорения означает, что частицы не будут подвержены «подхвату» солнечными бурями. После установления магнитного поля плазменный канал тока будет находиться в относительной защите собственной магнитосферы. Наблюдения за планетами показывают, что даже плазменные торы вокруг планет (например, радиационные пояса), не управляемые током и не убегающие, не полностью разрушаются под воздействием частиц солнечного ветра, хотя потери неизбежны.

Несомненно, было бы необходимо направлять и пополнять плазменный ток с помощью ряда выстроенных в линию космических станций. Однако, в зависимости от размера и расположения, такой пучок релятивистских частиц может представлять потенциальную радиационную опасность для транзитных космических аппаратов. Поэтому альтернативой может стать «массовая загрузка» плазменного контура путем ускорения частиц до более низкой неопасной скорости, но с подавляющей, гораздо большей плотностью. Это можно сделать путем испарения вещества с Фобоса или Деймоса, его ионизации и использования электромагнитных токовых приводов для ускорения образовавшихся заряженных частиц. Наиболее близким к этому природным явлением без использования токового привода является плазменный тор, созданный на орбите Ио вокруг Юпитера.

Пример Ио показывает, что вокруг планеты может сформироваться и сохраниться плазменная петля с высоким Z [???] (хотя в случае Ио огромное магнитное поле Юпитера и другие факторы способствуют удержанию). Мы показали, что для Марса необходимая масса не приведет к существенной эрозии лун при приблизительно ∼15 кг на орбиту на петлю. Использование ионов с более высоким Z для формирования тора будет способствовать удержанию.

В заключение следует отметить, что, как и предполагалось, ресурсы, необходимые для создания магнитного поля планетарного размера, нетривиальны, и предстоит провести еще много исследований. Здесь представлены некоторые уникальные решения для подходов, необходимых для создания искусственного магнитного поля планетарного размера.

Несмотря на то, что представленные здесь идеи относятся к масштабу планеты, такой как Марс, принципы в равной степени применимы и к меньшим по масштабу ненамагниченным объектам, таким как пилотируемые космические корабли, космические станции или лунные базы для создания защитных «мини-магнитосфер».

Сейчас, когда начинается новая эра освоения космоса, самое время задуматься об этих новых и смелых концепциях будущего. Как было предложено в недавней Белой книге десятилетнего планетарного обзора NASA «Interdisciplinary Research in Terraforming Mars: State of the Profession and Programmatics», необходимо устранить стратегические пробелы в знаниях и начать развивать эти и другие концепции, чтобы работать над решением, которое сделает колонизацию Марса людьми реальностью.

Терраформирование Марса давно было заветной мечтой человечества. Марс располагает к терраформированию. Продолжительность суток на его поверхности примерно близка к продолжительности земных суток, под поверхностью Красной планеты имеются большие количества воды в форме льда, а со временем, возможно, планету удастся окружить атмосферой, пригодной для дыхания. Но Марсу не хватает одной важной вещи – мощного магнитного поля. Поэтому, если мы хотим превратить Красную планету во «вторую Землю», то нам необходимо создать искусственное магнитное поле.

Причина того, что магнитные поля имеют такое большое значение, состоит в том, что они защищают планету от солнечного ветра и ионизирующих частиц. Магнитное поле Земли не дает некоторым высокоэнергетическим частицам возможности достичь поверхности планеты. Вместо этого частицы отклоняются в сторону от Земли, что обеспечивает нашу радиационную безопасность. Магнитные поля также предотвращают эрозию атмосферы под действием солнечного ветра, «выдувающего» ее в космос. Ранний Марс имел толстую, богатую водой атмосферу, но со временем она постепенно истощилась, поскольку у планеты отсутствовало мощное магнитное поле.

К сожалению, мы не можем просто воссоздать земное магнитное поле на Марсе. Наше магнитное поле генерируется под действием эффекта динамо, происходящего в ядре Земли, где конвекция железных сплавов генерирует геомагнитное поле нашей планеты. Недра Марса меньше по размерам и имеют более низкую температуру, поэтому мы не можем просто «запустить» магнитное динамо. Но, как показано в новом исследовании, существуют способы обойти это затруднение.

Идеи создания магнитного поля на Марсе уже высказывались ранее и обычно включали соленоиды, расположенные на поверхности планеты или на орбите – которые могут обеспечить самый базовый уровень защиты при помощи магнитного поля. Однако в новой работе предлагается более изящное решение.

Как указано в этом исследовании, для создания мощного магнитного поля вокруг планеты необходимо организовать мощный поток заряженных частиц внутри планеты или вокруг нее. Поскольку марсианские недра не располагают к движению внутри них потоков заряженных частиц, команда предлагает второй вариант. Оказывается, кольцо заряженных частиц, движущихся вокруг Марса, может помочь создать его спутник Фобос.

Фобос является крупнейшим из двух спутников Марса, и он движется вокруг планеты по очень узкой орбите – настолько близко к ней, что он совершает один оборот вокруг Марса в течение восьми часов. Поэтому команда предлагает использовать Фобос, ионизировав частицы на его поверхности, а затем ускоряя их для создания тора из плазмы вдоль орбиты Фобоса. В результате будет сформировано достаточно мощное магнитное поле, чтобы оно могло защищать Марс в процессе его терраформирования, считают авторы.

Работа опубликована в журнале Acta Astronautica; главный автор Р.А. Бэмфорд (R.A. Bamford).

Магнитные поля молодой Земли и Луны могли быть связаны

Согласно наиболее популярной гипотезе Луна образовалась 4.5 млрд лет назад в результате грандиозного столкновения, когда протопланета размером с Марс (Тейя) врезалась в только что сформировавшуюся Землю. В результате удара Тейя была полностью уничтожена. Часть ее обломков и земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этого вещества и сформировалась Луна.

https://www.nasa.gov/feature/earth-and-moon-once-shared-a-ma...

Если бы мы могли каким-то образом попасть в ту эпоху и посмотреть на Землю и Луну, то вряд ли бы узнали их. Поверхность нашей планеты была раскалена, а воздух токсичен. Она вращалась намного быстрее, чем сейчас, совершая один оборот всего за 5 часов. Что касается Луны, то на ее поверхности проходили грандиозные извержения, из-за чего спутник даже обзаводился временной атмосферой. Кроме того, у Луны было собственное магнитное поле. Доставленные на Землю образцы лунного грунта свидетельствуют о том, что они сформировались в условиях достаточно мощной магнитосферы.

Команда исследователей из NASA задалась целью ответить на вопрос, как лунное магнитное поле могло повлиять на молодую Землю. Для этого они создали компьютерную симуляцию. Модель показала, что 4 млрд лет назад магнитные поля двух тел были «связаны». Они соединялась исходящими из полюсов силовыми линиями. Это было возможно благодаря тому, что в те времена орбита Луны проходила на расстоянии 130 тысяч км от земной поверхности (сейчас эта цифра составляет в среднем 384 тысячи км).

По мнению ученых, эта «связка» могла сыграть важную роль в эволюции нашей планеты. Результаты моделирования говорят о том, что лунное магнитное поле выступало в качестве дополнительного экрана, защищая земную атмосферу от Солнца. Хоть в ту эпоху светило в среднем излучало и меньше энергии, чем сейчас, однако время от времени на нем происходили мощнейшие вспышки. Кроме того, вдоль этих линий мог происходить обмен частицами атмосфер. Возможно, именно этим объясняется присутствие азота и некоторых других газов в лунном реголите.

Как показывают расчеты, магнитосферы Земли и Луны могли быть связаны в период между 4.1 и 3.5 млрд лет назад. После этого спутник удалился на слишком большое расстояние от нашей планеты. Кроме того, по мере остывания лунного ядра, мощность магнитного поля стала уменьшаться. Считается, что уже 3.2 млрд лет назад магнитосфера Луны значительно ослабела. Полностью же она исчезла 1.5 млрд лет назад.