Ученые приблизились к пониманию связи шумановских резонансов и пылевых бурь на Марсе
Взаимодействие частиц пыли между собой в пылевых бурях на Марсе может привести к появлению электрических полей, достаточно сильных для возникновения разрядов, порождающих шумановские резонансы — стоячие электромагнитные волны. К такому выводу пришли физики из НИУ ВШЭ, Института космических исследований и МФТИ. Статья опубликована в журнале Icarus.
В последние десятилетия проводятся активные исследования Марса, изучается возможность космических полетов на планету. Знания о марсианской атмосфере повышают шансы межпланетных экспедиций на успех. В частности, при планировании космических полетов необходимо учитывать поведение частиц пыли и плазменно-пылевой системы над поверхностью Красной планеты.
В 2009 году радиотелескоп сети дальней космической связи НАСА (a 34 m radio telescope of the NASA’s Deep Space Network) зарегистрировал нетепловое микроволновое излучение во время марсианской пылевой бури. В наблюдаемом спектре излучения были обнаружены признаки шумановских резонансов на частотах 7,83 Гц, 14,1 Гц и 20,3 Гц.
Ученые из Высшей школы экономики, Института космических исследований и МФТИ рассмотрели роль пыли и пылевой плазмы в возбуждении на Марсе стоячих электромагнитных волн сверхнизких частот (ниже 100 кГц). С середины 1950-х годов это явление известно как шумановские резонансы — по имени австрийского ученого Отто Шумана, впервые осуществившего исследования стоячих электромагнитных волн в резонаторе Земля-ионосфера.
Для электромагнитных волн это пространство представляет собой гигантский сферический резонатор, полость которого заполнена слабоэлектропроводящей средой. Если возникшая в этой среде электромагнитная волна после огибания земного шара снова совпадает с собственной фазой (входит в резонанс), то она может существовать долгое время.
Предположительно на Земле шумановские резонансы вызываются грозовыми разрядами в сферической полости между поверхностью планеты и нижними слоями ионосферы.
Сергей Попель
«Молниевая активность связана со средней температурой на Земле, — рассказывает профессор факультета физики НИУ ВШЭ, заведующий лабораторией ИКИ РАН Сергей Попель. — Наблюдения также подтверждают корреляцию между температурой и амплитудами шумановских резонансов на Земле. Эти данные стали опорой для наших исследований аналогичных явлений на Марсе».
Ученые проанализировали механизм, за счет которого может происходить накачка энергии в шумановский резонатор. Оказалось, что электрические разряды являются подходящим «кандидатом». Но эти электрические разряды имеют несколько другую природу, нежели молнии на Земле. Для атмосферы Марса нетипичны молнии в земном понимании, на Красной планете распространены пылевые вихри или, как их еще называют, «пылевые дьяволы». Это небольшие ураганы диаметром примерно 100 метров, продолжающиеся несколько минут. Таким образом, в разреженной и засушливой атмосфере Марса нет аналогов земным метеорологическим облакам, но возрастает роль пылевых явлений.
Процесс зарядки пылевых частиц в атмосфере Марса имеет некоторые общие черты с процессами, происходящими в вулканических облаках на Земле: две частицы, состоящие из одинакового материала, сталкиваются, меньшая из частиц приобретает отрицательный заряд, а большая — положительный. Под действием силы тяжести более тяжелые положительно заряженные частицы собираются в нижней части пылевых вихрей, тогда как более легкие отрицательно заряженные — в верхней части. Возникает разделение зарядов, что может приводить к электрическому разряду.
Однако, как пишут авторы статьи, пока нет однозначных экспериментальных свидетельств, подтверждающих существование электрических разрядов в атмосфере Марса. Орбитальные модули, изучающие Марс, как правило, исследуют верхние слои атмосферы, тогда как нижний слой остается вне зоны их мониторинга. Для того чтобы точно узнать, существуют ли шумановские резонансы на Марсе, необходимо провести измерения электрических полей на поверхности Красной планеты.
«В идеале следует измерить амплитуду шумановских колебаний и понять, существует ли корреляция между изменением амплитуд шумановских резонансов и изменением интенсивности пылевых бурь на Марсе, — говорит Сергей Попель. — Но для этого нужно очень чувствительное оборудование».
Пока таких проектов не планируется, но второй этап миссии ExoMars, осуществление которого запланировано на вторую половину 2022 года, может частично помочь ученым в их исследованиях.