Исследователи начинают понимать взаимосвязь резонансов Шумана и пылевых бурь на Марсе

Взаимодействие пылевых частиц в марсианских пыльных бурях может вызвать электрические поля, достаточно мощные, чтобы иметь заряды, вызывающие стоячие электромагнитные волны, известные как резонансы Шумана. К такому выводу пришли физики из НИУ ВШЭ, Института космических исследований и МФТИ.

В течение последнего десятилетия Марс был центром активных исследований, при этом исследователи изучали возможные космические миссии на планету. Знание об атмосфере Марса увеличивает шансы на успех таких миссий. В частности, поведение пыли при планировании космических путешествий следует учитывать частицы и плазменно-пылевую систему на поверхности Марса.

В 2009 году 34-метровый радиотелескоп NASA Deep Space Network зарегистрировал нетепловое микроволновое излучение во время марсианской пыльной бури. В наблюдаемом спектре излучения признаки резонансов Шумана были обнаружены на частотах 7,83 Гц, 14,1 Гц и 20,3 Гц.

Исследователи из НИУ ВШЭ, Института космических исследований и МФТИ изучили роль пылевой и пылевой плазмы в возбуждении сверхнизкочастотных (ниже 100 кГц) стоячих электромагнитных волн на Марсе. С середины 1950-х годов это явление было известно как резонансы Шумана в честь Отто Шумана, австрийского ученого, который первым изучал стоячие электромагнитные волны в резонаторе Земля-ионосфера.

Для электромагнитных волн Земля и ее ионосфера представляют собой огромный сферический резонатор, полость которого заполнена слабопроводящей средой. Если электромагнитная волна, развивающаяся в этой среде, обойдет Землю и резонирует сама с собой, она может существовать долгое время.

Шумановские резонансы на Земле предположительно вызваны грозовыми зарядами в сферической полости между поверхностью планеты и нижними слоями ионосферы.

«Молниеносная активность связана со средней температурой на Земле, — сказал Сергей Попель, профессор физического факультета НИУ ВШЭ, заведующий лабораторией Института космических исследований РАН. «Наблюдения также подтверждают корреляцию между температурой и амплитудами шумановских резонансов на Земле. Эти данные стали основой для наших исследований подобных явлений на Марсе ».

Ученые проанализировали механизм, обеспечивающий загрузку мощности в резонатор Шумана. Оказалось, что электрические разряды — «хороший кандидат». Но эти электрические разряды имеют иную природу, чем земные молнии. Молнии в их земном понимании не характерны для марсианской атмосферы, в которой широко распространены пылевые вихри, также называемые «пылевыми дьяволами». Это небольшие штормы диаметром около 100 м, которые длятся несколько минут. Вот почему нет аналогов земным метеорологическим облакам в редкой и сухой марсианской атмосфере, но пылевые явления играют важную роль.

Процесс зарядки пылевых частиц в марсианской атмосфере имеет сходство с процессами, происходящими в вулканических облаках на Земле: две частицы, состоящие из одного и того же материала, сталкиваются, и меньшая из них получает отрицательный заряд, а большая заряжается положительно. Под действием силы тяжести более тяжелые положительно заряженные частицы собираются в нижних частях пылевых завихрений, а более легкие отрицательно заряженные частицы остаются в верхней части. Отделяются заряды, которые могут привести к электрическому разряду.

Однако авторы статьи заявляют, что пока нет однозначных экспериментальных доказательств, подтверждающих существование электрических разрядов в атмосфере Марса. Орбитальные модули, изучающие Марс, обычно изучают верхние слои атмосферы, а нижний слой остается за пределами зоны наблюдения. Чтобы точно узнать, есть ли на Марсе резонансы Шумана, необходимо измерить электрические поля на поверхности планеты.

«В идеале мы должны измерить амплитуду шумановских колебаний и понять, существует ли корреляция между изменяющимися амплитудами шумановских резонансов и изменениями интенсивности пыльных бурь на Марсе», — сказал Сергей Попель. «Но для этого нам понадобится очень чувствительное оборудование».

Такие проекты еще не запланированы, но второй этап миссии ExoMars, который намечен на вторую половину 2022 года, вероятно, внесет вклад в эти исследования.