Ученые анализируют связь шумановских резонансов и пылевых бурь на Марсе

Взаимодействие частиц пыли 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 ученые активно исследуют Марс и изучают возможность полетов на планету. Знания о марсианской атмосфере повышают шансы на успех космических экспедиций. В частности, при планировании космических полетов необходимо учитывать поведение частиц пыли и плазменно-пылевой системы над поверхностью планеты.

В 2009 году радиотелескоп сети дальней космической связи НАСА 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.

«Молниевая активность связана со средней температурой на Земле. Наблюдения также подтверждают корреляцию между температурой и амплитудами шумановских резонансов на Земле. Эти данные стали опорой для наших исследований аналогичных явлений на Марсе», — рассказывает профессор факультета физики НИУ ВШЭ, заведующий лабораторией ИКИ РАН Сергей Попель.

Ученые проанализировали механизм, за счет которого может происходить накачка энергии в шумановский резонатор. Оказалось, что подходящим кандидатом являются электрические разряды, имеющие несколько другую природу, нежели молнии на Земле. Для атмосферы Марса нетипичны молнии в земном понимании, зато там распространены пылевые вихри или, как их еще называют, «пылевые дьяволы». Это длящиеся несколько минут небольшие ураганы диаметром около 100 метров. 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 в вулканических облаках на Земле: две частицы, состоящие из одинакового материала, сталкиваются, и меньшая из частиц приобретает отрицательный заряд, а большая — положительный. Под действием силы тяжести более тяжелые положительно заряженные частицы собираются в нижней части пылевых вихрей, а более легкие отрицательно заряженные — в верхней части. Возникает разделение зарядов, что может приводить к электрическому разряду.

Тем не менее, пока нет однозначных экспериментальных свидетельств, подтверждающих существование электрических разрядов в атмосфере Марса. Орбитальные модули как правило исследуют верхние слои атмосферы планеты, тогда как нижний слой остается вне зоны 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,. Но для этого нужно очень чувствительное оборудование», — поясняет Сергей Попель.

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.

• #Космос