Исчезнувший сигнал: как солнечная активность заглушила радиоголос Земли

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. Исследование опубликовано в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics.

Результаты показали, что появление сигнала связано с процессами в околоземной плазме — области, заполненной заряженными частицами, движущиеся 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, излучение существует только ночью и исчезает через один–три 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 сантиметра и вырос уровень ультрафиолета. Из-за этого изменилась структура плазмы, и условия для генерации континуума исчезли. 

«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.