Космический аппарат MAVEN впервые зафиксировал в атмосфере Марса эффект «сжатия» плазмы

Космический аппарат NASA MAVEN помог зафиксировать в атмосфере Марса эффект Цвана — Вольфа — явление, которое десятилетиями изучали в земной магнитосфере, но прежде никогда не наблюдали непосредственно в атмосфере другой планеты. Открытие сделано при анализе данных, полученных во время мощного события космической погоды в декабре 2023 года: выброс солнечной плазмы достиг Марса и резко усилил взаимодействие солнечного ветра с его ионосферой. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications международной группой исследователей под руководством Кристофера Фаулера из Университета Западной Вирджинии.

Главный научный вывод работы состоит в том, что даже планета, лишённая глобального магнитного поля, способна демонстрировать процессы, которые прежде считались характерными исключительно для магнитосфер с мощным внутренним источником поля — таких как земная.

Марс не располагает защитным магнитным полем, которое у Земли экранирует атмосферу и поверхность от прямого воздействия солнечного ветра. Вместо этого у Красной планеты существует так называемая наведённая магнитосфера: солнечный ветер взаимодействует непосредственно с ионосферой и формирует временные магнитные структуры. Именно в таких условиях MAVEN зафиксировал необычное «сжатие» заряженных частиц — плазмы — вдоль магнитных силовых линий, аналогичное процессу, который у Земли участвует в отклонении потока солнечного ветра.

Как Марс «сжимает» плазму без собственного магнитного поля

Эффект Цвана — Вольфа был впервые теоретически описан в 1970-х годах. В земных условиях он проявляется следующим образом: солнечный ветер сжимает магнитные структуры, а заряженные частицы под давлением выдавливаются вдоль магнитных силовых линий — примерно так, как паста выдавливается из тюбика при сжатии. До сих пор наблюдать подобные процессы непосредственно удавалось лишь в магнитосферах планет, обладающих мощным собственным магнитным полем.

Данные MAVEN показали, что аналогичный механизм может реализовываться и в ионосфере Марса — верхнем слое атмосферы, насыщенном ионами и свободными электронами. Во время декабрьского события 2023 года межпланетный корональный выброс масс достиг Марса и временно усилил магнитные структуры в его атмосфере. На высотах ниже 200 километров приборы аппарата зарегистрировали резкие колебания магнитного поля и значительные изменения плотности заряженных частиц.

По словам Кристофера Фаулера, внимание команды сначала привлекли необычные «волны» в показаниях магнитометра и плазменных датчиков. После последовательной проверки альтернативных объяснений исследователи пришли к выводу, что наблюдают именно эффект Цвана — Вольфа — однако не в магнитосфере, а непосредственно в атмосфере планеты. Это стало первым в истории инструментальным наблюдением подобного процесса в атмосферных условиях Марса.

Измерения показали: магнитные структуры с крутыми фронтами фактически выдавливали ионосферную плазму вдоль временных магнитных линий. В отдельных участках плотность плазмы снижалась приблизительно на треть или почти наполовину, тогда как на «хвостах» магнитных структур она, напротив, возрастала. Это означает, что солнечная буря не просто обрушилась на атмосферу Марса, а временно изменила её внутреннюю динамику — перераспределила вещество в пространстве.

Что открытие говорит об эволюции атмосферы и будущих миссиях

Значение открытия выходит за рамки описания одного физического явления. Исследователи полагают, что эффект Цвана — Вольфа может происходить в марсианской ионосфере постоянно, однако в обычных условиях процесс остаётся ниже порога чувствительности имеющихся приборов. Мощная солнечная буря в декабре 2023 года усилила его настолько, что MAVEN смог зафиксировать его инструментально.

Это наблюдение напрямую связано с одной из центральных задач миссии MAVEN — выяснить, как солнечный ветер постепенно уносит атмосферу Марса в космос. Аппарат вышел на орбиту вокруг Марса в сентябре 2014 года именно для того, чтобы изучить атмосферную эрозию и реконструировать причины, по которым древний Марс — предположительно более тёплый и влажный — превратился в холодную безводную планету, которую мы наблюдаем сегодня.

Новый результат показывает, что взаимодействие Марса с солнечным ветром значительно сложнее, чем предполагали прежние модели. Даже без собственного магнитного щита планета формирует временные электромагнитные структуры, способные перераспределять плазму в атмосфере. Такие процессы могут влиять на скорость, с которой частицы покидают планету, на динамику верхней атмосферы во время солнечных бурь, а также на уровень радиационной опасности для будущих орбитальных аппаратов, посадочных платформ и — в перспективе — пилотируемых экспедиций.

Руководитель миссии MAVEN Шеннон Карри из Лаборатории атмосферных и космических исследований Университета Колорадо в Боулдере подчёркивает принципиальную важность подобных наблюдений. По её словам, именно связь между солнечной активностью и изменениями в марсианской атмосфере позволяет лучше оценить условия, с которыми столкнутся будущие миссии к Красной планете.

Открытие расширяет планетологический контекст

Научное значение работы не ограничивается Марсом. Если эффект Цвана — Вольфа способен проявляться в атмосфере планеты без глобального магнитного поля, аналогичные процессы могут происходить и у других тел Солнечной системы с наведёнными магнитными структурами. В числе потенциальных кандидатов исследователи называют Венеру и Титан — спутник Сатурна, обладающий плотной атмосферой. Это означает, что новая работа MAVEN может стать основой для пересмотра моделей взаимодействия солнечного ветра с атмосферными оболочками по всей Солнечной системе.

Значимость результата дополнительно подчёркивается неопределённым статусом самого аппарата. 6 декабря 2025 года MAVEN прервал связь с Землёй после прохождения за диском Марса. NASA сформировало специальную комиссию для расследования аномалии и продолжает оценивать состояние аппарата и возможность восстановления контакта. Вместе с тем данные, накопленные MAVEN за более чем десятилетие непрерывной работы на орбите, продолжают приносить открытия — и последнее из них наглядно демонстрирует, что архив миссии ещё далеко не исчерпан.

Даже если связь с аппаратом восстановить не удастся, MAVEN уже обеспечил планетологии результаты, которые будут осмысляться ещё долгие годы. Открытие эффекта Цвана — Вольфа в марсианской атмосфере — одно из них: оно меняет представления о том, как планеты без магнитного поля взаимодействуют с солнечным ветром, и ставит новые вопросы о роли космической погоды в эволюции атмосфер по всей Солнечной системе.