В атмосфере Юпитера нашли необычную плазменную моду. Она оказалась гибридом ленгмюровских и альвеновских волн

Американские физики обратили внимание на необычную плазму в магнитосфере Юпитера — ее электронная частота была значительно меньше, чем ионная циклотронная частота в той же области. Такие свойства привели к падению электронной концентрации до одной тысячной на кубический сантиметр и появлению особой моды, которая вела себя и как продольная, и как поперечная волна. Ученые отметили, что подобное явление может наблюдаться в ионосферах других газовых гигантов, а также у экзопланет и звезд с сильным магнитным полем. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Чтобы лучше понимать, как происходят возмущения в магнитосфере Земли, физики исследуют подобные области пространства и вокруг других небесных тел. При этом основное действующее лицо в магнитосфере это плазма, а ее главное свойство — электронная плотность. Количество электронов в единице объема можно измерить с помощью датчиков заряженных частиц, но такой метод не всегда обладает нужной точностью из-за ограниченного диапазона энергий и влияния электростатического потенциала космического аппарата. Тогда ученые прибегают к измерению плазменной частоты, поскольку она связана с электронной плотностью простой зависимостью — частота ленгмюровских колебаний прямо пропорциональна корню из концентрации электронов.

Во время нескольких пролетов над северным полюсом Юпитера автоматическая межпланетная станция «Юнона» зафиксировала интересную особенность: электронная плазменная частота в этой области оказалась меньше, чем ионная циклотронная частота. Эту плазму исследователи назвали «недоплотной» и связали ее с источником аврорального излучения километрового размера. Однако такой режим плазмы ранее никем подробно не рассматривался.

Физики из США под руководством Роберта Лысака (Robert Lysak) из Университета Миннесоты проанализировали данные космического аппарата и пришли к выводу, что плазма в атмосфере Юпитера обладает особой модой, которая не существует в типичной магнитосферной плазме. Ученые исследовали дисперсионное соотношение этой необычной моды в сильно намагниченной плазме низкой плотности. Для этого исследователи сначала использовали стандартное дисперсионное соотношение для холодной плазмы, а затем применили кинетическое дисперсионное соотношение, чтобы рассмотреть свойства в плазме конечной температуры.

В результате физики сделали вывод, что в магнитосфере Юпитера существует плазменная мода с частотой ниже основной электронной — ее колебания ведут себя подобно ленгмюровским волнам при больших волновых числах, меняя свой характер на схожий с альвеновскими волнами в обратном случае. Само существование этой моды ученые объяснили тем, что ионосфера планеты состоит в основном из протонов, при этом дополнительным фактором стало истечение энергичных тяжелых ионов из плазменного слоя.

Авторы работы отметили, что подобные плазменные волны нельзя найти на Земле, но они могут присутствовать в ионосфере других газовых гигантов, а также экзопланет и звезд с очень сильным магнитным полем.

О том, как «Юнона» проследила за жизнью рассветных бурь в магнитосфере Юпитера, мы писали ранее.

Источник