Один из инструментов на борту космического корабля будет изучать особый компонент марсианской атмосферы, чтобы помочь разгадать эту загадку. Изучая ионы или небольшие электрически заряженные частицы в разреженной атмосфере Красной планеты и над ней, анализатор ионов солнечного ветра поможет ответить на вопрос, почему Марс постепенно потерял большую часть своей атмосферы, превратившись в замороженную бесплодную планету.После того, как космический корабль MAVEN окажется на орбите Марса, анализатор ионов солнечного ветра (SWIA), который был разработан и построен в Лаборатории космических наук (SSL) Калифорнийского университета в Беркли, большую часть своего времени будет проводить измерения ионов в солнечной энергии. ветер.
Постоянно высвобождаемый из атмосферы Солнца, солнечный ветер движется к Марсу со скоростью около миллиона миль в час, неся с собой магнитное поле, возникающее внутри Солнца. Он состоит из заряженных частиц, которые взаимодействуют с частицами нейтрального газа в верхних слоях атмосферы Марса, что дает им возможность избежать гравитационного притяжения Марса.
Ученые считают, что взаимодействие между ионами солнечного ветра и атмосферными частицами Марса является ключевым фактором, позволяющим частицам улетать, процесс, который постепенно лишает планету ее атмосферы, и это происходило в течение миллиардов лет.Руководитель инструмента SWIA Джаспер Халекас из SSL сказал, что ученые могут применить измерения SWIA ионов солнечного ветра к измерениям газов, выходящих из атмосферы, которые делают другие инструменты миссии, установив связи между ними, которые будут рисовать картину эволюции атмосферы.
«Объединив измерения SWIA с измерениями выходящих газов, мы можем параметризовать потери атмосферных газов с Марса в зависимости от условий солнечного ветра», — сказал Халекас. «В конечном счете, мы хотим знать, куда ушла атмосфера, особенно вода, как она ушла и как Марс выглядел на протяжении всей своей истории».SWIA будет конкретно измерять скорость и плотность солнечного ветра, два критических фактора, которые определяют, как его ионы взаимодействуют с атмосферными частицами планеты. Халекас сказал, что хотя сам солнечный ветер не заполнен ионами, его высокая скорость гарантирует, что огромное количество ионов поражает марсианскую атмосферу и взаимодействует с атмосферными частицами каждую секунду.
Заместитель главного исследователя MAVEN Джанет Луман, также из SSL, сказала, что, измеряя плотность и скорость солнечного ветра, SWIA может помочь определить, способствуют ли порывы более плотного и быстрого солнечного ветра более значительным потерям в атмосфере. Эта информация будет использоваться для оценки потерь в прошлом, когда порывы солнечного ветра могли быть преобладающими из-за более раннего и более активного солнца.
Попадая в атмосферу планеты, ионы солнечного ветра играют несколько критических ролей, помогая частицам покинуть атмосферу Марса. Солнечный ветер состоит как из электронов, которые представляют собой очень маленькие отрицательно заряженные частицы, так и из ионов, которые представляют собой более крупные положительно заряженные частицы, такие как ионизированный водород и гелий.Халекас сказал, что и ионы, и электроны могут запустить процесс вылета частиц, преобразовывая нейтральные частицы атмосферы в заряженные ионы. Это может происходить посредством процессов, называемых перезарядкой и ударной ионизацией.
Ультрафиолетовый солнечный свет также превращает многие атмосферные частицы в ионы. Как только атмосферные частицы становятся заряженными, они могут взаимодействовать с магнитным полем солнечного ветра, ускоряться и уноситься от планеты; ионы, которые были удалены таким образом, называются захватывающими ионами. Этап ионизации имеет решающее значение, поскольку исходные нейтральные частицы не реагируют на магнитное поле солнечного ветра и, как правило, имеют слишком мало энергии, чтобы покинуть их.
Халекас сказал, что, хотя электроны солнечного ветра способствуют улету частиц, отрывая электроны от некоторых нейтральных атмосферных частиц, именно ионы солнечного ветра играют более важную роль, давая частицам достаточно энергии для вылета.Ионизированные газы в солнечном ветре — известные как плазма — могут взаимодействовать с магнитным полем ветра, образуя электрическое поле и ускоряя вновь заряженные частицы в атмосфере с достаточной энергией для их выхода. Хотя и электроны, и ионы образуют эту плазму, Халекас сказал, что ионы в некотором смысле более важны благодаря своей большей массе.
Хотя ионы солнечного ветра движутся с той же скоростью, что и электроны, они имеют большую массу, чем электроны. Это дает им больший импульс, который создается за счет массы и скорости объекта.
Следовательно, ионы солнечного ветра способны передавать больше необходимого количества движения самим вновь образованным атмосферным ионам, обеспечивая им больше энергии для выхода.«Сами электроны, вероятно, не так много помогают при побеге», — сказал Халекас. «Они могут ионизировать некоторые атмосферные газы за счет ионизации электронным ударом, но они не смогут убежать за счет передачи импульса, как ионы».
Поскольку ионы солнечного ветра играют ключевую роль во взаимодействии с другими компонентами солнечного ветра, такими как электроны и магнитное поле, Халекас сказал, что SWIA дополняет некоторые другие инструменты MAVEN.Чтобы определить, как ионы солнечного ветра взаимодействуют с магнитными полями в околоземной среде, чтобы помочь частицам, SWIA будет работать с магнитометром MAVEN. Вместе с магнитным полем солнечного ветра ионы взаимодействуют с верхними слоями атмосферы Марса, образуя сеть заряженных частиц и силовых линий магнитного поля вокруг Марса, называемую магнитосферой.«Если бы не было ионов солнечного ветра или магнитного поля, атмосфера Марса была бы просто большим шаром частично ионизированного газа, находящимся в космосе», — сказал Халекас. «Это входящие ионы солнечного ветра и магнитное поле, которые сжимают и деформируют ионизированный газ в каплевидную структуру, которую мы называем магнитосферой, через которую должны пройти любые убегающие частицы, чтобы покинуть систему».
В отличие от Земли, Марс не имеет глобального магнитного поля. Вместо этого он имеет множество локализованных магнитных полей, которые могут нарушить структуру магнитосферы.
Но Халекас сказал, что общая форма все еще в целом была похожа на магнитосферу Земли.Поскольку заряженные частицы реагируют на магнитные силы, вновь заряженные атмосферные частицы могут следовать по траекториям, которые зависят от магнитных полей солнечного ветра.
Кроме того, эти линии магнитного поля могут соединяться с собственными магнитными полями планеты, генерируемыми в ее коре, обеспечивая различные маршруты для частиц, перемещающихся либо к Марсу, либо от него.Халекас сказал, что SWIA, пожалуй, наиболее дополняет инструмент для измерения надтеплового и термического ионного состава (STATIC), который будет измерять ионы планеты, в том числе и убегающие, в то время как SWIA фокусируется на ионах солнечного ветра. SWIA также будет тесно сотрудничать с анализатором электронов солнечного ветра (SWEA), который будет измерять электроны в солнечном ветре и их влияние на вылет частиц.
«В конечном итоге все инструменты MAVEN дополняют друг друга», — сказал Халекас. «Полезная нагрузка была очень тщательно разработана для совместной работы».Хотя SWIA будет работать непрерывно на протяжении всей миссии, Халекас сказал, что наиболее полезные измерения будут проводиться с высот более 190 миль (305 км) над поверхностью планеты, за пределами основной массы атмосферы.
Благодаря полю обзора, которое покрывает около 70 процентов неба и сосредоточено на Солнце, SWIA сможет измерить полное распределение ионов солнечного ветра.Поскольку SWIA предоставит ключевое представление о том, как ведет себя солнечный ветер, ученый MAVEN Роберт Лиллис из SSL сказал, что инструмент будет иметь решающее значение для понимания того, почему Марс не имеет плотной атмосферы, необходимой для поддержания таких жизненно важных свойств, как жидкая вода на его поверхности. и было ли это когда-нибудь.«История обитаемости и потери атмосферы на Марсе связаны, и чтобы расшифровать эту историю, нам нужно понять, как скорость потери газа с Марса сегодня зависит от свойств солнечного ветра, бьющего в верхние слои атмосферы», — сказала Лиллис. «SWIA будет одной из наших пар глаз на борту MAVEN, постоянно отслеживая поток заряженных частиц от Солнца, который помогал формировать модели атмосферного ухода с Марса на протяжении миллиардов лет».С момента своей разработки, Халекас сказал, что SWIA прошла множество испытаний и калибровок, чтобы убедиться, что она правильно работает в космосе.
Халекас отвечает за эти калибровки, и сказал, что всегда есть неожиданные вещи, которые возникают при первом включении прибора в космосе.«Независимо от того, сколько тестов мы проводим заранее, а мы делаем ошеломляющее количество, всегда есть вещи, которые мы просто не можем спланировать или смоделировать в лаборатории», — сказал Халекас. «Я ожидаю, что первые несколько недель после того, как SWIA будет запущена в полет, и поэтому первые несколько недель после прибытия на Марс будут особенно захватывающими и сложными, поскольку мы узнаем, как лучше всего управлять прибором в марсианской среде».Халекас сказал, что независимо от того, с какими неожиданными проблемами может столкнуться команда SWIA, он уверен, что инструмент будет работать хорошо, и с нетерпением ждет возможности увидеть инструмент в действии, поскольку он помогает раскрыть тайны Красной планеты.«Каждый этап миссии был и будет оставаться опытом обучения и новым захватывающим вызовом», — сказал Халекас. «Я буду наращивать усилия, чтобы поддержать ученых команды в их исследованиях всех наших наблюдений, с целью ответить на все вопросы общей картины MAVEN и многое другое».
Главный исследователь MAVEN работает в Лаборатории атмосферной и космической физики Университета Колорадо в Боулдере. Университет предоставил научные инструменты и руководит научными операциями, а также образовательными и общественными мероприятиями для миссии.