Reakcja jonosfery Marsa podczas majowej superburzy słonecznej 2024

Kiedy odległa burza słoneczna zatrzęsła niebem Marsa

W maju 2024 r. olbrzymia burza na Słońcu nie tylko stworzyła rzadkie zorze na Ziemi, lecz także uderzyła w Marsa. Badanie to pokazuje, jak wyrzut energii słonecznej dramatycznie przekształcił elektrycznie naładowaną górną atmosferę — jonosferę — wokół Czerwonej Planety. Dzięki obserwacji zdarzenia niemal w czasie rzeczywistym za pomocą krążących sond naukowcy zarejestrowali najsilniejszy wzrost w jednej z kluczowych warstw jonosferycznych Marsa, ujawniając nowe szczegóły dotyczące tego, jak burze słoneczne mogą wpływać na planety pozbawione globalnego pola magnetycznego.

Słuchając przez marsjańskie powietrze

Aby obserwować reakcję jonosfery Marsa, badacze wykorzystali technikę zwaną wzajemnym zacienieniem radiowym, w której jedna sonda nadaje stały ton radiowy przez atmosferę planety do drugiej sondy. Gdy sygnał ociera się o krawędź dysku Marsa, ulega załamaniu i spowolnieniu w zależności od liczby naładowanych cząstek, przez które przechodzi. Dokładnie mierząc te drobne zmiany, naukowcy mogą odtworzyć pionowy profil gęstości elektronów — w zasadzie sondowanie jonosfery od około 80 kilometrów do kilku setek kilometrów. Od 2020 r. misje Mars Express i ExoMars Trace Gas Orbiter wykonują takie pomiary mniej więcej raz w tygodniu, stopniowo budując bazowy obraz zachowania jonosfery Marsa w różnych porach roku i warunkach słonecznych.

Nadejście superburzy

Na początku maja 2024 r. Słońce wyzwoliło serię intensywnych erupcji: silnych błysków, wyrzutów wysokoenergetycznych cząstek oraz dużą chmurę plazmy znaną jako koronalne wyrzuty masy. Zjawiska te wywołały najsilniejszą burzę geomagnetyczną na Ziemi od dekad i, krótko potem, zakłóciły środowisko kosmiczne wokół Marsa. 15 maja, zaledwie dziesięć minut po dotarciu promieniowania z błysku klasy X do Marsa, dwie europejskie sondy przeprowadziły zaplanowane zacienienie radiowe nad południowym rejonem Sisyphi Planum. To szczęśliwe zgranie dało migawkę jonosfery Marsa dokładnie w momencie szczytu promieniowania burzy, co pozwoliło zespołowi porównać ten „profil burzowy” z dziesiątkami wcześniejszych, spokojniejszych obserwacji wykonanych w podobnych warunkach oświetlenia.

Pobudzenie rekordowej wielkości w ukrytej warstwie

Najbardziej uderzająca zmiana wystąpiła w niższej z dwóch głównych warstw jonosferycznych Marsa, zwanej M1, znajdującej się na wysokości około 90–110 kilometrów. Podczas burzy szczytowa gęstość elektronów w tej warstwie wzrosła do około 2,8 razy wartości normalnej — najwięcej zarejestrowane kiedykolwiek — jednocześnie przesuwając się w górę o około 6,5 kilometra. Górna warstwa M2, około 150 kilometrów, wzrosła jedynie o około 45 procent i także przesunęła się w górę w podobnym stopniu. Pomiary miękkiego promieniowania rentgenowskiego z sondy NASA MAVEN wykazały, że napływ energii rentgenowskiej zwiększył się mniej więcej trzykrotnie, co jest znacznie mniej niż przewidywały starsze teorie potrzebne do wywołania tak silnej reakcji M1. Ta rozbieżność sugeruje, że wcześniejsze modele zaniżały efektywność, z jaką wysokoenergetyczne światło słoneczne może wywoływać „wtórne” jonizacje, gdzie energetyczne elektrony uruchamiają kaskady dodatkowych zderzeń i jonizacji w rzadkim marsjańskim powietrzu.

Podgrzanie, fale na dużych wysokościach i to, co się nie zmieniło

Poza wzmocnioną warstwą M1 burza pozostawiła inne ślady. Zarówno szczyty M1, jak i M2 zostały przesunięte w górę, co sugeruje ogrzewanie i rozszerzanie się neutralnej atmosfery poniżej — prawdopodobnie opóźniony efekt koronalnego wyrzutu masy i towarzyszących zaburzeń cząstek, które poruszały Marsem przez ponad dobę. Mniejszy, ale wyraźny wzrost zaobserwowano w okolicach 245 kilometrów wysokości, co autorzy wiążą z niestabilnościami powstającymi, gdy wiatr słoneczny ociera się o górną atmosferę Marsa, lub ze strumieniami jonów płynącymi na zewnątrz wzdłuż zniekształconych linii pola magnetycznego. Jednocześnie pewne elementy pozostały zaskakująco stabilne: górna część warstwy M2 nie została mocno skompresowana, dolna neutralna atmosfera poniżej około 100 kilometrów nie wykazała istotnych zmian strukturalnych, a ogólna odległość między szczytami M1 i M2 zmieniła się nieznacznie.

Dlaczego to ma znaczenie dla przyszłych misji na Marsa

Dla czytelnika nie-specjalisty kluczowy wniosek jest taki, że górna atmosfera Marsa jest znacznie bardziej wrażliwa na burze słoneczne niż wcześniej sądzono, zwłaszcza w niższej warstwie jonosfery. Wybuch promieniowania rentgenowskiego ze Słońca może szybko wzmocnić ten obszar nie tylko przez bezpośrednią jonizację, lecz także poprzez łańcuchy wtórnych zderzeń, a także ogrzać i rozdąć otaczające powietrze. Zrozumienie tych efektów jest istotne dla planowania przyszłych misji robotycznych i załogowych: komunikacja radiowa, sygnały nawigacyjne, a nawet opór aerodynamiczny działający na statki kosmiczne mogą się zmieniać podczas takich burz. Badanie pokazuje, że dzięki regularnemu, precyzyjnemu monitorowaniu możemy uchwycić te rzadkie zdarzenia w akcji i udoskonalić modele opisujące, jak Słońce kształtuje środowiska skalistych planet — dziś Marsa, a być może jutro także innych światów.

Cytowanie: Parrott, J., Sánchez-Cano, B., Svedhem, H. et al. Martian ionospheric response during the may 2024 solar superstorm. Nat Commun 17, 2017 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69468-z

Słowa kluczowe: jonosfera Marsa, burza słoneczna, błysk słoneczny, pogoda kosmiczna, zacienienie radiowe