Ионосферный ответ Марса во время солнечной супермощной бури мая 2024 года

Когда далёкая солнечная буря встряхнула марсианские небеса

В мае 2024 года колоссальная буря на Солнце не только вызвала редкие сияния в небе Земли, но и обрушилась на Марс. В этом исследовании показано, как выброс солнечной энергии драматически перестроил электрически заряженную верхнюю атмосферу — ионосферу — вокруг Красной планеты. Записав событие почти в реальном времени с помощью орбитальных аппаратов, учёные зафиксировали самое сильное усиление, когда-либо наблюдавшееся в одном из ключевых слоёв марсианской ионосферы, что открыло новые детали о том, как солнечные бури влияют на планеты без глобального защитного магнитного поля.

Прослушивание через марсианский воздух

Чтобы проследить реакцию ионосферы Марса, исследователи использовали метод взаимной радиооккультации: один космический аппарат посылает стабильный радиотон через атмосферу планеты другому аппарату. Когда сигнал касается лимба Марса, он изгибается и замедляется в зависимости от того, через сколько заряженных частиц проходит. Тщательно измеряя эти крошечные изменения, учёные могут восстановить вертикальный профиль электронной плотности — по сути зондирование ионосферы от примерно 80 километров до нескольких сотен километров. С 2020 года миссии Mars Express и ExoMars Trace Gas Orbiter выполняют такие измерения примерно раз в неделю, постепенно выстраивая базовую картину поведения марсианской ионосферы в разные сезоны и при разных условиях солнечной активности.

Прибытие супермощной бури

В начале мая 2024 года Солнце выпустило серию интенсивных выбросов: мощные вспышки, потоки быстрых частиц и крупное облако плазмы, известное как корональное выброс массы. Эти события вызвали самое сильное геомагнитное возмущение на Земле за десятилетия и, спустя короткое время, нарушили космическую среду у Марса. 15 мая, всего через десять минут после того как излучение X-класса вспышки достигло Марса, два европейских космических аппарата провели запланированную радиооккультацию над южным регионом Сизифи Плэна. Это удачное стечение обстоятельств предоставило снимок ионосферы Марса как раз в момент пика излучения бури, позволив команде сравнить этот «буревой профиль» с десятками более ранних, спокойных наблюдений, выполненных при сходных условиях освещённости.

Рекордное усиление в скрытом слое

Наиболее заметное изменение проявилось в нижнем из двух основных ионосферных слоёв Марса, называемом M1, расположенном на высотах около 90–110 километров. Во время бури пиковая электронная плотность этого слоя увеличилась примерно в 2,8 раза от нормы — самое большое усиление, когда-либо зарегистрированное — а также поднялась примерно на 6,5 километра вверх. Верхний слой M2, примерно на высоте 150 километров, вырос только примерно на 45 процентов и сместился вверх в сопоставимой степени. Измерения мягких рентгеновских лучей с борта орбитера NASA MAVEN показали, что поступающая рентгеновская энергия увеличилась примерно в три раза, что значительно меньше, чем предсказывали старые теории для объяснения столь большой реакции M1. Это несоответствие указывает на то, что ранние модели недооценивали эффективность высокоэнергетического излучения Солнца в запуске «вторичных» ионизаций, когда энергичные электроны инициируют каскады дополнительных столкновений и ионизаций в разреженном марсианском воздухе.

Нагрев, верхнеатмосферные рябьевые структуры и то, что не изменилось

Помимо усиленного слоя M1, буря оставила и другие следы. Пики M1 и M2 сместились вверх, что указывает на нагрев и расширение нейтральной атмосферы ниже — вероятно, отложенный эффект коронального выброса массы и связанных с ним возмущений частиц, которые воздействовали на Марс более суток. Небольшое, но заметное усиление появилось примерно на высоте 245 километров, что авторы связывают либо с неустойчивостями при обтекании верхней атмосферы планеты солнечным ветром, либо с потоками ионов, вытекающими вдоль искажённых магнитных силовых линий. В то же время некоторые характеристики остались удивительно стабильными: верхняя часть слоя M2 не подверглась сильному сжатию, нижняя нейтральная атмосфера ниже примерно 100 километров не продемонстрировала существенных структурных изменений, а общее расстояние между пиками M1 и M2 едва сместилось.

Почему это важно для будущих миссий на Марс

Для широкого читателя ключевой вывод такой: верхняя атмосфера Марса гораздо более чувствительна к солнечным бурям, чем считалось ранее, особенно её нижний ионосферный слой. Всплеск солнечных рентгеновских лучей может быстро усилить эту область не только прямой ионизацией, но и через цепочки вторичных столкновений, а также нагреть и «раздуть» окружающий воздух. Понимание этих эффектов критично для планирования будущих роботизированных и пилотируемых миссий: радиосвязь, навигационные сигналы и даже атмосферное торможение аппаратов могут изменяться во время таких бурь. Это исследование показывает, что при регулярном высокоточного мониторинге мы можем фиксировать эти редкие события в действии и уточнять модели того, как Солнце формирует окружения скалистых планет — сегодня Марс, а возможно и другие миры в будущем.

Цитирование: 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

Ключевые слова: ионосфера Марса, солнечная буря, солнечная вспышка, космическая погода, радиооккультация