Nigdy wcześniej nie widzieliśmy, by Słońce tak mocno uderzyło w Marsa. Nowe pomiary pokazują, jak w kilka minut spuchła cała górna atmosfera.
Słońce zachowało się wobec Marsa dosłownie jak taran. Potężny rozbłysk i towarzysząca mu burza kosmiczna uderzyły w planetę tak mocno, iż górne warstwy jej atmosfery dosłownie spuchły. Nowe analizy sond orbitujących Marsa pokazują, iż jedna z warstw jonosfery urosła wtedy niemal trzykrotnie, a kosmiczna pogoda okazała się dużo bardziej brutalna, niż dotąd sądzono.
Kiedy Słońce przywaliło w Marsa
Opisywane wydarzenie to efekt słynnej majowej superburzy słonecznej z 2024 r. Tej samej, która na Ziemi dała zorze nad Hiszpanią, Włochami czy USA daleko od koła podbiegunowego. To nie był zwykły rozbłysk, ale cała seria silnych zjawisk: rozjaśnienia w promieniach X, wyrzuty koronalne i strumienie naładowanych cząstek pędzących niemal z prędkością światła.
Mars, krążący dalej od Słońca niż Ziemia i pozbawiony globalnego pola magnetycznego, przyjął ten cios praktycznie na klatę. Zamiast ochronnej magnetosfery ma tylko cienką jonosferę – warstwę rozrzedzonego, zjonizowanego gazu, która powstaje pod wpływem promieniowania słonecznego.
Właśnie ta jonosfera stała się idealnym sejsmografem dla kosmicznej burzy. Dane z dwóch europejskich sond – Mars Express i ExoMars Trace Gas Orbiter – złapały moment, w którym fala promieniowania dotarła do Czerwonej Planety. I to dosłownie kilka minut po uderzeniu.
Jonosfera Marsa spuchła jak balon
Kluczowy moment nastąpił dokładnie 15 maja 2024 r. O godzinie 08:37 czasu uniwersalnego jedna sonda nadawała sygnał radiowy, a druga chowała się za Marsem. To klasyczna technika nazywana radiookultacją: fale radiowe przechodzą przez atmosferę planety, delikatnie się załamują, a z ich zniekształceń można odtworzyć strukturę jonosfery.
Tym razem naukowcy mieli niewiarygodne szczęście. Obserwacja odbyła się zaledwie około 10 minut po tym, jak do Marsa dotarł impuls z potężnego rozbłysku klasy X3. Dane pokazały coś, czego wcześniej nie notowano. Dolna warstwa jonosfery, tzw. warstwa M1, była aż o 278 proc. gęstsza niż zwykle w podobnych warunkach.
Mówiąc mniej technicznie – liczba wolnych elektronów w tej części marsjańskiego nieba prawie się potroiła. Wyżej, w warstwie M2, efekt też był widoczny, ale zdecydowanie łagodniejszy, rzędu kilkudziesięciu proc. Do tego obie warstwy podniosły się o około 6,5 km, jakby cała górna atmosfera została podgrzana od góry i uniosła się niczym nagrzany balon.
Jonosfera odpowiada za to, jak fale radiowe rozchodzą się nad planetą, jak wygląda ucieczka atmosfery w przestrzeń kosmiczną i jak Mars reaguje na kolejne strzały ze strony Słońca. Tak duży skok gęstości oznacza, iż w ciągu kilkunastu minut środowisko nad planetą stało się zupełnie inne, niż jeszcze chwilę wcześniej.
Co się stało z promieniowaniem? Słońce utwardziło widmo
Skąd tak dramatyczna reakcja akurat w warstwie M1? Ta część jonosfery Marsa leży na wysokości około 90-110 km i powstaje głównie dzięki promieniowaniu rentgenowskiemu o stosunkowo wysokiej energii, czyli tzw. miękkim promieniom X. Foton o takiej energii trafia w cząsteczkę, wyrywa elektron i zostawia po sobie zjonizowany gaz.
W normalny dzień równowaga jest w miarę spokojna: Słońce świeci, atmosfera się jonizuje, a elektrony i jony w krótkim czasie znowu się łączą. Burza z maja 2024 r. wywróciła ten układ do góry nogami. Pomiar z sond MAVEN pokazał, iż strumień miękkich promieni X przy Marsie zwiększył się około trzykrotnie, ale jonosfera zareagowała dużo mocniej, prawie trzykrotnym wzrostem gęstości.
To sugeruje, iż nie chodzi tylko o ilość fotonów, ale także o ich jakość – widmo promieniowania stało się bardziej twarde. Im twardsze promieniowanie, tym energiczniejsze elektrony wtórne, które powstają po pierwszym zderzeniu fotonu z gazem. Można powiedzieć, iż te szybkie elektrony zachowują się jak miniaturowy grad: zanim się wyhamują, same jonizują kolejne cząsteczki, uruchamiając lawinę wtórnych jonizacji.
Nowa analiza wskazuje, iż ten efekt wtórnych jonizacji był dotąd bardzo niedoszacowany. Słońce nie tylko świeciło mocniej, ale i ostrzej, a każde zderzenie fotonu z atmosferą Marsa dawało więcej roboty po stronie elektronów. Właśnie dlatego warstwa M1 wystrzeliła tak bardzo, podczas gdy wyższa M2, reagująca głównie na promieniowanie ultrafioletowe, urosła znacznie mniej.
CME, cząstki, promienie X – pełen pakiet kosmicznej pogody
Rozbłysk, który zadziałał jak wyzwalacz, to tylko część całej historii. Na kilka dni przed radioobserwacją w stronę Marsa leciał już ogromny wyrzut masy słonecznej – CME, czyli chmura plazmy i zamrożonego w niej pola magnetycznego. Symulacje NASA pokazały, iż ta chmura zaczęła ocierać się o planetę mniej więcej dobę przed kluczową obserwacją, stale podnosząc poziom kosmicznego hałasu wokół Marsa.
Do tego dochodzą strumienie szybkich protonów i innych cząstek, tzw. SEPs (solar energetic particles). Część z nich dociera na wysokości poniżej 100 km, gdzie przy odpowiednio dużej energii także może jonizować gaz. W tym konkretnym przypadku analiza sugeruje jednak, iż to promienie X były głównym aktorem – SEPs i CME raczej dogrzali tło i podnieśli całą atmosferę, niż napompowali samą warstwę M1.
Ciekawostką jest również dodatkowa półka elektronowa w okolicach 245 km wysokości, którą widać w danych. Badacze sugerują, iż może to być ślad fal i zawirowań na granicy między jonosferą Marsa a wiatrem słonecznym albo efekt głębiej wciskającego się pola magnetycznego w czasie burzy. To pokazuje, iż górne warstwy atmosfery tej planety są o wiele bardziej dynamiczne, niż wydawało się jeszcze dekadę temu.
Jak to mierzymy? Mars jako naturalne laboratorium
Do uzyskania tak precyzyjnego obrazu potrzebna była nietypowa konfiguracja dwóch sond, które na co dzień zajmują się czymś zupełnie innym. Mars Express, wysłana przez Europejską Agencję Kosmiczną, i Trace Gas Orbiter z programu ExoMars, zostały wykorzystane jako nadajnik i odbiornik w eksperymencie radiookultacyjnym.
Jedna sonda wysyła stabilny sygnał radiowy, druga odbiera go, kiedy ten przechodzi tuż przy brzegu planety. Atmosfera załamuje i spowalnia fale radiowe w sposób zależny od gęstości i składu gazu. Z niewielkich zmian częstotliwości i fazy można odtworzyć, jak zmienia się gęstość elektronów z wysokością.
Mutual radio occultation – bo tak nazywa się ta metoda w wersji sonda-sonda – ma ogromną przewagę nad klasyczną radiookultacją między sondą a Ziemią. Nie trzeba czekać, aż układ Słońce-Mars-Ziemia ułoży się w idealnej linii, a pomiary można powtarzać znacznie częściej. To właśnie wysoka częstotliwość obserwacji sprawiła, iż naukowcy mieli szansę złapać superburzę słoneczną praktycznie na gorącym uczynku.
Słońce dopiero się rozkręca
Opisany w pracy rekordowy przypływ w jonosferze Marsa to prawdopodobnie dopiero przedsmak tego, co czeka nas w maksimum obecnego cyklu aktywności słonecznej. Słońce wchodzi w najbardziej burzliwą fazę swojego 11-letniego rytmu, a już teraz możemy obserwować wyjątkowo silne rozbłyski i wyrzuty masy.
Każdy taki epizod to jednocześnie zagrożenie i szansa. Zagrożenie, bo może zakłócać działanie satelitów, sieci energetycznych i przyszłych misji na Marsa. Szansa, bo pozwala naukowcom testować modele w warunkach ekstremalnych. Tamta superburza pokazała, iż Mars nie jest tylko statystą w tym spektaklu. choćby pozornie cienka, rozrzedzona atmosfera potrafi odpowiedzieć na cios Słońca w sposób niezwykle spektakularny.
