Магнітний відгук на гравітаційні хвилі: нові дані з Антарктики

Українські вчені з Інституту космічних досліджень Національної академії наук України та Державного космічного агентства України опублікували результати новаторського дослідження, яке розкриває електромагнітний відгук атмосфери на поширення гравітаційних хвиль. Робота, проведена Аллою Федоренко, Євгеном Крючковим, Анною Войцеховською та Ігорем Жуком, базується на даних, зібраних на станції «Академік Вернадський» в Антарктиці протягом січня-березня 2024 року. Аналіз трьох компонентів геомагнітного поля показав зв’язок між атмосферними процесами та магнітними коливаннями, що може змінити уявлення про взаємодію нейтральної атмосфери з іоносферою.

Дослідження зосередилося на хвильових флуктуаціях магнітного поля в діапазоні періодів від 5 до 60 хвилин, що відповідає середньомасштабним атмосферним гравітаційним хвилям (АГХ). Ці хвилі виникають у нейтральній атмосфері під впливом сонячного випромінювання, вітру та інших факторів, а їхнє поширення в іоносфері, зокрема в Е-області на висотах 90–130 км, викликає електромагнітні ефекти. Вчені проаналізували 500 хвильових подій, зафіксованих трикомпонентним флюкс-гейтовим магнітометром LEMI-025 з роздільною здатністю 0,1 нТ. Амплітуди коливань варіювалися від одного нанотесли до кількох десятків, а в умовах геомагнітних бур у березні досягали піків у 17–22 нТ.

Особливу увагу привернули два домінуючі діапазони періодів: 5–12 хвилин, близькі до періоду Брента-Вяйсяля, та 25–30 хвилин. Перший діапазон, імовірно, пов’язаний із хвилями, що генеруються авроральними джерелами в Е-області, де різкий температурний градієнт сприяє їх горизонтальному поширенню. Другий вказує на вільно поширювані АГХ, що надходять знизу — від тропосферних чи літосферних джерел. Ця знахідка відкриває експериментальну можливість розрізняти впливи «знизу» та «згори», що раніше залишалося теоретичною гіпотезою. Наприклад, станція «Академік Вернадський», розташована на 65°16’ пд. ш. та 64°15’ зх. д., перебуває в зоні активної метеорологічної та авроральної діяльності, що робить її ідеальним майданчиком для таких спостережень.

Щоденні закономірності також виявилися показовими. У спокійних геомагнітних умовах флуктуації в меридіональній (Bx) та вертикальній (Bz) компонентах переважали вранці та ввечері за універсальним часом (UT), тоді як у зональній (By) — вдень (10–14 UT) та ввечері. Під час бур 3 та 24 березня амплітуди різко зростали пропорційно індексу Kp, що досягав 63 та 83 відповідно. Це свідчить про вплив модуляції полярних струмів, які посилюються в періоди геомагнітної активності. Водночас у тихі дні коливання могли бути зумовлені генерацією динамо-струмів, коли нейтральні частинки захоплюють іони, викликаючи електричні поля.

Для аналізу застосовували метод ковзного середнього та вейвлет-спектрограми, що дозволило виділити хвильові пакети тривалістю понад два періоди. Наприклад, 27 січня ввечері зафіксовано синфазні коливання Bx та By з антифазним Bz, а спектральний аналіз показав пік на 10–12 хвилинах. У середньому горизонтальні компоненти мали амплітуди в 2–3 рази більші за вертикальну, а кут нахилу вектора збурення до горизонтальної площини становив близько 17,3°. Такі характеристики вказують на переважно горизонтальну природу збурень, що узгоджується з теоретичними моделями.

Дослідники припускають, що магнітний відгук виникає через два механізми: модуляцію фонових струмів та генерацію динамо-струмів. Перший домінує в умовах бур, коли полярні струми посилюються, другий — у спокійні періоди, коли ключову роль відіграють азимути поширення АГХ. Щоб визначити їхній відносний внесок, команда планує розширити аналіз на весь 2024 рік, зосередившись на сезонних змінах та впливі сонячного світла.

Ця робота, опублікована в Ukrainian Antarctic Journal, підкреслює унікальність розташування станції поблизу аврорального овалу та її значення для вивчення космічної погоди. Отримані дані можуть покращити моделі взаємодії атмосфери й іоносфери, а також допомогти в прогнозуванні геомагнітних явищ, що впливають на технології та клімат.

Результати команди Федоренко відкривають нові горизонти в дослідженні атмосферних гравітаційних хвиль, демонструючи їхній вплив на магнітне поле в полярних регіонах. Подальші спостереження обіцяють уточнити механізми цього явища та його роль у глобальних атмосферних процесах.