Fläckig proton norrsken på Mars bildas när turbulenta förhållanden runt planeten tillåter laddade vätepartiklar från solen att strömma in i Mars atmosfär. Bilder från den 5 augusti visar de typiska atmosfäriska förhållandena, där EMM-instrumentet EMUS upptäcker ingen ovanlig aktivitet vid två våglängder associerade med väteatomen. Men den 11 augusti och 30 augusti observerade instrumentet fläckvis norrsken vid båda våglängderna, vilket indikerar turbulent interaktion med solvinden. Kredit:EMM/EMUS
NASA:s MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) uppdrag och Förenade Arabemiratens Emirates Mars Mission (EMM) har släppt gemensamma observationer av dynamiska protonnorrande händelser på Mars. Fjärrstyrda norrskensobservationer av EMM parat med in-situ plasmaobservationer gjorda av MAVEN öppnar nya vägar för att förstå Mars atmosfär. Det här samarbetet möjliggjordes genom att nyligen delat data mellan de två uppdragen och belyser värdet av flerpunktsobservationer i rymden. En studie av dessa fynd visas i tidskriften Geophysical Research Letters .
I den nya studien upptäckte EMM finskaliga strukturer i protonaurora som sträckte sig över hela dagssidan av Mars. Proton aurora, upptäckt av MAVEN 2018, är en typ av Mars norrsken som bildas när solvinden, som består av laddade partiklar från solen, interagerar med den övre atmosfären. Typiska protonnorrande observationer gjorda av MAVEN och ESA:s (Europeiska rymdorganisationen) Mars Express-uppdrag visar att dessa norrsken verkar jämna och jämnt fördelade över halvklotet. Däremot observerade EMM proton aurora som verkade mycket dynamisk och variabel. Dessa "fläckiga proton norrsken" bildas när turbulenta förhållanden runt Mars tillåter de laddade partiklarna att svämma in direkt i atmosfären och glöda när de saktar ner.
"EMM:s observationer antydde att norrskenet var så utbrett och oorganiserat att plasmamiljön runt Mars verkligen måste ha varit störd, till den grad att solvinden direkt påverkade den övre atmosfären varhelst vi observerade norrskensutsläpp", säger Mike Chaffin, en MAVEN och EMM-forskare baserad vid Laboratory for Atmospheric and Space Physics vid University of Colorado Boulder och huvudförfattare till studien.
"Genom att kombinera EMM norrskensobservationer med MAVEN-mätningar av norrskenets plasmamiljö, kan vi bekräfta denna hypotes och fastställa att det vi såg var i huvudsak en karta över var solvinden regnade ner på planeten."
Normalt är det svårt för solvinden att nå Mars övre atmosfär eftersom den omdirigeras av bågchocken och magnetfält som omger planeten. Observationerna av fläckvis proton norrsken är därför ett fönster till sällsynta omständigheter – sådana under vilka interaktionen mellan Mars och solvinden är kaotisk. "Den fullständiga inverkan av dessa förhållanden på Mars atmosfär är okänd, men observationer från EMM och MAVEN kommer att spela en nyckelroll för att förstå dessa gåtfulla händelser", säger Chaffin.
Den översta bilden visar den normala mekanismen för bildande av proton norrsken som först upptäcktes 2018. Vita linjer visar att solvindsprotoner som färdas bort från solen normalt svepas runt planeten av Mars magnetosfär och inte direkt interagerar med atmosfären. När protonaurora uppstår kolliderar en liten del av solvinden med Mars väte i planetens utsträckta korona (visas i blått) och laddningsutbyten till neutrala H-atomer. Dessa nyskapade H-atomer färdas fortfarande med samma hastighet och är inte längre känsliga för magnetosfäriska krafter som omdirigerar protoner runt planeten. Istället slår de energiska H-atomerna direkt in i den övre atmosfären på Mars och kolliderar flera gånger med den neutrala atmosfären, vilket resulterar i norrskensutsläpp från de infallande H-atomerna (lila). Eftersom solvinden och Mars korona är enhetliga över planeten, förekommer norrsken överallt på planetens dagsida med en enhetlig ljusstyrka. Den nedre bilden visar den nyupptäckta bildningsmekanismen för fläckvis proton norrsken. Gröna linjer i den översta bilden visar att under normala förhållanden draperar solvindens magnetfält fint runt planeten. Däremot bildas fläckvis proton norrsken under ovanliga omständigheter när solvindens magnetfält är i linje med protonflödet. Under sådana förhållanden ersätts den typiska draperade magnetfältskonfigurationen av ett mycket variabelt lapptäcke av plasmastrukturer, och solvinden kan direkt påverka planetens övre atmosfär på specifika platser som beror på strukturen av turbulensen. När inkommande solvindsprotoner kolliderar med den neutrala atmosfären kan de neutraliseras och avge norrsken i lokala fläckar. Under sådana tider bildar fläckvis proton aurora en karta över de platser där solvindsplasma direkt påverkar planeten. Kredit:Emirates Mars Mission/UAE Space Agency
Datadelningen mellan MAVEN och EMM har gjort det möjligt för forskare att fastställa drivkrafterna bakom det ojämna protonnorrandet. EMM bär instrumentet Emirates Mars Ultraviolet Spectrograph (EMUS), som observerar den röda planetens övre atmosfär och exosfär och söker efter variationer i atmosfärens sammansättning och atmosfärisk flykt till rymden. MAVEN har en hel serie plasmainstrument, inklusive Magnetometer (MAG), Solar Wind Ion Analyzer (SWIA) och instrumentet SupraThermal And Thermal Ion Composition (STATIC) som används i denna studie.
"EMM:s globala observationer av den övre atmosfären ger ett unikt perspektiv på en region som är avgörande för MAVEN-vetenskapen", säger MAVENs huvudutredare Shannon Curry, vid UC Berkeleys Space Sciences Laboratory. "Dessa typer av samtidiga observationer undersöker den grundläggande fysiken för atmosfärisk dynamik och evolution och lyfter fram fördelarna med internationellt vetenskapligt samarbete."
EMM Science Lead Hessa Al Matroushi höll med. "Tillgång till MAVEN-data har varit avgörande för att placera dessa nya EMM-observationer i ett vidare sammanhang", sa hon. "Tillsammans tänjer vi på gränserna för vår befintliga kunskap, inte bara om Mars, utan om planetariska interaktioner med solvinden."
Mätningar med flera fördelar har redan visat sig vara en tillgång inom jord- och heliofysikforskning. På Mars tar nu över ett halvdussin orbiters vetenskapsobservationer och med Mars södra halvklot som för närvarande upplever sommar, när proton norrsken är känt för att vara mest aktiva, kommer observationer med flera utsiktspunkter att vara avgörande för att förstå hur dessa händelser bildas. Samarbetet mellan EMM och MAVEN visar värdet av vetenskap på upptäcktsnivå om Mars atmosfär med två rymdfarkoster som samtidigt observerar samma region. + Utforska vidare
