Когда американский искусственный спутник MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN), запуск которого запланирован на конец ноября, достигнет Красной планеты дабы выяснить, почему Марс теряет свою атмосферу и как это сказывается на изменении климата, один из установленных на борту зонда приборов будет анализировать отрицательно заражённые элементарные частицы – электроны, которые являются структурной единицей вещества.
«Анализатор ионов солнечного ветра» — SWEA (Solar Wind Electron Analyzer) – является одним из восьми научных приборов MAVEN. Он попытается разгадать тайну «истощения» атмосферы Марса – процесса, который превратил планету в холодную, мертвую пустыню.
Прибор является результатом сотрудничества Space Sciences Laboratory (SSL), функционирующей при University of California и Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) во Франции. Перед SWEA стоит задача проанализировать электроны, содержащиеся в двух различных областях окружения Марса: в проходящем мимо планеты потоке солнечного ветра и в ионосфере Марса.
По словам David L. Mitchell из SSL, SWEA будет использовать информацию об электронах, дабы выяснить, как другие заряженные частицы, такие как планетарные ионы кислорода, «спасаются» в атмосфере планеты. Солнечный ветер, который непрерывно сдувает с Солнца тонны вещества, и несущийся со скоростью несколько млн. км/час по Солнечной системе, заполнен зараженными частицами и линиями магнитных полей, которые могут взаимодействовать с частицами в верхних слоях атмосферы Марса, «заставляя» их покинуть окрестности планеты.
Используя электрические поля для направления электронов на датчики, SWEA сможет разграничить электроны, найденные в солнечном ветре, от тех, которые содержаться в марсианской ионосфере, идентифицируя различия их энергий. По словам Mitchell, электроны солнечного ветра характеризуются более широким диапазоном энергии, нежели электроны атмосферы Марса.
Mitchell также отмечает, что прибор измерит планетарную плазму и плазму солнечного ветра, что чрезвычайно важно для интерпретации прочих измерений. Идентифицировав, где именно заканчивается плазма солнечного ветра и начинается планетарная плазма, SWEA сможет сосредоточится на верхней части ионосферы планеты.
Mitchell объясняет, что учёные попытаются как можно подробнее изучить пограничный слой между солнечным ветром и ионосферой Марса, поскольку это — основная область, где происходит потеря материала. Нейтральные частицы в атмосфере Марса могут стать ионизированными или электрически заряженными тремя различными способами. Одним из таких способов является поглощение нейтральными молекулами солнечного ультрафиолетового излучения. Когда его энергия передается молекуле, электрон может быть «изгнан», оставив позади себя положительно заряженный ион. Этот процесс известен как фотоионизация. Молекула также может распадаться на фрагменты.
Ионизация может также произойти, когда быстро движущиеся электроны – или электроны солнечного ветра, или недавно высвобожденные электроны от процесса фотоионизации – сталкиваются с нейтральными молекулами. Эти столкновения могут передать достаточно энергии, чтобы извлечь электрон из молекулы.
Наконец, ионизация может произойти, когда быстро движущийся ион солнечного ветра врезается в нейтральную частицу в атмосфере, захватывая один из электронов в процессе, так называемой перезарядки. «Приобретение» электрона заставляет ион солнечного ветра стать нейтральным, после чего он ускоряется прочь, оставив позади себя исходную атмосферную частицу.
Как только нейтральные атомы атмосферы или молекулы теряют электрон и становятся заряженными посредством одного из вышеперечисленных процессов, магнитное поле в солнечном ветре может поднять их и унести. Дабы это было возможным ионы сначала должны достичь значительной высоты, где они бы не могли сталкиваться с другими атмосферными молекулами. По словам Mitchell, некоторые ионы образуются на большой высоте, в то время как другие могут быть ионизированы на более низких высотах и там получить энергию, необходимую для того, чтобы достичь необходимой высоты.
Mitchell отмечает, что одна из целей MAVEN заключается в том, чтобы понять, как именно ионы получают энергию, необходимую для достижения большой высоты. Используя магнитометр MAG, SWEA сможет отличить электроны, идущие в одном направлении вдоль магнитного поля, от тех, которые путешествуют в противоположном направлении.
В дополнение к потребности в энергии, ионы должны перемещаться вдоль силовых линий магнитного поля, чтобы покинуть атмосферу. На электрически заряженные частицы могут воздействовать магнитные силы, заставляющие их следовать в нужном направлении. Измеряя энергии электронов, движущихся в противоположных направлениях, SWEA сможет определить, проходит ли линия магнитного поля через ионосферу, соединяясь с солнечным ветром, или же формирует петлю.
