Российские ученые научились моделировать электрические явления в атмосфере Марса
Коллектив ученых из МФТИ и Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) разработал комплексную методику для регистрации и расшифровки электромагнитных сигналов, порождаемых мельчайшими электрическими разрядами в пылевых потоках, аналогичных марсианским песчаным бурям. Это поможет обеспечить безопасность будущих роботизированных и пилотируемых миссий на Марс, Луну и Венеру.
Глобальные пылевые бури — неотъемлемая часть климата Марса. В сухой, разреженной атмосфере Красной планеты, состоящей в основном из углекислого газа, сталкивающиеся частицы песка и пыли активно обмениваются зарядами в результате трибоэлектрического эффекта — возникновения электрического заряда при трении. Накопление статического электричества приводит к возникновению микроскопических разрядов — искр, невидимых глазу, но излучающих электромагнитные волны. Эти разряды представляют собой потенциальную угрозу для чувствительной электроники космических аппаратов и могут влиять на химию атмосферы. Длительное время ученые лишь предполагали существование этого явления, но не имели инструментов для его изучения и интерпретации.
Целью российских ученых было научиться по характеру радиосигнала определять свойства частиц, вызвавших разряд, и условия, в которых он произошел. Для этого они применили уникальный трехуровневый подход, объединив эксперименты в контролируемых условиях с наблюдениями в реальной среде. На первом этапе в лаборатории была создана «миниатюрная песчаная буря в банке». Исследователи сконструировали специальную камеру, в которой с помощью компрессора создавался вихревой поток воздуха, поднимающий частицы песка. Внутри камеры сверхчувствительная спиральная антенна улавливала радиоимпульсы от микроразрядов.
Проведя серию экспериментов с силикатным песком, отсортированным по размеру частиц, команда обнаружила первую ключевую закономерность. Оказалось, что разные фракции пыли дают разные сигналы: мелкие частицы (менее 40 микрометров) генерируют более частые, но сложные, многокомпонентные сигналы, тогда как более крупные песчинки порождают редкие, но мощные и четкие одиночные импульсы.
Следующим шагом стало воссоздание марсианских условий. Исследователи поместили пылевую камеру в вакуумную установку и заполнили ее углекислым газом при низком давлении, имитирующем атмосферу Красной планеты. В качестве «пыли» использовали как природные земные пески, так и синтетические аналоги марсианского грунта с высоким содержанием оксидов железа. Эксперименты подтвердили: состав пыли также влияет на разряд — изолирующие силикаты способствуют накоплению большого заряда и генерируют интенсивные всплески, в то время как более проводящие базальтовые частицы, характерные для Марса, быстрее рассеивают заряд, что приводит к более слабым, но постоянным электромагнитным сигналам.
Для проверки и калибровки лабораторных данных потребовался третий этап — экспедиция в Калмыцкую степь, которая по климату и ландшафту может служить земным аналогом поверхности Марса. Электромагнитный анализатор с антенной был установлен на мачте для регистрации естественных радиосигналов, порождаемых электризацией пыли в приземном слое атмосферы. Одновременно фиксировались: скорость ветра, влажность, температуру и уровень солнечной радиации. Результаты полностью подтвердили выводы, сделанные в лаборатории. Анализ показал четкую корреляцию: число и интенсивность электромагнетических всплесков резко возрастали в середине дня, когда влажность воздуха падала до минимума (ниже 20 %), а температура и солнечное излучение достигали пика.
«Нам удалось на практике подтвердить гипотезу, что частицы марсианской пыли производят электрический разряд, который при столкновении генерирует электромагнитные излучения, причем разные в зависимости от заряда и других условий. Около 30 лет этот вид излучения был известен только в теории. Надеюсь, когда-нибудь мы сможем изучить электромагнитные явления, связанные с динамикой пылевых частиц в атмосфере Марса, непосредственно на этой планете», — рассказал один из авторов исследования, сотрудник кафедры космической физики МФТИ, кандидат физико-математических наук Абделаал Мохамад Эссам Сайед.
Впервые создана сквозная методика, в которой один и тот же прибор используется для изучения искусственно созданных разрядов в лаборатории и их естественных аналогов в поле, что позволяет напрямую сопоставлять результаты и строить надежные физические модели, необходимые для проектирования защиты космических аппаратов и скафандров нового поколения.