Насколько много мы на самом деле знаем о магнитном поле Земли? Да и вообще, как много мы знаем о любом магнитном поле, крупном или субатомном? В марте NASA запустит миссию Magnetospheric Multiscale (MMS), которую готовило в течение десяти лет, чтобы по возможности ответить на многие волнующие нас вопросы. В частности, миссия — которая включает четыре космических аппарата, которые соберутся в пирамиду — предоставит первую детальную трехмерную карту процесса, известного как магнитное пересоединение. Это явление мы в первую очередь видим на примере геомагнитных бурь, солнечных вспышек и даже северного сияния.

MMS по сути будет представлять измененную версию успешной миссии Cluster II, запущенной Европейским космическим агентством. Вместо того чтобы запускать четыре зонда попарно, устройства MMS будут запущены все вместе с ракетой Atlas V 421 в марте 2015 года. Как показано на изображении выше, эти аппараты доводят до предела размеры устройств, которые может запустить в космос подобная ракета. Кстати, робот ATHLETE, который тоже когда-нибудь будет запущен, использует похожую геометрию, вплоть до возможности укомплектовывать разные аппараты в ядре ракеты.

Как только спутники достигнут пункта назначения — высокой эллиптической земной орбиты — аппараты MMS отделятся, образуют пирамиду в пространстве, по одному аппарату на каждую грань, и развернут антенны. Самая длинная дистанция между суднами — 400 километров — будет использоваться для выявления событий пересоединения, в то время как зонды, не слишком удаленные друг от друга — на несколько километров — будут изучать конкретные процессы, которые стоят за пересоединением. Высокая эллиптическая орбита поспособствует оптимизации зондов таким образом, чтобы они могли проводить больше времени в местах, где проявляются эффекты магнитного пересоединения, а именно магнитопауза на дневной стороне и магнитохвост.

Магнитопауза — это место, где давление солнечного ветра и магнитного поля планеты уравновешивают друг друга; магнитохвост вытягивается в сторону от планеты, по мере того как солнечный ветер действует на магнитосферу. Магнитное пересоединение происходит в тонких слоях — всего несколько километров толщиной — где накапливаются магнитная и механическая энергии. Понимание пересоединения важно для наших попыток создать термоядерный реактор, поскольку это один из основных механизмов, который мешает магнитному конфайнменту синтезируемого материала.

Если говорить о том, как развивалось магнитное поле Земли (и продолжает развиваться), многие эксперты указывают на железное ядро планеты и что-то говорят об электрических токах и динамо. Но на деле же наша лучшая симуляция не объясняет многих деталей, которые наблюдаются экспериментально. Хотя температура ядра нашей планеты весьма высока (как на поверхности Солнца), мы почти уверены, что ядро — твердое, благодаря грандиозному давлению, которое на него оказывается. С другой стороны, все осложняется трудностью теоретического описания событий в ядре, связанных с магнитным полем, точечными зарядами и спинами отдельных электронов: описать магнитные явления оказывается очень сложно.

В упрощенном смысле понятное на вид магнитное поле можно свести к результату объединения электростатики со специальной теорией относительности. Основные элементы специальной теории относительности весьма важны и имеют фундаментальное значение для понимания того, как возникают магнитные силы. Мы не будем останавливаться на этом вопросе, только отметим, что сила слабого притяжения, которая возникает между двумя параллельными токами в двух проводах, к примеру, понимается как результат релятивистского сокращения пространства, которое связано с движением зарядов. Грубо говоря, магнитное поле — это математическая уловка, которую ученые используют для интерпретации разных точек влияния материнского электромагнитного поля.

Если идти дальше, вам может быть интересно, что, в отличие от большинства знакомых нам планет, наш ближайший сосед — Венера — не генерирует магнитное поле внутри. Однако есть свидетельства того, что в индуцированном магнитохвосте Венеры возникает эффект магнитного пересоединения. Именно над изучением этих феноменов и будет работать миссия MMS.