La aurora de protones en parches en Marte se forma cuando las condiciones turbulentas alrededor del planeta permiten que las partículas cargadas de hidrógeno del Sol fluyan hacia la atmósfera marciana. Las imágenes del 5 de agosto muestran las condiciones atmosféricas típicas, en las que el instrumento EMM EMUS no detecta actividad inusual en dos longitudes de onda asociadas con el átomo de hidrógeno. Pero el 11 y el 30 de agosto, el instrumento observó auroras irregulares en ambas longitudes de onda, lo que indica interacciones turbulentas con el viento solar. Crédito:EMM/EMUS
La misión MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution) de la NASA y la Emirates Mars Mission (EMM) de los Emiratos Árabes Unidos han publicado observaciones conjuntas de eventos dinámicos de auroras de protones en Marte. Las observaciones remotas de auroras realizadas por EMM junto con las observaciones de plasma in situ realizadas por MAVEN abren nuevas vías para comprender la atmósfera marciana. Esta colaboración fue posible gracias al reciente intercambio de datos entre las dos misiones y destaca el valor de las observaciones multipunto en el espacio. Un estudio de estos hallazgos aparece en la revista Geophysical Research Letters .
En el nuevo estudio, EMM descubrió estructuras a escala fina en la aurora de protones que se extendía por todo el lado diurno de Marte. Las auroras de protones, descubiertas por MAVEN en 2018, son un tipo de aurora marciana que se forma cuando el viento solar, formado por partículas cargadas del Sol, interactúa con la atmósfera superior. Las observaciones típicas de auroras de protones realizadas por MAVEN y la misión Mars Express de la ESA (la Agencia Espacial Europea) muestran que estas auroras aparecen uniformes y distribuidas uniformemente en todo el hemisferio. Por el contrario, EMM observó una aurora de protones que parecía muy dinámica y variable. Estas "auroras de protones irregulares" se forman cuando las condiciones turbulentas alrededor de Marte permiten que las partículas cargadas fluyan directamente a la atmósfera y brillen a medida que disminuyen la velocidad.
"Las observaciones de EMM sugirieron que la aurora estaba tan extendida y desorganizada que el entorno de plasma alrededor de Marte debe haber sido realmente perturbado, hasta el punto de que el viento solar estaba impactando directamente en la atmósfera superior dondequiera que observáramos la emisión de la aurora", dijo Mike Chaffin, un MAVEN. y científico de EMM con sede en el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial de la Universidad de Colorado Boulder y autor principal del estudio.
"Al combinar las observaciones de auroras EMM con las mediciones MAVEN del entorno de plasma auroral, podemos confirmar esta hipótesis y determinar que lo que estábamos viendo era esencialmente un mapa de dónde el viento solar caía sobre el planeta".
Normalmente, es difícil que el viento solar llegue a la atmósfera superior de Marte porque es redirigido por el arco de choque y los campos magnéticos que rodean al planeta. Las observaciones irregulares de la aurora de protones son, por lo tanto, una ventana a circunstancias raras, durante las cuales la interacción entre el viento solar y Marte es caótica. "Se desconoce el impacto total de estas condiciones en la atmósfera marciana, pero las observaciones de EMM y MAVEN jugarán un papel clave en la comprensión de estos eventos enigmáticos", dijo Chaffin.
La imagen superior muestra el mecanismo normal de formación de auroras de protones descubierto por primera vez en 2018. Las líneas blancas muestran que los protones del viento solar que se alejan del Sol normalmente son barridos alrededor del planeta por la magnetosfera de Marte y no interactúan directamente con la atmósfera. Cuando se produce una aurora de protones, una pequeña fracción del viento solar choca con el hidrógeno de Marte en la corona extendida del planeta (que se muestra en azul), y la carga se intercambia en átomos de H neutros. Estos átomos de H recién creados siguen viajando a la misma velocidad y ya no son sensibles a las fuerzas magnetosféricas que redirigen los protones alrededor del planeta. Instead, the energetic H atoms slam directly into the upper atmosphere of Mars and collide multiple times with the neutral atmosphere, resulting in auroral emission by the incident H atoms (purple). Because the solar wind and Mars corona are uniform across the planet, the aurora occurs everywhere on the planet's day side with a uniform brightness. Bottom image shows the newly discovered formation mechanism for patchy proton aurora. Green lines in the top image show that under normal conditions the solar wind magnetic field drapes nicely around the planet. By contrast, patchy proton aurora form during unusual circumstances when the solar wind magnetic field is aligned with the proton flow. Under such conditions the typical draped magnetic field configuration is replaced by a highly variable patchwork of plasma structures, and the solar wind is able to directly impact the planet's upper atmosphere in specific locations that depend on the structure of the turbulence. When incoming solar wind protons collide with the neutral atmosphere, they can be neutralized and emit aurora in localized patches. During such times patchy proton aurora forms a map of the locations where solar wind plasma is directly impacting the planet. Credit:Emirates Mars Mission/UAE Space Agency
The data-sharing between MAVEN and EMM has enabled scientists to determine the drivers behind the patchy proton aurora. EMM carries the Emirates Mars Ultraviolet Spectrograph (EMUS) instrument, which observes the Red Planet's upper atmosphere and exosphere, scanning for variability in atmospheric composition and atmospheric escape to space. MAVEN carries a full suite of plasma instruments, including the Magnetometer (MAG), the Solar Wind Ion Analyzer (SWIA), and the SupraThermal And Thermal Ion Composition (STATIC) instrument used in this study.
"EMM's global observations of the upper atmosphere provide a unique perspective on a region critical to MAVEN science," said MAVEN Principal Investigator Shannon Curry, of UC Berkeley's Space Sciences Laboratory. "These types of simultaneous observations probe the fundamental physics of atmospheric dynamics and evolution and highlight the benefits of international scientific collaboration."
EMM Science Lead Hessa Al Matroushi agreed. "Access to MAVEN data has been essential for placing these new EMM observations into a wider context," she said. "Together, we're pushing the boundaries of our existing knowledge not only of Mars, but of planetary interactions with the solar wind."
Multi-vantage-point measurements have already proven to be an asset in Earth and heliophysics research. At Mars, over half a dozen orbiters are now taking science observations and with Mars' southern hemisphere currently experiencing summer, when proton aurora is known to be most active, multi-vantage-point observations will be critical to understanding how these events form. The collaboration between EMM and MAVEN demonstrates the value of discovery-level science about the Martian atmosphere with two spacecraft simultaneously observing the same region. Physicists explain how type of aurora on Mars is formed
