Обнаружение электромагнитного излучения при динамике пылевых заряженных частиц в модельных условиях атмосферы Земли и Марса
Широкополосное электромагнитное излучение, возникающее при столкновениях заряженных пылевых частиц, изучили сотрудники отдела физики планет ИКИ РАН совместно с МФТИ и ИФА РАН в наблюдениях в условиях земной степи и в лабораторных экспериментах, имитирующих марсианскую атмосферу. Полученные ими впервые результаты были подтверждены при наблюдениях марсоходом Perseverance (NASA) на поверхности Марса.
Электризация пылевых частиц — важнейший фактор динамики планетных атмосфер и экзосфер небесных тел. В условиях Земли, Марса, а также безатмосферной Луны и астероидов, окружённых газово-пылевой оболочкой, пылевые частицы электризуются при трении друг о друга. В условиях пылевой активности при столкновениях таких заряженных частиц возникают микроразряды, которые влияют на химические реакции в атмосфере, могут влиять на работу приборов и создавать риски для космических миссий.
Несмотря на существование теоретических моделей и косвенных данных наблюдений, механизмы генерации неравновесного электромагнитного излучения при столкновениях заряженных частиц (эффекты трибоэлектричества) до настоящего времени остаются малоизученными.
Этой задачей заинтересовалась группа исследователей отдела физики планет ИКИ РАН (также сотрудники МФТИ), предпринявших комплексное изучение проблемы. Они использовали и лабораторное моделирование, и натурные эксперименты, а также разработали единую диагностическую методику изучения этого феномена, которую можно использовать в будущих марсианских миссиях.
Для измерений был использован анализатор электромагнитных излучений, изначально разработанный для прибора «Пылевой комплекс» проекта «ЭкзоМарс-2022» и адаптированный специально для натурных и лабораторных экспериментов.
В ходе лабораторных экспериментов в ИКИ в специальной установке моделировались процессы зарядки частиц во время «песчаной бури». Для исследования использовались частицы разного размера и состава, в том числе — имитаторы марсианского грунта. Затем эту установка помещали в камеру. где моделировалась разреженная атмосфера Марса, состоящая из углекислоты CO2.
Возникающие при трении пылевых частиц разряды и электромагнитные сигналы низких и средних частот регистрировались с помощью анализатора. Сигналы различались по амплитуде и частоте, таким образом отражая особенности взаимодействия частиц.
Вторая часть работы — полевые измерения, которые проводились в степных районах Калмыкии в августе 2024 и 2025 гг. в составе экспедиции Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН.
В этих экспериментах фактически, впервые было экспериментально показано, что при взаимодействии заряженных пылевых частиц атмосферы в земных и модельных марсианских условиях возникают микроразряды, генерирующие широкополосные электромагнитные сигналы. Их спектральные и временные характеристики зависят от размера и состава частиц. А вероятность возникновения разрядов зависит от влажности, скорости ветра и состава пыли. В частности, как показали эксперименты в Калмыкии, чем ниже влажность и выше уровень солнечной радиации, тем выше вероятность разрядов, даже при небольшом ветре.
Уже после проведения экспериментов ИКИ в ноябре 2025 г. в журнале Nature (647, 865) была опубликована статья с результатами наблюдений на марсоходе Perseverance (NASA). Микрофон камеры SuperCam зарегистрировал электромагнитные и акустические сигналы, сопровождающие пылевые явления в атмосфере Марса, что подтверждают результаты лабораторного моделирования сотрудников ИКИ.
Подобные эксперименты не только помогают понять фундаментальные процессы в пылевых атмосферах, но и разработать методы мониторинга пылевой электрической активности для обеспечения безопасности космических аппаратов.
Работа «Обнаружение электромагнитного излучения при динамике пылевых заряженных частиц в модельных условиях атмосферы Земли и Марса» была включена в число наиболее значимых работ, выполненных в ИКИ РАН в 2025 г. и представленных в Отделение физических наук РАН. Работа выполнена по программе подготовки диссертации на соискание учёной степени канд. физ.-мат. наук аспирантом МФТИ Мохамадом Эссам Сайеда Абделаалом с участием сотрудников отдела физики планет ИКИ РАН, а также сотрудников ИФА РАН под руководством доктора физ.-мат. наук Захарова Александра Валентиновича, ИКИ РАН; тема госзадания «Планета» № 1220425000172. Направление ПФНИ 1.3.1.1.
Дополнительная информация
- Abdelaal, M. E., I. V. Dokuchaev, I. A. Kuznetsov, I. A. Shashkova, A. N. Lyash, A. E. Dubov, Y. A. Obod, A. A. Kartasheva, G. G. Dolnikov, and A. V. Zakharov. Electromagnetic noise in the near-surface Martian atmosphere: Research methods. Solar System Research 59, no. 6 (2025): 71.
- Abdelaal, M.E., Dokuchaev, I.V., Malinovskaya, E.A., Izvekova, Y.N., Lyash, A.N., Kuznetsov, I.A., Shashkova, I.A., Dubov, A.E., Kartasheva, A.A., Dolnikov, G.G. and Zakharov, A.V., 2025. Generation of electromagnetic radiation caused by the dynamics of charged dust particles in a simulated terrestrial environment. AIP Advances, 15(9)
- Mohamad E. Abdelaal, Maxim A. Zaitsev, Egor M. Sorokin, Inna. A. Shashkova, Anna S. Kuzovchikova, Elena I. Seran, Alexander V. Zakharov. 2025 Electromagnetic phenomena associated with dust particle dynamics in a simulated Martian atmosphere: an experimental study. Advances in Space Research (2025)
- Abdelaal, M., Malinovskaya, E., Chkhetiani, O., Kuznetsov, I., Kartasheva, A., Maksimenkov, L., Dokuchaev, I., Lyash, A., Dubov, A., Obod, Y. and Shashkova, I., 2025. Electromagnetic phenomena in planetary atmospheres: Insights from electrization and discharge of dust aerosol in arid environments. Theoretical and Applied Climatology, 156(11), p.565
- Abdelaal, M.E. and Zakharov, A.V., 2025. Electromagnetic Phenomena Induced by Charged Dust Particles Dynamics in Planetary Atmospheres: Laboratory Simulations and Field Observations. Solar System Research, 59(7), p.85.