Водородная экзосфера Земли: первые изображения Carruthers Geocorona Observatory и кинетическое моделирование

Водородная экзосфера Земли (геокорона) наблюдается по рассеянному солнечному излучению в линии Лайман-альфа и остается единственным индикатором распределения атомарного водорода на расстояниях от сотен километров до сотни радиусов Земли. В сентябре 2025 г. запущена Carruthers Geocorona Observatory (NASA), первая миссия, специально предназначенная для непрерывной съемки геокороны. Аппарат находится на гало-орбите у точки L1 на расстоянии 1.3–1.7 млн км от Земли и несет два соосных изображающих фотометра с полями зрения 3.7 и 18 градусов, покрывающих расстояния от экзобазы до примерно 40 радиусов Земли.

В докладе представлена кинетическая модель распределения атомов водорода в экзосфере (Baliukin et al., 2019), в рамках которой решается кинетическое уравнение с максвелловским граничным условием на экзобазе с учетом гравитации Земли, солнечного радиационного давления и ионизации. Ранее модель применялась к анализу данных SWAN/SOHO и показала, что геокорона наблюдается на расстояниях до 100 радиусов Земли, а радиационное давление формирует уплотнение на дневной стороне и геохвост. Функция распределения атомов водорода по скоростям рассчитывается методом Монте-Карло.

Выполнено первое сравнение модели с наблюдениями Carruthers за март 2026 г. (Waldrop, Clarke, 2026a, b, c), когда угол Солнце–Земля–аппарат варьировался от 25 до 8 градусов. Радиальный профиль концентрации, восстановленный командой миссии в предположении сферической симметрии, сопоставлен с модельным профилем. Были построены синтетические изображения геокороны в точной геометрии реальных кадров. Форма радиального профиля на расстояниях 5–25 радиусов Земли воспроизводится моделью с радиационным давлением, а без его учета наклон профиля не согласуется с наблюдениями. При концентрации на экзобазе, равной восстановленной по данным Carruthers, модельная концентрация на 5–25 радиусах Земли примерно в 1.7–2 раза ниже наблюдаемой, что указывает на дополнительную, вероятно нетепловую или спутниковую, популяцию атомов, как ранее предполагалось в результате анализа данных SWAN. Азимутальная зависимость интенсивности, обусловленная проекцией геохвоста, воспроизводится моделью: отношение интенсивности в направлении проекции геохвоста к интенсивности в противоположном направлении на 10–22 радиусах Земли совпадает с наблюдаемым с точностью около 10 процентов при всех углах наблюдения. На больших расстояниях сравнение ограничено точностью вычитания межпланетного фона, который там на порядок превышает сигнал геокороны.