Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu
 
Na saite
Astrometriya
Astronomicheskie instrumenty
Astronomicheskoe obrazovanie
Astrofizika
Istoriya astronomii
Kosmonavtika, issledovanie kosmosa
Lyubitel'skaya astronomiya
Planety i Solnechnaya sistema
Solnce

Magnitosfery planet

1. Vvedenie
2. Magnitosfera Zemli
3. Sravnitel'naya harakteristika i osobennosti planetnyh magnitosfer

1. Vvedenie

M. p. predstavlyayut soboi kaverny (polosti), formiruyushiesya v sverhzvukovom potoke goryachei zamagnichennoi plazmy solnechnogo vetra (SV) blagodarya ego vzaimodeistviyu s magn. polem planet. Tol'ko v samom grubom priblizhenii mozhno schitat', chto magn. pole planety polnost'yu vytesnyaet plazmu SV iz takoi kaverny. Na samom dele kak mezhplanetnaya, tak i ionosfernaya plazma nahodyat svoi puti proniknoveniya v magnitosferu (M). Pomimo etogo, v magnitnyh lovushkah, obrazuemyh magn. polem planet, mogut uderzhivat'sya chasticy, uskorennye do ochen' bol'shih energii. Vzaimodeistvie razlichnyh potokov plazmy mezhdu soboi i ih dvizhenie poperek magn. polya privodyat k generacii elektrich. polei i tokov, shirokogo spektra plazmennyh kolebanii, el.-magn. izlucheniya i k uskoreniyu chastic. Chast' el.-magn. izlucheniya v radiodiapazone mozhet vyhodit' iz M, delaya planetu svoeobraznym radioistochnikom dlya vnesh. nablyudatelya. M chutko reagiruet na izmenenie parametrov vnesh. plazmennogo potoka - SV - i redko nahoditsya v sostoyanii pokoya. Ona sposobna nakaplivat' energiyu i zatem vysvobozhdat' ee vzryvnym obrazom.

Blagodarya poletam avtomatich. KA k planetam M razlichnogo vida obnaruzheny u shesti planet, orbity k-ryh raspolozheny v predelah ot 0,3 a. e. (Merkurii) do 10 a. e. (Saturn). Na etom rasstoyanii parametry SV menyayutsya na nesk. poryadkov. Takzhe na nesk. poryadkov otlichayutsya magnitnye polya na poverhnosti etih planet. Tem ne menee M. p. sohranyayut mnogo obshih chert.

Schitaya M Zemli svoeobraznym etalonom, k-ryi ispol'zuetsya dlya sravnitel'nogo opisaniya M dr. planet, my rassmotrim ee otdel'no.

2. Magnitosfera Zemli

Obshaya struktura.
Iz-za ideal'noi provodimosti plazmy SV magn. silovye linii zemnogo dipolya no mogut proniknut' v natekayushii SV (sm. Magnitogidrodinamika) i obrazuyut v pervom priblizhenii pustuyu magn. polost' okolo Zemli, nazyvaemuyu M. V etom zhe priblizhenii forma M (ris. 1) opredelyaetsya balansom dinamich. davleniya SV i davleniya magn. polya Zemli. Tak, v podsolnechnoi tochke (tochka na pryamoi, soedinyayushei centr Zemli s Solncem) granicy M - magnitopauzy - balans davlenii opredelyaetsya vyrazheniem:
$2nm_p v^2={1\over {8\pi}}\left( {2M_Z'\over{D_Z^3}}\right)^2$ , (1)
gde M'Z - dipol'nyi magn. moment Zemli, DZ - rasstoyanie ot centra Zemli do podsolnechnoi tochki, nazyvaemoe inogda radiusom Chepmena-Ferraro, n, v - koncentraciya protonov i skorost' SV, mp - massa protona. Magn. pole na vnutr. storone granicy ravno udvoennoi velichine magn. polya Zemli blagodarya vkladu poverhnostnyh tokov v plazme SV, polnost'yu ekraniruyushih v nem eto pole. Dinamich. davlenie SV takzhe udvaivaetsya blagodarya ego ideal'nomu otrazheniyu ot granicy. Pri tipichnyh parametrah SV (tabl. 1) DZ=9-11 RZ ($R_Z\approx$6400 km - radius Zemli).

M predstavlyaet soboi tupoe prepyatstvie dlya sverhzvukovogo SV. i pered nei na rasstoyanii 13-17 RZ ot centra Zemli obrazuetsya otoshedshaya besstolknovitel'naya udarnaya volna (na ris. 1 pokazana blizhaishei k Solncu poverhnost'yu), otklonyayushaya potok solnechnoi plazmy, k-ryi zatem obtekaet M. Peredacha energii i impul'sa SV v M proishodit lish' blagodarya dissipatpvpym processam, a v otsutstvie poslednih plazma i polya vnutri M nahodyatsya i statich. ravnovesii.

Tabl. 1. Plazma v okrestnosti Zemli
Oblast' Koncentraciya chastic, sm-3 Temperatura ionov, eV Temperatura elektronov, eV Skorost' potoka, km/s Magnitnoe pole B, 10-5 Gs
Solnechnyi veter5-2010-2020-40350-10005-15
Plazmennaya mantiya0,1-5100-20026-40100-20020-30
Plazmennyi sloi0,1-1,0500-5000200-20000-100010-20
Kol'cevoi tok5-20104-105103-100-500
Plazmosfera102-1030,3-10,3-1-102-104
Ionosfera104-1060,1-0,20,1-0,2-$3\cdot 10^4-6-10^4$

Ris. 1. Prostranstvennoe raspredelenie plazmy,
magnitnyh polei i elektricheskih tokov v zemnoi
magnitosfere. Svetlymi shirokimi strelkami
pokazany toki na magnitopauze i v plazmennom
sloe, kol'cevoi i prodol'nye toki. Temnymi
strelkami pokazano napravlenie vrasheniya
plazmosfery sovmestno s Zemlei. Ukazano takzhe
napravlenie konvekcii v hvoste magnitosfery.
Oblast', otmechennaya tochkami, - plazma, sozdayushaya
kol'cevoi tok.
Nesmotrya na to, chto plotnost' energii mezhplanetnogo magn. polya (magn. pole, vmorozhennoe v plazmu SV) sostavlyaet vsego 1% ot plotnosti kinetich. energii SV na orbite Zemli, processy peresoedineniya mezhplanetnyh i zemnyh magn. silovyh linii v sushestvennoi mere opredelyayut strukturu i dinamiku M. Peresoedinenie dolzhno proishodit' v nebol'shoi oblasti na granice M, gde oblagodarya razvitiyu plazmennyh neustoichivostei vozrastaet soprotivlenie plazmy i narushaetsya vmorozhennost' magn. silovyh linii v plazmu. Eto pozvolyaet mezhplanetnym i zemnym magn. silovym liniyam "razorvat'sya" i "peresoedinit'sya" mezhdu soboi (sm., napr., ris. 2). Naibolee blagopriyatnoi dlya protekaniya etih processov yavl. situaciya, kogda mezhplanetnoe magn. pole (MMP) imeet znachit. yuzhnyi komponent, t.e. antiparallel'no zemnomu magn. polyu v podsolnechnoi tochke magnitopauzy (imenno etomu sluchayu sootvetstvuet ris. 2). SV uvlekaet peresoedinennye silovye linii magn. polya Zemli, k-rye zatem obrazuyut protyazhennyi magn. shleif - hvost magnitosfery. Pri etom chast' plazmy SV zatekaet v M, kak eto dolzhno byt' pri gidrodinamich. obtekanii tel, i formiruet plazmennuyu mantnyu(pogrannchnyi sloi) M. Diametr hvosta $\approx 30 R_Z$, a napryazhennost' magnitnogo polya v nem $\approx 3\cdot 10^{-4}$ E. Sledovatel'no, v blizhaishei k Zemle ($\le 30 R_Z$) chasti hvosta zapas energii ~ 1023 erg. V priblizhenii ideal'noi provodimosti SV mezhplanetnoe elektrich. pole E, sootvetstvuyushee dvizheniyu plazmy so skorost'yu i poperek magn. polya B, ravno E ~ vB/c. Nablyudeniya i teoriya peresoedineniya pokazyvayut, chto tol'ko nebol'shaya dolya $\eta\approx$0,1 silovyh linii MMP, padayushih na M, peresoedinyaetsya s zemnymi silovymi liniyami, blagodarya chemu vnutr' M "peredaetsya" elektrich. pole $E\sim\eta vB/c\approx$ 1 mV/m, sootvetstvuyushee raznosti potencialov mezhdu krainimi peresoednnennymi silovymi liniyami MMP. T.o., perepad potenciala elektrich. polya poperek hvosta M $\Delta\varphi_Z=ED_z\sim$ 10-100 kV. Energiyu, postupayushuyu v M iz SV na dnevnoi magnitopauze, mozhno ocenit' kak potok vektora Pointinga cherez ploshad' etoi granicy:
$P_Z\simeq(c/4\pi)EBD_Z^2\approx 3\cdot 10^{11}$ Vt
SV, vytyagivaya peresoedinivshiesya magnitnye silovye linii v hvost M, prodolzhaet sovershat' rabotu protiv sil natyazheniya magnitnyh silovyh linii.

Ris. 2. Konfiguraciya magnitnogo polya i konvekciya
plazmy v vertikal'nom sechenii (perpendikulyarno
ploskosti ekliptiki) magnitosfery Zemli. Napravleniya
techeniya solnechnogo vetra vne magnitosfery i
konvekcii (dreifa) vnutrimagnitosfernoi plazmy
vmeste s vmorozhennymi magnitnymi silovymi liniyami
pokazany strelkami.
Zatekayushaya v M plazma na rasstoyaniyah ot Zemli poryadka 100 RZ dostigaet ploskosti, razdelyayushei severnuyu i yuzhnuyu poloviny hvosta s protivopolozhnymi napravleniyami polya v nih. Pod deistviem szhatiya s obeih storon zdes' magn. silovye linii dvuh polovin hvosta peresoedinyayutsya. V oblasti peresoedineniya formiruetsya neitral'naya liniya, na k-roi magn. pole obrashaetsya v nol'. So storony Zemli peresoedinennye magn. silovye linii obrazuyut magn. lovushku (geomagnitnaya lovushka), v k-roi uderzhivayutsya chasticy plazmennogo sloya (oblast' v hvoste M, zanyataya plazmoi). Pod deistviem natyazheniya magn. silovyh linii proishodit konvekciya (dreif) etoi plazmy k Zemle. Magn. silovye linii, dreifuyushie vmeste s chasticami plazmennogo sloya, v konce koncov obtekayut Zemlyu s obeih storon i vozvrashayutsya k dnevnoi magnitopauze. V stacionarnyh usloviyah temp udaleniya peresoedinennogo magn. potoka s dnevnoi magnitopauzy v hvost M dolzhen ravnyat'sya tempu ego vozvrasheniya iz hvosta na dnevnuyu magnitopauzu. Inymi slovami, stacionarnaya konvekciya trebuet ravenstva tempov peresoedineniya na dnevnoi i nochnoi storonah M. Polnyi cikl konvekcii pri tipichnyh parametrah SV sostavlyaet 3-6 ch. Pri etom v M. inzhektiruetsya energiya ~ 1017-1018 erg/s, v osnovnom v forme goryachei plazmy. Eta energiya rashoduetsya na vysypanie chastic v oblast' polyarnyh siyanii, dzhoulev nagrev ionosfery i formirovanie kol'cevogo toka (sm. nizhe). Zametim, chto anomal'naya vyazkost' mezhdu mezhplanetnoi i magnitosfernoi plazmoi daet v srednem sravnimyi (s effektom peresoedineniya) vklad v stacionarnuyu konvekciyu zamknutyh magn. silovyh linii v M i svyazannuyu s nei inzhekciyu energii v M.

Rassmotrim bolee podrobno processy, proishodyashie vnutri M. Geomagnitnaya lovushka yavl. raznovidnost'yu t.n. lovushek s magn. zerkalami. Dvizhenie otdel'nyh chastic v lovushke slagaetsya v pervom priblizhenii iz vrasheniya (sm. Lorenca sila) vokrug magn. silovoi linii i dvizheniya vdol' magn. polya so skorost'yu v||. Sohranenie pervogo adiabaticheskogo invarianta - magn. momenta chasticy $\mu=mv_\perp^2/2B$ (m - massa chasticy, $v_\perp$ - perpendikulyarnyi magn. polyu komponent ee skorosti) obespechivaet uderzhanie bol'shinstva chastic blagodarya ih otrazheniyu ot magn. zerkal - oblastei usilennogo magn. polya. Pri etom chasticy s bol'shim otnosheniem parallel'nogo i perpendikulyarnogo komponentov skorosti $v_{||}/v_\perp$ (sootvetstvuyushaya oblast' v prostranstve skorostei naz. konusom poter') svobodno prohodyat cherez magn. zerkala v atmosferu. V sleduyushem priblizhenii pod deistviem vnesh. sily F chastica s zaryadom q medlenno (po sravneniyu s vrasheniem i kolebaniem mezhdu magn. zerkalami) dreifuet poperek magn. polya so skorost'yu $v_d=c[{\bf F B}]/qB^2$. V chastnosti, pod deistviem elektrich. polya (F=qE) v hvoste M chasticy dreifuyut no napravleniyu k Zemle. V processe takogo medlennogo elektrich. dreifa naryadu s pervym adiabatich. invariantom sohranyaetsya takzhe i vtoroi adiabaticheskii invariant $I_2=m{\bar v_{||}}L/\pi$ (${\bar v_{||}}$ - sr. skorost' chasticy vdol' magn. polya, L - dlina silovyh linii mezhdu tochkami otrazheniya), svyazannyi s kvaziperiodich. kolebaniyami chastic mezhdu magn. zerkalami. Netrudno zametit', chto pri dreife v storonu Zemli uvelichivaetsya napryazhennost' magn. polya i umen'shaetsya dlina zamknutyh silovyh linii. Vsledstvie sohraneniya adiabatich. invariantov $\mu$ i I2 pri etom uvelichivaetsya kinetich. energiya poperechnogo i prodol'nogo dvizhenii, tak chto energiya chastic plazmennogo sloya dostigaet znachenii poryadka 10 keV dlya ionov i 1 keV dlya elektronov. Iz-za deistviya centrobezhnoi sily ${\bf F}=mv_{||}^2{\bf R}_K/R_K^2$ (RK - radius krivizny magn. silovyh linii) i sily vytalkivaniya "diamagnitnyh" chastic, iz oblasti sil'nogo polya ${\bf F}=-\mu\nabla B$ ($\nabla B$ - gradient magn. polya) voznikayut centrobezhnyi i magn. dreify chastic, k-rye iz-za raznogo napravleniya dreifa elektronov i ionov sozdayut tok poperek hvosta M (ris. 1). Etot tok podderzhivaet protivopolozhnoe napravlenie magn. polya v obeih polovinah hvosta, a vne plazmennogo sloya zamykaetsya tokami po magnitopauze. Rabota magnitosfernogo elektrich. polya nad etim tokom polozhitel'na i idet na upomyanutyi nagrev plazmy v plazmennom sloe. Effektivnost' nagreva $\approx$10%, t.k. energiya chastic okazyvaetsya na poryadok nizhe maksimal'no vozmozhnoi energii $\Delta\varphi_Z\sim 10-10^2$ keV. Sleduet otmetit', chto v processe dreifa poperechnye sostavlyayushie skorosti chastic uvelichivayutsya bystree prodol'nyh i raspredelenie plazmy po skorostyam stanovitsya anizotropnym. Eto privodit k vozbuzhdeniyu kolebanii plazmy tipa svistyashih atmosferikov (svisty) ot grozovyh razryadov. Blagodarya rasseyaniyu chastic na etih kolebaniyah (sm. Plazmennaya turbulentnost') ih skorosti mogut popast' v "konus poter'". Imenno takim obrazom bol'shinstvo chastic plazmennogo sloya vysypaetsya v processe konvekcii plazmy v atmosferu Zemli. Poetomu plazmennyi sloi obryvaetsya na rasstoyanii $\approx 8 R_Z$, gde harakternoe vremya poter' chastic cherez magn. zerkala umen'shaetsya do harakternogo vremeni konvekcii. Chasticy, vysypayushiesya iz plazmennogo sloya v atmosferu, vyzyvayut tam diffuznoe polyarnoe siyanie. Nebol'shaya dolya chastic plazmennogo sloya mozhet uskorit'sya do energii 20-50 keV, sootvetstvuyushei polnomu perepadu potenciala elektrich. polya poperek hvosta M. Eti chasticy pronikayut glubzhe v dipol'noe magn. pole Zemli i mogut dlitel'noe vremya uderzhivat'sya v magn. lovushke. Centrobezhnyi i magn. dreify chastic s takoi bol'shoi energiei znachitel'no bol'she elektrich. dreifa v magnitosfernom elektrich. pole. Eti dreify v dipol'nom magn. pole napravleny po azimutu, tak chto posle inzhekcii iz hvosta M sgustok plazmy obhodit Zemlyu i obrazuet plazmennoe kol'co. Blagodarya tomu chto iony i elektrony, imeyushie raznyi znak zaryada, dreifuyut v protivopolozhnye storony, po plazme techet kol'cevoi elektrich. tok, vyzyvayushii ponizhenie (depressiyu) magn. polya na Zemle. Poskol'ku nalichie takogo toka davno bylo ustanovleno po nazemnym magnitogrammam, za etim komponentom plazmennogo naseleniya M zakrepilos' staroe nazvanie - kol'cevoi tok. Obnaruzhenie v dal'neishem s pomosh'yu izmerenii s borta ISZ oblasti ustoichivogo uderzhaniya eshe bolee energichnyh chastic v geomagn. lovushke privelo k poyavleniyu bolee obshego nazvaniya - zona zahvachennoi radiacii. Eto ponyatie vklyuchaet v sebya i kol'cevoi tok.

Ris. 3. Oblasti vtekaniya (vytekaniya)
elektricheskih tokov vdol' magnitnyh
silovyh linii v ionosferu (iz ionosfery),
po dannym, poluchennym s amerikanskogo
sputnika "TRIAD" (T. Iidzima i
T. Potemra, 1976 g.).
Vazhnym elementom elektrodinamich. struktury M yavl. t.n. prodol'nye toki, t.e. elektrich. toki vdol' magn. silovyh linii, obuslovlennye eds v hvoste M i zamykayushiesya cherez provodyashuyu ionosferu Zemli. Na ris. 3 pokazano raspredelenie prodol'nyh tokov, vtekayushih v polyarnuyu ionosferu (i vytekayushih iz nee), v uglovyh geomagn. koordinatah, poluchennoe po izmereniyam magn. polya prodol'nyh tokov v period, kogda M otnositel'no spokoina. Eto raspredelenie, za isklyucheniem nebol'shih oblastei okolo lokal'nyh poludnya i polunochi, yavl. antisimmetrichnym otnositel'no linii polden'-polnoch' i sostoit iz dvuh koncentrich. poyasov. V bolee blizkom k polyusu poyase, svyazannom s plazmennym sloem v hvoste M, toki vtekayut v ionosferu na vostochnoi (utrennei) storone i vytekayut iz nee na zapadnoi (vechernei) storone. Eto sootvetstvuet napravleniyu elektrich. polya v plazmennom sloe poperek M, t.e. iz ploskosti ris. 2. V poyase, k-ryi blizhe k ekvatoru, napravlenie tokov yavl. obratnym i sootvetstvuet zamykaniyu cherez ionosferu dreifovyh tokov, voznikayushih blagodarya diamagnitnomu i centrobezhnomu dreifam pri inzhekcii chastic v kol'cevoi tok so storony hvosta M i napravlennyh v inzhektiruemom sgustke plazmy s ego vostochnogo kraya na zapadnyi. Zona vtekaniya i vytekaniya prodol'nyh tokov pribl. sootvetstvuet ovalu polyarnyh siyanii v periody slabyh vozmushenii. Oval obrazuetsya blagodarya vysypaniyu chastic iz plazmennogo sloya, ohvatyvayushego Zemlyu s utrennei i vechernei storon v processe konvekcii, i proniknoveniyu chastic SV cherez dnevnye polyarnye kaspy. Kaspy predstavlyayut soboi sheli mezhdu zam