|
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:
, (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 (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 veter | 5-20 | 10-20 | 20-40 | 350-1000 | 5-15 |
Plazmennaya mantiya | 0,1-5 | 100-200 | 26-40 | 100-200 | 20-30 |
Plazmennyi sloi | 0,1-1,0 | 500-5000 | 200-2000 | 0-1000 | 10-20 |
Kol'cevoi tok | 5-20 | 104-105 | 103 | - | 100-500 |
Plazmosfera | 102-103 | 0,3-1 | 0,3-1 | - | 102-104 |
Ionosfera | 104-106 | 0,1-0,2 | 0,1-0,2 | - |
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. |
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. |
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 (m - massa chasticy, - 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 (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 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 ( - 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 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 (RK - radius krivizny magn. silovyh linii) i sily vytalkivaniya "diamagnitnyh" chastic, iz oblasti sil'nogo polya ( - 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 10%, t.k. energiya chastic okazyvaetsya na poryadok nizhe maksimal'no vozmozhnoi energii 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 , 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.