Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Художественное воспроизведение магнитопаузы Земли. Магнитопауза - это место, где давление солнечного ветра и магнитного поля планеты равны. Положение Солнца на этом изображении будет далеко левее.

Магнитопауза является резкой границей между магнитосферой и окружающей плазмой . Для планетологии магнитопауза - это граница между магнитным полем планеты и солнечным ветром . Расположение магнитопаузы определяется балансом между давлением динамического магнитного поля планеты и динамическим давлением солнечного ветра. Когда давление солнечного ветра увеличивается и уменьшается, магнитопауза в ответ перемещается внутрь и наружу. Волны (рябь и колебательное движение) вдоль магнитопаузы движутся в направлении потока солнечного ветра в ответ на мелкомасштабные вариации давления солнечного ветра и нестабильность Кельвина – Гельмгольца .

Солнечный ветер является сверхзвуковым и проходит через головную ударную волну, где направление потока изменяется так, что большая часть плазмы солнечного ветра отклоняется в обе стороны от магнитопаузы, подобно тому, как вода отклоняется перед носом корабля. Зона ударной плазмы солнечного ветра - магнитослой . На Земле и на всех других планетах с собственными магнитными полями некоторая часть плазмы солнечного ветра успевает проникнуть в магнитосферу и оказаться в ней. На Земле плазма солнечного ветра, попадающая в магнитосферу, образует плазменный слой . Количество плазмы солнечного ветра и энергии, поступающей в магнитосферу, регулируется ориентацией межпланетного магнитного поля , которое заключено в солнечном ветре.

Солнце и другие звезды с магнитными полями и звездными ветрами имеют солнечную магнитопаузу или гелиопаузу, где звездная среда ограничена межзвездной средой.

Характеристики [ править ]

Схематическое изображение планетарного дипольного магнитного поля в вакууме (правая сторона), деформированного областью плазмы с бесконечной проводимостью. Солнце находится слева. Конфигурация эквивалентна изображению диполя (зеленая стрелка), размещенному на удвоенном расстоянии от планетарного диполя до границы взаимодействия. [1]

До эпохи освоения космоса межпланетное пространство считалось вакуумом. Совпадение супервспышки Кэррингтона и супергеомагнитного события 1859 года было свидетельством того, что плазма была выброшена с Солнца во время вспышки. Чепмен и Ферраро [2] [3] [4] [5]предположил, что плазма была испущена Солнцем в виде вспышки как части вспышки, которая нарушила магнитное поле планеты способом, известным как геомагнитная буря. Частота столкновений частиц в плазме межпланетной среды очень мала, а электропроводность настолько высока, что ее можно было бы приблизить к бесконечному проводнику. Магнитное поле в вакууме не может проникать в объем с бесконечной проводимостью. Чепмен и Бартельс (1940) [1]проиллюстрировал эту концепцию, постулировав пластину с бесконечной проводимостью, расположенную на дневной стороне диполя планеты, как показано на схеме. Линии поля на дневной стороне изогнуты. На низких широтах силовые линии магнитного поля сдвинуты внутрь. На высоких широтах силовые линии магнитного поля сдвигаются назад и над полярными регионами. Граница между областью, в которой доминирует магнитное поле планеты (т. Е. Магнитосфера), а плазма в межпланетной среде - магнитопауза. Конфигурация, эквивалентная плоской бесконечно проводящей пластине, достигается путем размещения диполя изображения (зеленая стрелка слева от схемы) на удвоенном расстоянии от диполя планеты до магнитопаузы вдоль линии планета-Солнце. Поскольку солнечный ветер непрерывно течет наружу, магнитопаузы вверху, внизу и по сторонам планеты уносятся назад в геомагнитный хвост, как показано в концепции художника. Область (показанная розовым на схеме), которая отделяет силовые линии от планеты, которые выталкиваются внутрь, от тех, которые выталкиваются назад через полюса, является областью слабого магнитного поля или дневным куспидом. Частицы солнечного ветра могут проникать в магнитосферу планеты через область каспа.Поскольку солнечный ветер существует всегда, а не только во время солнечных вспышек, магнитопауза - постоянная особенность космоса рядом с любой планетой с магнитным полем.

Силовые линии магнитного поля планеты не стационарны. Они непрерывно сливаются или сливаются с силовыми линиями межпланетного магнитного поля. Присоединенные силовые линии возвращаются через полюса в магнитный хвост планеты. В хвосте силовые линии магнитного поля планеты снова соединяются и начинают двигаться к ночной стороне планеты. Физика этого процесса впервые была объяснена Данжи (1961). [6]

Если предположить, что магнитопауза была просто границей между магнитным полем в вакууме и плазмой со слабым магнитным полем, встроенным в нее, то магнитопауза определялась бы электронами и ионами, проникающими на один гирорадиус в область магнитного поля. Поскольку гироскопическое движение электронов и ионов происходит в противоположных направлениях, электрический ток течет вдоль границы. Настоящая магнитопауза намного сложнее. [7]

Оценка расстояния до магнитопаузы [ править ]

Если пренебречь давлением частиц внутри магнитосферы, можно оценить расстояние до той части магнитосферы, которая обращена к Солнцу . Условие , регулирующее эта позицию в том , что динамическое давление набегающего от солнечного ветра равно магнитного давления от Земли «s магнитного поля :

[примечание 1]

где и являются плотность и скорость от солнечного ветра и Б ( г ) является напряженность магнитного поля планеты в СИ единицах ( B в T , ц 0 в Н / м ).

Поскольку напряженность дипольного магнитного поля изменяется с расстоянием, напряженность магнитного поля может быть записана как , где - магнитный момент планеты, выраженный в .

.

Решение этого уравнения относительно r приводит к оценке расстояния

Расстояние от Земли до подсолнечной магнитопаузе изменяется с течением времени за счет солнечной активности, но типичные расстояния в диапазоне от 6-15 R . Эмпирические модели [8] [9], использующие данные о солнечном ветре в реальном времени, могут предоставить в реальном времени оценку местоположения магнитопаузы. Перед магнитопаузой стоит головная ударная волна . Он служит для замедления и отклонения потока солнечного ветра до того, как он достигнет магнитопаузы. [10]

Магнитопаузы Солнечной системы [ править ]

Обзор магнитопаузы Солнечной системы [11]
ПланетаЧислоМагнитный момент [примечание 2]Расстояние магнитопаузы [примечание 3]Наблюдаемый размер магнитосферы [примечание 4]дисперсия магнитосферы [примечание 5]
Меркурий10,00041.51.40
Венера20000
земной шар3110102
Марс40000
Юпитер520000427525
Сатурн660019193
Уран75025180
Нептун8252424,51.5

Исследования магнитопаузы проводятся с использованием системы координат LMN (которая представляет собой набор осей типа XYZ). N указывает перпендикулярно магнитопаузе по направлению к магнитослою, L лежит вдоль проекции оси диполя на магнитопаузу (положительное направление на север), а M завершает триаду, указывая на рассвет.

Венера и Марс не имеют планетарного магнитного поля и магнитопаузы. Солнечный ветер взаимодействует с атмосферой планеты [12], и за планетой создается пустота. В случае Луны Земли и других тел без магнитного поля или атмосферы, поверхность тела взаимодействует с солнечным ветром, и за телом создается пустота.

См. Также [ править ]

  • Гелиопауза
  • Геопауза
  • Ударная волна
  • Солнечная система
  • Для приложений к движению космического корабля см магнитный парус
  • Список статей по физике плазмы

Примечания [ править ]

  1. ^ Причина коэффициента 4 заключается в том, что напряженность магнитного поля внутри магнитопаузы вдвое превышает дипольное значение для планарной магнитопаузы.
  2. ^ по сравнению с магнитным моментом Земли (7,906 x 10 31 гаусс м −3 )
  3. ^ типичное расстояние между магнитопаузой и магнитосферой в радиусах планеты
  4. ^ в радиусах планет
  5. ^ в радиусах планет магнитосфера изменяется в основном в зависимости от динамического давления солнечного ветра и ориентации межпланетного магнитного поля.

Ссылки [ править ]

  • Планетарные атмосферы .
  1. ^ а б Сидней Чепмен; Дж. Бартельс (1940). Геомагнетизм. II . Oxford Univ. Нажмите .
  2. ^ Чепмен, Сидней; VCA Ferraro (1931 г.). «Новая теория магнитных бурь». Земной магнетизм . 36 (2): 77–97. Bibcode : 1931TeMAE..36 ... 77C . DOI : 10.1029 / TE036i002p00077 .
  3. ^ Чепмен, Сидней; VCA Ferraro (1931 г.). «Новая теория магнитных бурь». Земной магнетизм . 36 (3): 171–186. Bibcode : 1931TeMAE..36..171C . DOI : 10.1029 / TE036i003p00171 .
  4. ^ Чепмен, Сидней; VCA Ferraro (1933). «Новая теория магнитных бурь, II. Главный этап». Земной магнетизм . 38 : 79. DOI : 10,1029 / TE038i002p00079 .
  5. ^ Чепмен, Сидней; VCA Ferraro (1940). «Теория первой фазы геомагнитной бури». Земной магнетизм . 45 (3): 245. Bibcode : 1940TeMAE..45..245C . DOI : 10.1029 / te045i003p00245 .
  6. ^ Dungey, JW (январь 1961). «Межпланетное магнитное поле и авроральные зоны» . Phys. Rev. Lett . 6 (2): 47–48. Полномочный код : 1961PhRvL ... 6 ... 47D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.6.47 . Проверено 12 июля 2011 года .
  7. ^ Физика магнитопаузы, под редакцией П. Сонга, BU Ö. Соннеруп, М. Ф. Томсен, American Geophys. Юнион, Вашингтон, округ Колумбия, Серия геофизических монографий, том 90, 1995 г. 447 страниц, ISBN 0-87590-047-X 
  8. ^ Roelof, E .; Сибек, Д. (1993). «Форма магнитопаузы как двумерная функция межпланетного магнитного поля Bz и динамического давления солнечного ветра». J. Geophys. Res . 98 (A12): A12. Bibcode : 1993JGR .... 9821421R . DOI : 10.1029 / 93JA02362 .
  9. ^ Шу, H .; Chao, J .; Fu, H .; Russell, C .; Песня, P .; Хурана, К .; Певица, Х. (1997). «Новая функциональная форма для изучения управления солнечным ветром размером и формой магнитопаузы». J. Geophys. Res . 102 (А5): А5. Bibcode : 1997JGR ... 102.9497S . DOI : 10.1029 / 97JA00196 .
  10. ^ Imke де Патер и Джек Дж Lissauer: Планетарные науки , страница 261. Cambridge University Press, 2001. ISBN 0-521-48219-4 
  11. ^ М.К. Кивельсон; Ф. Багенал (2006). П. Вайсман; Л.-А. Макфадден; Т. Джонсон (ред.).«Планетарные магнитосферы» в Энциклопедии Солнечной системы (2-е изд.). Академическая пресса . п. 477 . ISBN 978-0-12-088589-3.
  12. ↑ Дж. Луман; М. Татраллай; Р. Пепин, ред. (1992). Венера и Марс: атмосферы, ионосферы и взаимодействие солнечного ветра, Серия геофизических монографий, том 66 . Вашингтон, округ Колумбия: Am. Geophys. Союз. п. 448. ISBN 978-0-87590-032-2.