Магнитосфера

Теоретическое рассмотрение взаимодействия солнечного ветра — движущейся со сверхзвуковой скоростью плазмы — с магнитным полем однородно намагниченного шара привело к совершенно неожиданным и непривычным результатам. Оказывается, геомагнитное поле на больших расстояниях существенно отличается от того поля, которое ранее представляли себе люди. Это вовсе не то симметричное, безгранично распространяющееся во все стороны и убывающее по величине обратно пропорционально расстоянию, возведенному в третью степень, поле, которое характерно для однородно намагниченной сферы.

Геомагнитное поле, по теории, должно быть сосредоточено внутри определенной области — своеобразной полости внутри потока солнечной плазмы. Ее форма определяется из условия равенства магнитного давления внутри полости внешнему давлению солнечного ветра на ее «стенки». Область эта была названа магнитосферой. Вот еще одна «сфера» Земли, на этот раз действительно самая внешняя. За ее границами уже «нет ничего земного», там истинное межпланетное пространство.

Магнитосфера похожа на бутылку или колбу, обращенную дном к Солнцу. Внутри этой магнитной бутылки на расстоянии 10—12 земных радиусов находится Земля. За ней — на ночной стороне — длинное и узкое горлышко или, как его часто называют, хвост магнитосферы. Как далеко уходит в пространство этот хвост, открыта или закрыта магнитная бутылка (то есть замыкаются ли на ночной стороне геомагнитные силовые линии или происходит их пересоединение с силовыми линиями межпланетного магнитного поля), пока точно неизвестно. Во всяком случае, ни один из космических аппаратов, пересекавших хвост магнитосферы, не обнаружил в этом «горлышке» пробки. Может быть открытый хвост магнитосферы простирается на несколько десятков астрономических единиц.

Во время сильных магнитных бурь граница магнитосферы с дневной стороны приближается к Земле на 4—6 земных радиусов.

Конечно, это только схема. На самом деле строение магнитосферы гораздо сложнее. Резкой границы между солнечным ветром и магнитосферой нет. За фронтом ударной волны, возникающей при сверхзвуковом обтекании, имеется обширная переходная область, которая образована частицами солнечного ветра, отраженными от магнитосферы. Если в магнитосфере, с одной стороны, и в плазме солнечного ветра — с другой, поле относительно устойчиво и регулярно, то внутри переходной области поле непрерывно меняется и по интенсивности, и по направлению из-за многочисленных завихрений.

Конфигурация и другие характеристики магнитосферы зависят от свойств солнечного ветра, взаимодействующего с ней, от его состава, концентрации тяжелых и легких частиц, от скорости образующих его частиц, наличия или отсутствия в нем магнитного поля, величины и направления такого поля, а также от того, является ли лоток солнечной плазмы турбулентным или спокойным (ламинарным), однороден ли солнечный ветер или порывист. Разные предположения приводят к созданию разных моделей.

Конечно, это только схема. На самом деле строение магнитосферы гораздо сложнее. Резкой границы между солнечным ветром и магнитосферой нет. За фронтом ударной волны, возникающей при сверхзвуковом обтекании, имеется обширная переходная область, которая образована частицами солнечного ветра, отраженными от магнитосферы. Если в магнитосфере, с одной стороны, и в плазме солнечного ветра — с другой, поле относительно устойчиво и регулярно, то внутри переходной области поле непрерывно меняется и по интенсивности, и по направлению из-за многочисленных завихрений.

Конфигурация и другие характеристики магнитосферы зависят от свойств солнечного ветра, взаимодействующего с ней, от его состава, концентрации тяжелых и легких частиц, от скорости образующих его частиц, наличия или отсутствия в нем магнитного поля, величины и направления такого поля, а также от того, является ли лоток солнечной плазмы турбулентным или спокойным (ламинарным), однороден ли солнечный ветер или порывист. Разные предположения приводят к созданию разных моделей.

Особый интерес представляют так называемые нейтральные точки в магнитосфере, расположенные с утренней и вечерней стороны Земли. Силовые линии геомагнитного поля как бы расходятся здесь — одни замыкаются с дневной стороны, а другие уходят в хвост магнитосферы. В районе нейтральных точек находятся своеобразные «щели» в магнитосфере. Эти области часто называют английским словом «касп» (cusp), что означает воронкообразную структуру, через которую вдоль силовых линий возможно непосредственное проникновение плазмы солнечного ветра вплоть до верхней атмосферы. Проекция этих областей на поверхность Земли почти совпадает с зоной полярных сияний, с «овалом сияний» вокруг геомагнитных полюсов. Пока армада солнечных частиц обтекает Землю, часть «пришельцев» просачивается в магнитосферу и захватывается силовыми линиями геомагнитного поля. Какое-то число частиц, видимо, может попасть в магнитосферу и через ее открытый хвост.

Для заряженных частиц, протонов и электронов магнитосфера становится огромной ловушкой. Как ведут себя частицы-пленники? Это зависит от того, с какой скоростью и под каким углом к геомагнитному полю, то есть к силовой линии, частица влетела в магнитосферу. Неумолимые законы электродинамики заставляют частицу участвовать сразу в трех видах движения. Ее траектория описывается очень сложной системой уравнений, куда входят десятки переменных. Схематически эту пляску частиц внутри магнитной ловушки можно себе представить следующим образом.

Каждая заряженная частица, попадающая в магнитное поле под каким-то углом к силовой линии, обязана перемещаться вдоль этой силовой линии, вращаясь вокруг нее по спирали, как бы «наматываясь» на силовую линию. Радиус такой спирали тем больше, чем тяжелее частица. Протон — ядро водорода — в 1840 раз тяжелее электрона, во столько же раз будет для него больше и радиус витка спирали. 6 то же время чём сильнее напряженность магнитного поля, тем уже петля, «навиваемая» частицей на силовую линию.

Магнитное поле растет по мере приближения к полюсам. Следовательно, на концах силовой линии, ближе к Земле, радиус спирали уменьшается, а в районе экватора, где силовая линия пролегает далеко от Земли, увеличивается. Когда частица вращается по спирали вокруг силовой линии, угол между направлением ее движения и силовой линией постоянно изменяется — по мере приближения к Земле он постепенно увеличивается и, наконец, становится равным 90°, то есть частица движется под прямым углом к геомагнитному полю. И вот тут наступает «отражение» — частица меняет направление своего поступательного движения и, все так же вращаясь по спирали, спешит обратно в другое полушарие.

Бесчисленное множество раз пролетает частица по огромной дуге от одной «зеркальной точки» до другой, секунды нужны ей, чтобы попасть из одного полушария в другое. При этом надо иметь в виду, что протоны и электроны, имея противоположные по знаку заряды, наматываются на силовую линию в разных направлениях.

Вращение по спирали и возвратно-поступательное движение между зеркальными точками вдоль магнитного меридиана — это два вида движения. А было обещано три. Третий вид — постоянное смещение, дрейф вокруг Земли вдоль магнитных параллелей. Почему? Дело в том, что, как мы уже говорили, напряженность поля с высотой убывает. Когда частица, навиваясь на силовую линию, взлетает по дуге вверх, ее траектория более пологая, а когда спускается к зеркальным точкам,— более крутая.

Из-за неоднородности геомагнитного поля на каждом маршруте частице приходится несколько смещаться перпендикулярно полю: протоны «ползут» с востока на запад, а электроны — с запада на восток. Этот процесс создает вокруг нашей планеты гигантский кольцевой ток, токовый слой, оболочку. А всякий ток должен обладать собственным магнитным полем.

Магнитное поле кольцевого тока, который мь? только что описали, направлено противоположно горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Значит, сложение этих полей должно привести к уменьшению напряженности общего поля. Позвольте, но ведь именно это мы и наблюдаем в период главной фазы магнитной бури!

Но почему же буря, раз начавшись, не продолжается вечно? Почему ток затухает? Да потому, что движение заряженных частиц внутри магнитосферы происходит не в абсолютной пустоте, здесь рассеяны во множестве атомы и молекулы различных газов и число их  быстро возрастает  по  мере  приближения  к  Земле.

Зеркальные точки находятся в полярной ионосфере на высотах области Е. Сталкиваясь здесь с частицами воздуха, захваченные частицы теряют энергию, отдают свой заряд нейтральным частицам, гибнут и выпадают из общего хоровода. Идет время, ряды «пленных» редеют, уменьшается сила кольцевого тока и его магнитное поле. А магнитное поле Земли возвращается к начальному значению, и буря затухает.


Казимировский Э. С.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: