Магнитопауза - Magnetopause

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 . Местоположение 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 неустойчивость 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 попасть в нее. На Земле плазма солнечного ветра, попадающая в магнитосферу, образует плазменный слой . Количество плазмы и энергии солнечного ветра, 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

Схематическое изображение планетарного дипольного магнитного поля в вакууме (справа), 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.

До эпохи освоения космоса межпланетное пространство считалось вакуумом. Совпадение супервспышки Кэррингтона и супергеомагнитного события 1859 г. было свидетельством того, что плазма была выброшена из Солнца во время вспышки. Чепмен и Ферраро предположили, 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 электрическая проводимость 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) проиллюстрировали 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 (то есть магнитосферой ), и плазмой в межпланетной среде - это 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, магнитопауза вверху, внизу и по сторонам планеты уносится 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 является постоянной особенностью космоса рядом с любой планетой с магнитным полем.

Силовые линии магнитного поля планеты не являются стационарными. Они непрерывно сливаются или сливаются с силовыми линиями межпланетного магнитного поля. Соединенные силовые линии перемещаются обратно 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).

Если предположить, что магнитопауза - это просто граница между магнитным полем в вакууме и плазмой со слабым магнитным полем, встроенным в нее, то магнитопауза будет определяться 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.

Оценка расстояния до магнитопаузы

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 :

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, использующие данные о солнечном ветре в реальном времени, могут обеспечить оценку местоположения магнитопаузы в реальном времени. Перед магнитопаузой стоит головная ударная волна . Он служит для замедления и отклонения потока солнечного ветра до того, как он достигнет магнитопаузы.

Магнитопаузы Солнечной системы

Обзор магнитопаузы Солнечной системы
Планета Число Магнитный момент Расстояние магнитопаузы Наблюдаемый размер магнитосферы дисперсия магнитосферы
Меркурий Меркурий 1 0,0004 1.5 1.4 0
Венера Венера 2 0 0 0 0
Земля Земля 3 1 10 10 2
Марс Марс 4 0 0 0 0
Юпитер Юпитер 5 20000 42 75 25
Сатурн Сатурн 6 600 19 19 3
Уран Уран 7 50 25 18 0
Нептун Нептун 8 25 24 24,5 1.5

Исследования магнитопаузы проводятся с использованием системы координат LMN (которая представляет собой набор осей типа XYZ). N указывает перпендикулярно магнитопаузе наружу 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, и за ней 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.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Причина коэффициента 4 заключается в том, что напряженность магнитного поля внутри магнитопаузы в два раза больше дипольного значения 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 ответ на динамическое давление солнечного ветра и ориентацию межпланетного магнитного поля.

использованная литература

  • Планетарные атмосферы .