stringtranslate.com

Магнитосфера

Изображение линий магнитного поля магнитосферы Земли.

В астрономии и планетологии магнитосфера — это область пространства, окружающая астрономический объект, в которой на заряженные частицы воздействует магнитное поле этого объекта . [1] [2] Оно создано небесным телом с активной внутренней динамо-машиной .

В космической среде вблизи планетарного тела магнитное поле напоминает магнитный диполь . Дальше линии поля могут быть существенно искажены потоком электропроводящей плазмы , излучаемой Солнцем (т.е. солнечным ветром ) или близлежащей звездой. [3] [4] Планеты, имеющие активную магнитосферу, такие как Земля, способны смягчать или блокировать воздействие солнечной радиации или космического излучения , что также защищает все живые организмы от потенциально вредных и опасных последствий. Это изучается в рамках специализированных научных дисциплин: физики плазмы , физики космоса и аэрономии .

История

Изучение магнитосферы Земли началось в 1600 году, когда Уильям Гилберт обнаружил, что магнитное поле на поверхности Земли напоминает терреллу — небольшую намагниченную сферу. В 1940-х годах Уолтер М. Эльзассер предложил модель теории динамо , которая приписывает магнитное поле Земли движению внешнего железного ядра Земли . С помощью магнитометров ученые смогли изучить изменения магнитного поля Земли в зависимости от времени, широты и долготы.

Начиная с конца 1940-х годов для изучения космических лучей использовались ракеты . В 1958 году был запущен «Эксплорер-1» , первый из серии космических миссий «Эксплорер», для изучения интенсивности космических лучей над атмосферой и измерения колебаний этой активности. Эта миссия наблюдала существование радиационного пояса Ван Аллена (расположенного во внутренней области магнитосферы Земли), а последующий « Эксплорер-3» позже в том же году окончательно доказал его существование. Также в 1958 году Юджин Паркер предложил идею солнечного ветра , а термин «магнитосфера» был предложен Томасом Голдом в 1959 году для объяснения того, как солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем Земли. Более поздняя миссия «Эксплорера-12» в 1961 году, в ходе которой Кэхилл и Амазин наблюдали в 1963 году внезапное уменьшение напряженности магнитного поля вблизи полуденного меридиана, позже было названо магнитопаузой . К 1983 году Международный исследователь комет наблюдал магнитосферный хвост или отдаленное магнитное поле. [4]

Структура и поведение

Магнитосферы зависят от нескольких переменных: типа астрономического объекта, природы источников плазмы и импульса, периода вращения объекта, природы оси, вокруг которой вращается объект, оси магнитного диполя и магнитуды. и направление потока солнечного ветра .

Планетарное расстояние, на котором магнитосфера может противостоять давлению солнечного ветра, называется расстоянием Чепмена-Ферраро. Это удобно моделировать с помощью формулы, где представляет собой радиус планеты, представляет магнитное поле на поверхности планеты на экваторе и представляет скорость солнечного ветра:

Магнитосфера классифицируется как «внутренняя» , когда или когда основным противодействием потоку солнечного ветра является магнитное поле объекта. Например , Меркурий , Земля , Юпитер , Ганимед , Сатурн , Уран и Нептун обладают собственной магнитосферой. Магнитосфера классифицируется как «индуцированная» , когда солнечному ветру не противостоит магнитное поле объекта. В этом случае солнечный ветер взаимодействует с атмосферой или ионосферой планеты (или поверхностью планеты, если планета не имеет атмосферы). Венера имеет индуцированное магнитное поле, а это означает, что, поскольку у Венеры, по-видимому, нет внутреннего динамо-эффекта , единственное присутствующее магнитное поле - это поле, образованное солнечным ветром, обертывающим физическое препятствие Венеры (см. Также индуцированная магнитосфера Венеры ). Когда , вклад вносят как сама планета, так и ее магнитное поле. Вполне возможно, что Марс относится к этому типу. [5]

Состав

Художественное изображение структуры магнитосферы: 1) Головная ударная волна. 2) Магнитослой. 3) Магнитопауза. 4) Магнитосфера. 5) Северная доля хвоста. 6) Южная доля хвоста. 7) Плазмосфера.

Ударная волна

Инфракрасное изображение и художественная концепция головной ударной волны вокруг R Гидры.

Головная ударная волна образует самый внешний слой магнитосферы; граница между магнитосферой и окружающей средой. Для звезд это обычно граница между звездным ветром и межзвездной средой ; для планет скорость солнечного ветра там уменьшается по мере приближения к магнитопаузе. [6] Из-за взаимодействия с головной ударной волной плазма звездного ветра приобретает существенную анизотропию , что приводит к различным нестабильностям плазмы вверх и вниз по потоку от головной ударной волны. [7]

Магнитооболочка

Магнитослой — это область магнитосферы между головной ударной волной и магнитопаузой. Он образуется в основном из-за ударного солнечного ветра, хотя и содержит небольшое количество плазмы из магнитосферы. [8] Это область с высоким потоком энергии частиц , где направление и величина магнитного поля хаотично меняются. Это вызвано сбором газа солнечного ветра, который эффективно подвергся термализации . Он действует как подушка, передающая давление от потока солнечного ветра и барьер магнитного поля от объекта. [4]

Магнитопауза

Магнитопауза — это область магнитосферы, в которой давление планетарного магнитного поля уравновешивается давлением солнечного ветра. [3] Это сближение ударного солнечного ветра из магнитослоя с магнитным полем объекта и плазмой из магнитосферы. Поскольку обе стороны этой конвергенции содержат намагниченную плазму, взаимодействия между ними сложны. Структура магнитопаузы зависит от числа Маха и бета плазмы, а также от магнитного поля. [9] Магнитопауза меняет размер и форму по мере изменения давления солнечного ветра. [10]

Магнетохвост

Напротив сжатого магнитного поля находится хвост магнитосферы, где магнитосфера простирается далеко за пределы астрономического объекта. Он содержит две доли, называемые северной и южной долями хвоста. Линии магнитного поля в северной доле хвоста направлены в сторону объекта, а линии в южной доле хвоста — в сторону. Доли хвоста почти пусты, с небольшим количеством заряженных частиц, противостоящих потоку солнечного ветра. Две доли разделены плазменным слоем — областью, где магнитное поле слабее, а плотность заряженных частиц выше. [11]

Магнитосфера Земли

Художественная интерпретация магнитосферы Земли.
Схема магнитосферы Земли

Над экватором Земли линии магнитного поля становятся почти горизонтальными, а затем снова соединяются в высоких широтах. Однако на больших высотах магнитное поле существенно искажается солнечным ветром и его солнечным магнитным полем. На дневной стороне Земли магнитное поле значительно сжимается солнечным ветром на расстояние примерно 65 000 километров (40 000 миль). Головная ударная волна Земли имеет толщину около 17 километров (11 миль) [12] и расположена примерно в 90 000 километров (56 000 миль) от Земли. [13] Магнитопауза существует на расстоянии нескольких сотен километров над поверхностью Земли. Магнитопаузу Земли сравнивают с ситом , потому что через нее проникают частицы солнечного ветра. Нестабильность Кельвина-Гельмгольца возникает, когда большие вихри плазмы движутся вдоль края магнитосферы со скоростью, отличной от скорости магнитосферы, заставляя плазму проскальзывать мимо. Это приводит к магнитному пересоединению , и когда линии магнитного поля разрываются и снова соединяются, частицы солнечного ветра могут проникнуть в магнитосферу. [14] На ночной стороне Земли магнитное поле распространяется в хвосте магнитосферы, длина которого превышает 6 300 000 километров (3 900 000 миль). [3] Хвост магнитосферы Земли является основным источником полярных сияний . [11] Кроме того, ученые НАСА предположили, что хвост магнитосферы Земли может вызывать «пылевые бури» на Луне, создавая разность потенциалов между дневной и ночной сторонами. [15]

Другие объекты

Многие астрономические объекты генерируют и поддерживают магнитосферу. В Солнечной системе это Солнце, Меркурий , Юпитер , Сатурн , Уран , Нептун [ 16] и Ганимед . Магнитосфера Юпитера — крупнейшая планетарная магнитосфера в Солнечной системе, простирающаяся до 7 000 000 километров (4 300 000 миль) на дневной стороне и почти до орбиты Сатурна на ночной стороне. [17] Магнитосфера Юпитера на порядок сильнее земной , а его магнитный момент примерно в 18 000 раз больше. [18] Венера , Марс и Плутон , с другой стороны, не имеют магнитного поля. Это могло оказать существенное влияние на их геологическую историю. Предполагается, что Венера и Марс, возможно, потеряли свою первичную воду из-за фотодиссоциации и солнечного ветра. Сильная магнитосфера сильно замедляет этот процесс. [16] [19]

Впечатление художника от магнитного поля вокруг Тау Боэтиса b, обнаруженного в 2020 году.

Считается, что магнитосферы, создаваемые экзопланетами, широко распространены, хотя первые открытия были сделаны только в 2010-х годах. В 2014 году магнитное поле вокруг HD 209458 b было обнаружено на основе испарения водорода с планеты. [20] [21] В 2019 году напряженность поверхностных магнитных полей четырех горячих юпитеров оценивалась в диапазоне от 20 до 120 гаусс по сравнению с поверхностным магнитным полем Юпитера в 4,3 гаусса. [22] [23] В 2020 году из системы Тау Боэтис было обнаружено радиоизлучение в диапазоне 14–30 МГц , вероятно, связанное с циклотронным излучением полюсов Тау Боэтиса, являющимся признаком планетарного магнитного поля. [24] [25] В 2021 году первым было подтверждено магнитное поле, генерируемое HAT-P-11b . [26] Первое неподтвержденное обнаружение магнитного поля, генерируемого экзопланетой земной группы, было обнаружено в 2023 году на YZ Ceti b . [27] [28] [29] [30]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Магнитосферы". Наука НАСА . НАСА.
  2. ^ Рэтклифф, Джон Эшворт (1972). Введение в ионосферу и магнитосферу . Архив Кубка . ISBN 9780521083416.
  3. ^ abc «Ионосфера и магнитосфера». Британская энциклопедия . Британская энциклопедия, Inc., 2012.
  4. ^ abc Ван Аллен, Джеймс Альфред (2004). Истоки физики магнитосферы . Айова-Сити, Айова, США: Университет Айовы Press . ISBN 9780877459217. ОКЛК  646887856.
  5. ^ Блан, М.; Калленбах, Р.; Еркаев Н.В. (2005). «Магнитосферы Солнечной системы». Обзоры космической науки . 116 (1–2): 227–298. Бибкод :2005ССРв..116..227Б. doi : 10.1007/s11214-005-1958-y. S2CID  122318569.
  6. ^ Спаравинья, AC; Мараззато, Р. (10 мая 2010 г.). «Наблюдение ударных волн звезд». arXiv : 1005.1527 [физика.пространство-ph].
  7. ^ Похотелов, Д.; фон Альфтан, С.; Кемпф, Ю.; Вайнио, Р.; и другие. (17 декабря 2013 г.). «Распределение ионов вверх и вниз по течению от головной ударной волны Земли: первые результаты из Влазиатора». Анналы геофизики . 31 (12): 2207–2212. дои : 10.5194/angeo-31-2207-2013 .
  8. ^ Пашманн, Г.; Шварц, С.Дж.; Эскубе, CP; Хааланд, С., ред. (2005). «Внешние границы магнитосферы: результаты кластера» (PDF) . Обзоры космической науки . Серия космических наук ISSI. 118 (1–4). Бибкод : 2005ombc.book.....P. дои : 10.1007/1-4020-4582-4. ISBN 978-1-4020-3488-6.
  9. ^ Рассел, Коннектикут (1990). «Магнитопауза». В Расселе, Коннектикут; Священник, скорая помощь; Ли, LC (ред.). Физика магнитных жгутов. Американский геофизический союз. стр. 439–453. ISBN 9780875900261. Архивировано из оригинала 2 февраля 1999 года.
  10. ^ Стерн, Дэвид П.; Передо, Маурисио (20 ноября 2003 г.). «Магнитопауза». Исследование магнитосферы Земли . НАСА. Архивировано из оригинала 19 августа 2019 года . Проверено 19 августа 2019 г.
  11. ^ ab «Хвост магнитосферы». НАСА. Архивировано из оригинала 7 февраля 2018 года . Проверено 22 декабря 2012 г.
  12. ^ «Кластер показывает, что головная ударная волна Земли удивительно тонкая» . Европейское космическое агентство . 16 ноября 2011 г.
  13. ^ «Скопление показывает реформацию ударной волны Земли» . Европейское космическое агентство . 11 мая 2011 г.
  14. ^ «Кластер наблюдает« пористую »магнитопаузу» . Европейское космическое агентство . 24 октября 2012 г.
  15. ^ http://www.nasa.gov/topics/moonmars/features/magnetotail_080416.html НАСА, Луна и магнитный хвост
  16. ^ ab «Планетарные щиты: магнитосферы». НАСА . Проверено 5 января 2020 г.
  17. ^ Хурана, КК; Кивельсон, МГ; и другие. (2004). «Конфигурация магнитосферы Юпитера» (PDF) . В Багенале, Фрэн; Даулинг, Тимоти Э.; Маккиннон, Уильям Б. (ред.). Юпитер: Планета, спутники и магнитосфера . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-81808-7.
  18. ^ Рассел, Коннектикут (1993). «Планетарные магнитосферы». Отчеты о прогрессе в физике . 56 (6): 687–732. Бибкод : 1993РПФ...56..687Р. дои : 10.1088/0034-4885/56/6/001. S2CID  250897924.
  19. ^ НАСА (14 сентября 2016 г.). «Обнаружение рентгеновских лучей проливает новый свет на Плутон». НАСА.gov . Проверено 3 декабря 2016 г.
  20. ↑ Чарльз К. Чой (20 ноября 2014 г.). «Раскрытие секретов магнитного поля инопланетного мира». Space.com . Проверено 17 января 2022 г.
  21. ^ Кислякова, К.Г.; Хольмстрем, М.; Ламмер, Х.; Одерт, П.; Ходаченко, М.Л. (2014). «Магнитный момент и плазменная среда HD 209458b, определенные по наблюдениям Ly». Наука . 346 (6212): 981–984. arXiv : 1411.6875 . Бибкод : 2014Sci...346..981K. дои : 10.1126/science.1257829. PMID  25414310. S2CID  206560188.
  22. ↑ Пассант Раби (29 июля 2019 г.). «Магнитные поля экзопланет «горячего Юпитера» намного сильнее, чем мы думали». Space.com . Проверено 17 января 2022 г.
  23. ^ Коли, П. Уилсон; Школьник Евгения Л.; Лама, Джо; Ланца, Антонино Ф. (декабрь 2019 г.). «Напряженность магнитного поля горячих юпитеров по сигналам звездно-планетных взаимодействий». Природная астрономия . 3 (12): 1128–1134. arXiv : 1907.09068 . Бибкод : 2019NatAs...3.1128C. дои : 10.1038/s41550-019-0840-x. ISSN  2397-3366. S2CID  198147426.
  24. ^ Тернер, Джейк Д.; Зарка, Филипп; Грисмайер, Жан-Матиас; Лацио, Жозеф; Чеккони, Батист; Эмилио Энрикес, Дж.; Жирар, Жюльен Н.; Джаявардхана, Рэй; Лами, Лоран; Николс, Джонатан Д.; Де Патер, Имке (2021), «Поиск радиоизлучения экзопланетных систем 55 Cancri, υ Andromedae и τ Boötis с использованием наблюдений с формированием луча LOFAR», Astronomy & Astrophysicals , 645 : A59, arXiv : 2012.07926 , Bibcode : 2021A&A ...645A..59T, номер документа : 10.1051/0004-6361/201937201, S2CID  212883637
  25. ^ О'Каллаган, Джонатан (7 августа 2023 г.). «Экзопланеты могут помочь нам узнать, как планеты создают магнетизм». Журнал Кванта . Проверено 7 августа 2023 г.
  26. ^ HAT-P-11 Признаки спектрального распределения энергии сильной намагниченности и бедной металлами атмосферы для экзопланеты размером с Нептун, Бен-Яффель и др. 2021 год
  27. ^ Пинеда, Дж. Себастьян; Вилладсен, Джеки (апрель 2023 г.). «Когерентные радиовсплески от известной звезды M-карликовой планеты YZ Ceti». Природная астрономия . 7 : 569–578. arXiv : 2304.00031 . Бибкод : 2023NatAs...7..569P. дои : 10.1038/s41550-023-01914-0.
  28. ^ Трихилио, Коррадо; Бисвас, Аян; и другие. (май 2023 г.). «Взаимодействие звезды и планеты на радиоволнах в YZ Кита: определение планетарного магнитного поля». arXiv : 2305.00809 [astro-ph.EP].
  29. ^ «Магнитное поле на ближайшей экзопланете размером с Землю?». EarthSky.org . 10 апреля 2023 г. Проверено 7 августа 2023 г.
  30. ^ О'Каллаган, Джонатан (7 августа 2023 г.). «Экзопланеты могут помочь нам узнать, как планеты создают магнетизм». Журнал Кванта .