stringtranslate.com

Магнитосфера

Визуализация линий магнитного поля магнитосферы Земли.

В астрономии и планетологии магнитосфера — это область пространства, окружающая астрономический объект , в которой заряженные частицы подвергаются воздействию магнитного поля этого объекта . [1] [2] Она создается небесным телом с активным внутренним динамо .

В космической среде вблизи планетарного тела с дипольным магнитным полем, такого как Земля, силовые линии напоминают простой магнитный диполь . Дальше силовые линии могут быть значительно искажены потоком электропроводящей плазмы , испускаемой Солнцем (т. е. солнечным ветром ) или близлежащей звездой. [3] [4] Планеты с активными магнитосферами, такие как Земля, способны смягчать или блокировать воздействие солнечной радиации или космической радиации ; в случае Земли это защищает живые организмы от вреда. Взаимодействие частиц и атмосфер с магнитосферами изучается в рамках специализированных научных предметов физики плазмы , космической физики и аэрономии .

История

Изучение магнитосферы Земли началось в 1600 году, когда Уильям Гилберт обнаружил, что магнитное поле на поверхности Земли напоминает поле терреллы — небольшой намагниченной сферы. В 1940-х годах Уолтер М. Эльзассер предложил модель теории динамо , которая приписывает магнитное поле Земли движению внешнего железного ядра Земли . Благодаря использованию магнитометров ученые смогли изучить изменения магнитного поля Земли как функции как времени, так и широты и долготы.

Начиная с конца 1940-х годов ракеты использовались для изучения космических лучей . В 1958 году Explorer 1 , первый из серии космических миссий Explorer, был запущен 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 Explorer 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 Explorer 12 в 1961 году во главе с наблюдением Кэхилла и Амазина в 1963 году внезапного уменьшения напряженности магнитного поля вблизи полуденного меридиана позже была названа магнитопаузой . К 1983 году Международный исследователь комет наблюдал магнитный 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, а также величины и направления потока солнечного ветра .

Расстояние между планетами, на котором магнитосфера может выдерживать давление солнечного ветра, называется расстоянием Чепмена–Ферраро. Его удобно моделировать формулой, в которой представляет 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. Меркурий , Земля, Юпитер , Ганимед , Сатурн , Уран и Нептун , например, демонстрируют внутренние магнитосферы. Магнитосфера классифицируется как «индуцированная», когда , или когда солнечному ветру не противостоит магнитное поле объекта. В этом случае солнечный ветер взаимодействует с атмосферой или ионосферой планеты (или поверхностью планеты, если у планеты нет атмосферы). Венера имеет индуцированное магнитное поле, что означает, что, поскольку Венера, по-видимому, не имеет внутреннего динамо-эффекта , единственное присутствующее магнитное поле — это то, которое образовано обертыванием солнечного ветра вокруг физического препятствия Венеры (см. также Индуцированная магнитосфера Венеры ). Когда , сама планета и ее магнитное поле вносят свой вклад. Возможно, что Марс относится к этому типу. [5]

Структура

Художественное представление структуры магнитосферы: 1) Головная ударная волна. 2) Магнитооболочка. 3) Магнитопауза. 4) Магнитосфера. 5) Северная доля хвоста. 6) Южная доля хвоста. 7) Плазмасфера.

Носовая ударная волна

Инфракрасное изображение и художественная концепция ударной волны вокруг R Гидры

Головная ударная волна образует самый внешний слой магнитосферы; границу 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 плазменнным нестабильностям вверх и вниз по течению от головной ударной волны. [7]

Магнитооболочка

Магнитооболочка — это область магнитосферы между ударной волной и магнитопаузой. Она образована в основном из ударного солнечного ветра, хотя содержит небольшое количество плазмы из магнитосферы. [8] Это область, демонстрирующая высокий поток энергии частиц , где направление и величина магнитного поля хаотично изменяются. Это вызвано сбором газа солнечного ветра, который эффективно подвергся термализации . Он действует как подушка, которая передает 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 конвергенция ударного солнечного ветра из магнитооболочки 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 колебания давления солнечного ветра. [10]

Магнитный хвост

Напротив сжатого магнитного поля находится магнитосферный хвост, 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 указывают на объект, а в южной — от него. 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

Художественное представление магнитосферы Земли.
Схема магнитосферы Земли

Над экватором Земли линии магнитного поля становятся почти горизонтальными, а затем возвращаются, чтобы снова соединиться на высоких широтах. Однако на больших высотах магнитное поле значительно 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 километрах (56 000 миль) от Земли. [13] Магнитопауза существует на расстоянии нескольких сотен километров над поверхностью Земли. Магнитопаузу Земли сравнивают с ситом, потому что она позволяет частицам солнечного ветра проникать внутрь. Неустойчивости Кельвина-Гельмгольца возникают, когда большие завихрения плазмы движутся вдоль края магнитосферы со скоростью, отличной от скорости магнитосферы, заставляя плазму проскальзывать мимо. Это приводит к магнитному пересоединению , и по мере того, как линии магнитного поля разрываются и снова соединяются, частицы солнечного ветра могут проникать в магнитосферу. [14] На ночной стороне Земли магнитное поле простирается в магнитосферном хвосте, который в длину превышает 6 300 000 километров (3 900 000 миль). [3] Магнитосферный хвост Земли является основным источником полярного сияния . [11] Кроме того, ученые НАСА предположили, что магнитосферный хвост Земли может вызывать «пылевые бури» на Луне, создавая разность потенциалов между дневной и ночной сторонами. [15]

Другие объекты

Многие астрономические объекты генерируют и поддерживают магнитосферы. В Солнечной системе к ним относятся Солнце, Меркурий , Земля , Юпитер , Сатурн , Уран , Нептун , [16] и Ганимед . Магнитосфера Юпитера является крупнейшей планетарной магнитосферой в Солнечной системе, простираясь до 7 000 000 километров (4 300 000 миль) на дневной стороне и почти до орбиты Сатурна на ночной стороне. [17] Магнитосфера Юпитера сильнее земной на порядок , а ее 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 могли потерять свою изначальную воду из-за фотодиссоциации и солнечного ветра. Сильная магнитосфера значительно замедляет этот процесс. [16] [19]

Художественное представление магнитного поля вокруг Tau Boötis b, обнаруженного в 2020 году.

Магнитосферы, создаваемые экзопланетами , считаются обычным явлением, хотя первые открытия были сделаны только в 2010-х годах. В 2014 году магнитное поле вокруг HD 209458 b было выведено из того, как водород испаряется с планеты. [20] [21] В 2019 году была оценена сила поверхностных магнитных полей 4 горячих юпитеров , которая составила от 20 до 120 гаусс по сравнению с поверхностным магнитным полем Юпитера в 4,3 гаусса. [22] [23] В 2020 году в системе Tau Boötis было обнаружено радиоизлучение в диапазоне 14–30 МГц , вероятно, связанное с циклотронным излучением от полюсов Tau Boötis b — признаком планетарного магнитного поля. [24] [25] В 2021 году магнитное поле, создаваемое HAT-P-11b, стало первым подтвержденным. [26] Первое неподтвержденное обнаружение магнитного поля, создаваемого экзопланетой земного типа, было обнаружено в 2023 году на YZ Ceti b . [27] [28] [29] [30]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Магнитосферы". NASA Science . NASA.
  2. ^ Рэтклифф, Джон Эшворт (1972). Введение в ионосферу и магнитосферу . Архив CUP . ISBN 9780521083416.
  3. ^ abc "Ионосфера и магнитосфера". Encyclopaedia Britannica . Encyclopaedia Britannica, Inc. 2012.
  4. ^ abc Ван Аллен, Джеймс Альфред (2004). Истоки физики магнитосферы . Айова-Сити, Айова, США: Издательство Университета Айовы . ISBN 9780877459217. OCLC  646887856.
  5. ^ Бланк, М.; Калленбах, Р.; Эркаев, Н.В. (2005). «Магнитосферы Солнечной системы». Space Science Reviews . 116 (1–2): 227–298. Bibcode : 2005SSRv..116..227B. doi : 10.1007/s11214-005-1958-y. S2CID  122318569.
  6. ^ Sparavigna, AC; Marazzato, R. (10 мая 2010 г.). «Наблюдение ударных волн в звездной головке». arXiv : 1005.1527 [physics.space-ph].
  7. ^ Pokhotelov, D.; von Alfthan, S.; Kempf, Y.; Vainio, R.; et al. (17 декабря 2013 г.). «Распределение ионов вверх и вниз по течению от головной ударной волны Земли: первые результаты Vlasiator». Annales Geophysicae . 31 (12): 2207–2212. Bibcode : 2013AnGeo..31.2207P. doi : 10.5194/angeo-31-2207-2013 .
  8. ^ Paschmann, G.; Schwartz, SJ; Escoubet, CP; Haaland, S., ред. (2005). Внешние магнитосферные границы: результаты кластеризации (PDF) . Серия космических наук ISSI. Том 118. Bibcode : 2005ombc.book.....P. doi : 10.1007/1-4020-4582-4. ISBN 978-1-4020-3488-6. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  9. ^ Рассел, CT (1990). «Магнитопауза». В Рассел, CT; Прист, ER; Ли, LC (ред.). Физика магнитных потоковых канатов. Американский геофизический союз. стр. 439–453. ISBN 9780875900261. Архивировано из оригинала 2 февраля 1999 года.
  10. ^ Stern, David P.; Peredo, Mauricio (20 ноября 2003 г.). «Магнитопауза». Исследование магнитосферы Земли . NASA. Архивировано из оригинала 19 августа 2019 г. . Получено 19 августа 2019 г. .
  11. ^ ab "Хвост магнитосферы". NASA. Архивировано из оригинала 7 февраля 2018 года . Получено 22 декабря 2012 года .
  12. ^ "Cluster показывает, что ударная волна Земли удивительно тонка". Европейское космическое агентство . 16 ноября 2011 г.
  13. ^ "Cluster показывает перестройку ударной волны Земли". Европейское космическое агентство . 11 мая 2011 г.
  14. ^ "Cluster наблюдает 'пористую' магнитопаузу". Европейское космическое агентство . 24 октября 2012 г.
  15. ^ http://www.nasa.gov/topics/moonmars/features/magnetotail_080416.html Архивировано 14 ноября 2021 г. на Wayback Machine NASA, Луна и Magnetotail
  16. ^ ab "Планетарные щиты: магнитосферы". NASA . Получено 5 января 2020 г.
  17. ^ Хурана, К.К.; Кивельсон, М.Г.; и др. (2004). «Конфигурация магнитосферы Юпитера» (PDF) . В Багенал, Фрэн; Доулинг, Тимоти Э.; МакКиннон, Уильям Б. (ред.). Юпитер: планета, спутники и магнитосфера . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-81808-7.
  18. ^ Рассел, CT (1993). «Планетарные магнитосферы». Reports on Progress in Physics . 56 (6): 687–732. Bibcode : 1993RPPh...56..687R. doi : 10.1088/0034-4885/56/6/001. S2CID  250897924.
  19. ↑ NASA (14 сентября 2016 г.). «Обнаружение рентгеновского излучения проливает новый свет на Плутон». nasa.gov . Получено 3 декабря 2016 г.
  20. ^ Чарльз К. Чой (20 ноября 2014 г.). «Раскрытие секретов магнитного поля инопланетного мира». Space.com . Получено 17 января 2022 г. .
  21. ^ Кислякова, КГ; Холмстром, М.; Ламмер, Х.; Одерт, П.; Ходаченко, МЛ (2014). «Магнитный момент и плазменная среда HD 209458b, определенные по наблюдениям Ly». Science . 346 (6212): 981–984. arXiv : 1411.6875 . Bibcode :2014Sci...346..981K. doi :10.1126/science.1257829. PMID  25414310. S2CID  206560188.
  22. ^ Passant Rabie (29 июля 2019 г.). «Магнитные поля экзопланет типа «горячий юпитер» гораздо сильнее, чем мы думали». Space.com . Получено 17 января 2022 г. .
  23. ^ Колей, П. Уилсон; Школьник, Евгения Л.; Ллама, Джо; Ланца, Антонино Ф. (декабрь 2019 г.). «Напряженность магнитного поля горячих юпитеров по сигналам взаимодействия звезд и планет». Nature Astronomy . 3 (12): 1128–1134. arXiv : 1907.09068 . Bibcode :2019NatAs...3.1128C. doi :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 от экзопланетных систем 55 Рака, υ Андромеды и τ Волопаса с использованием наблюдений с формированием луча LOFAR», Астрономия и астрофизика , 645 : A59, arXiv : 2012.07926 , Bibcode : 2021A&A ...645A..59T, doi :10.1051/0004-6361/201937201, S2CID  212883637
  25. ^ О'Каллаган, Джонатан (7 августа 2023 г.). «Экзопланеты могли бы помочь нам узнать, как планеты создают магнетизм». Журнал Quanta . Получено 7 августа 2023 г.
  26. ^ Спектральное распределение энергии HAT-P-11. Признаки сильной намагниченности и бедной металлами атмосферы для экзопланеты размером с Нептун, Бен-Джаффель и др. 2021 г.
  27. ^ Пинеда, Дж. Себастьян; Вилладсен, Джеки (апрель 2023 г.). «Когерентные радиоимпульсы от известной планеты-карлика класса М YZ Кита». Nature Astronomy . 7 (5): 569–578. arXiv : 2304.00031 . Bibcode :2023NatAs...7..569P. doi :10.1038/s41550-023-01914-0.
  28. ^ Триджилио, Коррадо; Бисвас, Аян; и др. (Май 2023 г.). «Взаимодействие звезды и планеты на радиоволнах в YZ Кита: вывод о планетарном магнитном поле». arXiv : 2305.00809 [astro-ph.EP].
  29. ^ «Магнитное поле на близлежащей экзопланете размером с Землю?». earthsky.org . 10 апреля 2023 г. Получено 7 августа 2023 г.
  30. ^ О'Каллаган, Джонатан (7 августа 2023 г.). «Экзопланеты могут помочь нам узнать, как планеты создают магнетизм». Журнал Quanta .