Космическая физика , также известная как физика космической плазмы , является изучением естественной плазмы в верхних слоях атмосферы Земли и остальной части Солнечной системы . Она включает в себя темы аэрономии , полярных сияний , планетарных ионосфер и магнитосфер , радиационных поясов и космической погоды (совместно известные как солнечно-земная физика [1] ). Она также охватывает дисциплину гелиофизики , которая изучает солнечную физику Солнца , его солнечный ветер , проблему коронального нагрева , солнечные энергичные частицы и гелиосферу .
Космическая физика является как чистой наукой , так и прикладной наукой , с приложениями в радиопередаче , работе космических аппаратов (особенно связи и метеорологических спутников ) и в метеорологии . Важные физические процессы в космической физике включают магнитное пересоединение , синхротронное излучение , кольцевые токи , волны Альвена и плазменные нестабильности . Она изучается с помощью прямых измерений in situ с помощью зондирующих ракет и космических аппаратов, [2] косвенного дистанционного зондирования электромагнитного излучения, создаваемого плазмой, и теоретической магнитогидродинамики .
Тесно связанные области включают физику плазмы , которая изучает более фундаментальную физику и искусственную плазму; физику атмосферы , которая исследует нижние слои атмосферы Земли; и астрофизическую плазму , которая представляет собой естественную плазму за пределами Солнечной системы.
Космическая физика восходит к китайцам, которые открыли принцип действия компаса , но не понимали, как он работает. В XVI веке в De Magnete Уильям Гилберт дал первое описание магнитного поля Земли , показав, что сама Земля является большим магнитом, что объяснило, почему стрелка компаса указывает на север. Отклонения магнитного склонения стрелки компаса были зафиксированы на навигационных картах, а подробное изучение склонения около Лондона часовщиком Джорджем Грэхемом привело к открытию нерегулярных магнитных колебаний, которые мы теперь называем магнитными бурями, названными так Александром фон Гумбольдтом . Гаусс и Уильям Вебер провели очень тщательные измерения магнитного поля Земли, которые показали систематические изменения и случайные колебания. Это предполагало, что Земля не была изолированным телом, а находилась под влиянием внешних сил — особенно со стороны Солнца и появления солнечных пятен . Связь между отдельными полярными сияниями и сопутствующими геомагнитными возмущениями заметили Андерс Цельсий и Олоф Петер Хиортер в 1747 году. В 1860 году Элиас Лумис (1811–1889) показал, что наибольшая частота полярных сияний наблюдается внутри овала в 20–25 градусов вокруг магнитного полюса. В 1881 году Герман Фриц опубликовал карту «изохазм» или линий постоянного магнитного поля.
В конце 1870-х годов Анри Беккерель предложил первое физическое объяснение статистических корреляций, которые были зарегистрированы: солнечные пятна должны быть источником быстрых протонов. Они направляются к полюсам магнитным полем Земли. В начале двадцатого века эти идеи привели Кристиана Биркеланда к созданию терреллы , или лабораторного устройства, которое имитирует магнитное поле Земли в вакуумной камере и которое использует электронно-лучевую трубку для имитации энергичных частиц, составляющих солнечный ветер. Начала формулироваться теория о взаимодействии магнитного поля Земли и солнечного ветра.
Космическая физика началась всерьез с первых измерений in situ в начале 1950-х годов, когда группа под руководством Ван Аллена запустила первые ракеты на высоту около 110 км. Счетчики Гейгера на борту второго советского спутника, Спутника-2 , и первого американского спутника, Explorer 1 , обнаружили радиационные пояса Земли, [3] позже названные поясами Ван Аллена . Граница между магнитным полем Земли и межпланетным пространством была изучена Explorer 10. Будущие космические аппараты будут путешествовать за пределами околоземной орбиты и изучать состав и структуру солнечного ветра гораздо более подробно. К ним относятся WIND (космический аппарат) (1994), Advanced Composition Explorer (ACE), Ulysses , Interstellar Boundary Explorer (IBEX) в 2008 году и Parker Solar Probe . Другие космические аппараты будут изучать Солнце, такие как STEREO и Solar and Heliospheric Observatory (SOHO).
Медиа, связанные с космической физикой на Wikimedia Commons