L -оболочка , L-значение или L-параметр Мак-Илвейна (в честь Карла Э. Мак-Илвейна) — это параметр, описывающий определенный набор планетарных магнитных силовых линий . В разговорной речи L-значение часто описывает набор магнитных силовых линий , которые пересекают магнитный экватор Земли на расстоянии, равном L-значению. Например, описывает набор магнитных силовых линий Земли , которые пересекают магнитный экватор Земли на расстоянии двух земных радиусов от центра Земли. Параметры L-оболочки также могут описывать магнитные поля других планет. В таких случаях параметр перенормируется для радиуса этой планеты и модели магнитного поля. [1]
Хотя L-значение формально определяется в терминах истинного мгновенного магнитного поля Земли (или модели высокого порядка, такой как IGRF ), оно часто используется для описания общей картины магнитных явлений вблизи Земли, и в этом случае его можно аппроксимировать с помощью дипольной модели магнитного поля Земли .
Движения заряженных частиц низкой энергии в магнитном поле Земли (или в любом почти дипольном магнитном поле) можно с пользой описать в терминах координат Мак-Илвейна ( B , L ), первая из которых, B, является просто величиной (или длиной) вектора магнитного поля. [2] Это описание наиболее ценно, когда гирорадиус орбиты заряженной частицы мал по сравнению с пространственным масштабом изменений в поле. Тогда заряженная частица будет в основном следовать по винтовой траектории, вращаясь вокруг локальной силовой линии. В локальной системе координат {x,y,z} , где z вдоль поля, поперечное движение будет почти окружностью, вращающейся вокруг « ведущего центра », то есть центра орбиты или локальной линии B , с гирорадиусом и частотой, характерными для циклотронного движения для напряженности поля, в то время как одновременное движение вдоль z будет происходить с почти равномерной скоростью, поскольку составляющая силы Лоренца вдоль силовой линии равна нулю.
На следующем уровне приближения, по мере того как частица вращается по орбите и движется вдоль силовой линии, вдоль которой поле медленно меняется, радиус орбиты изменяется так, чтобы поддерживать магнитный поток, заключенный в орбите, постоянным. Поскольку сила Лоренца строго перпендикулярна скорости, она не может изменить энергию заряженной частицы, движущейся в ней. Таким образом, кинетическая энергия частицы остается постоянной. Тогда также должна быть постоянной ее скорость. Тогда можно показать, что скорость частицы, параллельная локальному полю, должна уменьшаться, если поле увеличивается вдоль ее движения по оси z , и увеличиваться, если поле уменьшается, в то время как компоненты скорости, поперечные полю, увеличиваются или уменьшаются так, чтобы поддерживать величину полной скорости постоянной. Закон сохранения энергии не допускает неограниченного увеличения поперечной скорости, и в конечном итоге продольная компонента скорости становится равной нулю, в то время как угол наклона частицы относительно силовой линии становится равным 90°. Затем продольное движение останавливается и меняет направление, и частица отражается обратно в области более слабого поля, при этом направляющий центр теперь повторяет свое предыдущее движение вдоль линии поля, при этом поперечная скорость частицы уменьшается, а продольная увеличивается. [3]
В (приблизительно) дипольном поле Земли величина поля наибольшая вблизи магнитных полюсов и наименьшая вблизи магнитного экватора. Таким образом, после того, как частица пересечет экватор, она снова столкнется с областями увеличивающегося поля, пока снова не остановится в точке магнитного зеркала на противоположной стороне экватора. Результатом является то, что, когда частица вращается вокруг своего направляющего центра на линии поля, она отскакивает назад и вперед между северной точкой зеркала и южной точкой зеркала, оставаясь приблизительно на той же линии поля. Таким образом, частица бесконечно захвачена и не может вырваться из области Земли. Частицы со слишком малыми углами наклона могут удариться о верхнюю часть атмосферы, если они не будут отражены до того, как их линия поля достигнет слишком близко к Земле, в этом случае они в конечном итоге будут рассеяны атомами в воздухе, потеряют энергию и будут потеряны из поясов. [4]
Однако для частиц, которые отражаются на безопасных высотах (еще на одном уровне приближения), тот факт, что поле обычно увеличивается к центру Земли, означает, что кривизна на стороне орбиты, ближайшей к Земле, несколько больше, чем на противоположной стороне, так что орбита имеет слегка некруглую, с (вытянутой) циклоидальной формой, а направляющий центр медленно движется перпендикулярно как к силовой линии, так и к радиальному направлению. Направляющий центр циклотронной орбиты, вместо того чтобы двигаться точно вдоль силовой линии, поэтому медленно дрейфует на восток или запад (в зависимости от знака заряда частицы), и локальная силовая линия, соединяющая две зеркальные точки в любой момент, медленно выметает поверхность, соединяющую их, по мере своего движения по долготе. В конце концов частица будет дрейфовать полностью вокруг Земли, и поверхность замкнется сама на себя. Эти дрейфовые поверхности, вложенные друг в друга, как кожура луковицы, являются поверхностями постоянной L в системе координат Мак-Илвейна. Они применимы не только для идеального дипольного поля, но и для полей, которые приблизительно дипольны. Для данной частицы, пока задействована только сила Лоренца, B и L остаются постоянными, и частицы могут быть захвачены на неопределенный срок. Использование координат ( B , L ) дает нам способ отображения реального, недипольного земного или планетарного поля в координаты, которые ведут себя по существу как координаты идеального диполя. Параметр L традиционно обозначается в радиусах Земли, точки, где оболочка пересекает магнитный экватор, эквивалентного диполя. B измеряется в гауссах.
В модели центрированного дипольного магнитного поля путь вдоль заданной L-оболочки можно описать как [5] где — радиальное расстояние (в планетарных радиусах) до точки на линии, — ее геомагнитная широта , а — интересующая L-оболочка.
Для Земли L-оболочки однозначно определяют области особого геофизического интереса. Определенные физические явления происходят в ионосфере и магнитосфере на характерных L-оболочках. Например, авроральные световые проявления наиболее распространены около L=6, могут достигать L=4 во время умеренных возмущений, а во время самых сильных геомагнитных бурь могут приближаться к L=2. Радиационные пояса Ван Аллена примерно соответствуют L=1,5–2,5 , а L=4–6 . Плазмопауза обычно составляет около L=5.
Магнитное поле Юпитера является самым сильным планетарным полем в солнечной системе. Его магнитное поле захватывает электроны с энергией более 500 МэВ [6] Характерные L-оболочки: L=6, где распределение электронов претерпевает заметное ужесточение (увеличение энергии), и L=20-50, где энергия электронов уменьшается до режима VHF , и магнитосфера в конечном итоге уступает место солнечному ветру. Поскольку захваченные электроны Юпитера содержат так много энергии, они легче диффундируют через L-оболочки, чем захваченные электроны в магнитном поле Земли. Одним из следствий этого является более непрерывный и плавно меняющийся радиоспектр, испускаемый захваченными электронами в гирорезонансе .
