stringtranslate.com

Гелиосферный токовый слой

Гелиосферный токовый слой

Гелиосферный токовый слой , или межпланетный токовый слой , представляет собой поверхность, разделяющую области гелиосферы , где межпланетное магнитное поле направлено в сторону Солнца и от него . [1] Небольшой электрический ток с плотностью тока около 10–10 А /м 2 течет внутри этой поверхности, образуя токовый слой, ограниченный этой поверхностью. [2] [3] [4] Форма токового слоя является результатом влияния вращающегося магнитного поля Солнца на плазму в межпланетной среде . [5] Толщина токового слоя около 10 000 км (6 200 миль) вблизи орбиты Земли.

Характеристики

Форма юбки балерины.

Спираль Паркера

Когда Солнце вращается, его магнитное поле скручивается в архимедову спираль , распространяясь через Солнечную систему. Это явление часто называют спиралью Паркера , в честь работы Юджина Паркера [6] , предсказавшего структуру межпланетного магнитного поля. Спиральная природа магнитного поля гелиосферы была отмечена ранее Ханнесом Альфвеном [7] на основании строения хвостов комет.

Влияние этого спиралевидного магнитного поля на межпланетную среду ( солнечный ветер ) создает самую большую структуру в Солнечной системе — гелиосферный токовый слой. Спиральное магнитное поле Паркера было разделено на две части токовым слоем [8] — математической моделью , впервые разработанной в начале 1970-х годов Шаттеном. Он принимает волнистую спиральную форму, напоминающую юбку балерины . [9] [10] Волнистость токового слоя обусловлена ​​углом наклона оси диполя магнитного поля к оси вращения Солнца и отклонениями от идеального дипольного поля. [11]

В отличие от привычной формы поля стержневого магнита , расширенное поле Солнца скручивается в арифметическую спираль под магнитогидродинамическим влиянием солнечного ветра . Солнечный ветер распространяется от Солнца со скоростью 200-800 км/с, но отдельная струя солнечного ветра из определенного объекта на поверхности Солнца вращается вместе с вращением Солнца , образуя в пространстве спиральный узор. Причину этой спиралевидной формы балерины иногда называют «эффектом садового разбрызгивателя» или «эффектом садового шланга», [12] [13] , потому что ее сравнивают с разбрызгивателем газонов с соплом, которое движется вверх и вниз во время вращения; поток воды представляет собой солнечный ветер. Однако, в отличие от струи спринклера, солнечный ветер связан с магнитным полем за счет МГД- эффектов, так что силовые линии магнитного поля привязаны к материалу струи и принимают форму арифметической спирали.

Форма спирали Паркера солнечного ветра меняет форму магнитного поля Солнца во внешней Солнечной системе : за пределами примерно 10–20 астрономических единиц от Солнца магнитное поле имеет почти тороидальную форму (направленную вокруг экватора Солнца), а не полоидальный (направленный от северного к южному полюсу, как в стержневом магните) или радиальный (направленный наружу или внутрь, как можно было бы ожидать от потока солнечного ветра, если бы Солнце не вращалось). Спиральная форма также значительно усиливает силу солнечного магнитного поля во внешней Солнечной системе.

Спираль Паркера может быть ответственна за дифференциальное вращение Солнца , при котором полюса Солнца вращаются медленнее (период вращения около 35 дней), чем экватор (период вращения около 27 дней). Солнечный ветер направляется магнитным полем Солнца и, следовательно, в основном исходит из полярных областей Солнца; индуцированная спиральная форма поля вызывает момент сопротивления на полюсах из-за силы магнитного натяжения .

Во время солнечного максимума все магнитное поле Солнца переворачивается, таким образом меняя полярность поля в каждом солнечном цикле . [14]

Магнитное поле

Гелиосферный токовый слой вращается вместе с Солнцем с периодом около 25 суток, за это время вершины и впадины юбки проходят через магнитосферу Земли, взаимодействуя с ней. Вблизи поверхности Солнца магнитное поле, создаваемое радиальным электрическим током в слое, имеет порядок5 × 10 −6  Тл . [2]

Магнитное поле на поверхности Солнца составляет около10 −4  Тл . Если бы поле имело форму магнитного диполя , его напряженность уменьшалась бы пропорционально кубу расстояния, в результате чего примерно10 −11  Тл на орбите Земли. Гелиосферный токовый слой приводит к появлению мультипольных компонентов более высокого порядка, так что фактическое магнитное поле на Земле, создаваемое Солнцем, в 100 раз больше.

Электрический ток

Электрический ток в токовом слое гелиосферы имеет радиальную составляющую (направленную внутрь), а также азимутальную составляющую, причем радиальная цепь замыкается внешними токами, выровненными по магнитному полю Солнца в полярных областях Солнца. Радиальный ток в цепи имеет порядок3 × 10 9  ампер . [2] По сравнению с другими астрофизическими электрическими токами, токи Биркеланда , питающие полярное сияние на Земле, примерно в тысячу раз слабее и составляют миллион ампер. Максимальная плотность тока в листе порядка10 −10  А/м 2 (10 -4  А/км 2 ).

История

Гелиосферный токовый слой был открыт Джоном М. Уилкоксом и Норманом Ф. Нессом , которые опубликовали свои открытия в 1965 году. [15] Ханнес Альфвен и Пер Карлквист размышляют о существовании галактического токового слоя, аналога гелиосферного токового слоя, с предполагаемым галактическим током от 10 17 до 10 19 ампер, который может течь в плоскости симметрии галактики. [16]

Рекомендации

  1. ^ «Гелиосферный ток» Смит, Э.Дж., Журнал геофизических исследований 106, A8, 15819, 2001.
  2. ^ abc Израильевич, PL и др. , «МГД-моделирование трехмерной структуры токового слоя гелиосферы. Архивировано 23 марта 2017 г. в Wayback Machine » (2001) Астрономия и астрофизика , т.376, стр.288–291.
  3. ↑ Звезда с двумя северными полюсами. Архивировано 18 июля 2009 г. в Wayback Machine , 22 апреля 2003 г., Science @ NASA.
  4. ^ Райли, Пит; Линкер, Дж.А.; Микич, З., «Моделирование гелиосферного токового слоя: вариации солнечного цикла», (2002) Журнал геофизических исследований (космическая физика), том 107, выпуск A7, стр. SSH 8-1, CiteID 1136, DOI 10.1029/2001JA000299. (Полный текст заархивирован 14 августа 2009 г. на Wayback Machine )
  5. ^ "Художественная концепция гелиосферного токового листа". Архивировано из оригинала 1 сентября 2006 года . Проверено 20 ноября 2005 г.{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
  6. ^ Паркер, Э.Н., «Динамика межпланетного газа и магнитных полей», (1958) Astrophysical Journal , vol. 128, стр.664
  7. ^ «К теории кометных хвостов», Х. Альфвен, Теллус 9, 92, 1957.
  8. ^ «Текущая листовая магнитная модель солнечной короны», К. Х. Шаттен, Космическая электродинамика, 2, 232–245, 1971.
  9. ^ Розенберг, Р.Л. и П.Дж. Коулман-младший, Зависимость доминирующей полярности межпланетного магнитного поля от гелиографической широты, J. Geophys. Рез. , 74 (24), 5611–5622, 1969.
  10. ^ Уилкокс, Дж. М.; Шеррер, PH; Хоксема, Дж.Т., «Происхождение искривленного гелиосферного токового слоя» (1980)
  11. ^ Оуэнс, MJ; Форсайт, Р.Дж. (2013). «Гелиосферное магнитное поле». Живые обзоры по солнечной физике . 10 (1): 11. arXiv : 1002.2934 . Бибкод : 2013LRSP...10....5O. дои : 10.12942/lrsp-2013-5. S2CID  122870891.
  12. ^ Луиза К. Харра, Кейт О. Мейсон, Космическая наука 2004, Imperial College Press, ISBN 1-86094-361-6 
  13. ^ Смит, Э., «Солнце, солнечный ветер и магнитное поле, архивированные 5 февраля 2008 г. в Wayback Machine », июль 1999 г., Труды Международной школы физики Энрико ФЕРМИ Варенна, Италия
  14. ^ Барбье, Бет. «Космикопия НАСА - Солнце - Магнитное поле Солнца». Архивировано из оригинала 2 декабря 1998 г.
  15. ^ Уилкокс, Джон М.; Несс, Норман Ф. (1965). «Квазистационарная коротирующая структура в межпланетной среде». Журнал геофизических исследований . 70 (23): 5793–5805. Бибкод : 1965JGR....70.5793W. дои : 10.1029/JZ070i023p05793. hdl : 2060/19660001924 . S2CID  121122792.
  16. ^ Альфвен, Ханнес; Карлквист, Пер (1978). «Межзвездные облака и образование звезд». Астрофизика и космическая наука . 55 (2): 487–509. Бибкод : 1978Ap&SS..55..487A. дои : 10.1007/bf00642272. S2CID  122687137.

Внешние ссылки