Магнитосфера Земли представляет собой полость в солнечном ветре, обязанную магнитному полю Земли. Внешний вид этой полости схематически изображен на рис. 9.2.2. "Подсол- нечная" точка на границе магнитосферы отстоит от Земли на расстоянии ~ 60 000 км, боковая поверхность полости отстоит на расстоянии до ~ 500 000 км, а хвост протянулся на многие миллионы километров. Нейтральна! точка Солнечный ветер ьиловые линии магнитного диполя Рис. 9.2.2. Общая схема магнитосферы В первом приближении граница магнитосферы (ее называют "магнитопаузой") определяется из условия равенства газокинетического давления солнечного ветра О (9.2.1а) 1) Мы не учитываем силовой эс( поскольку он относительно мал рект от магнитного поля, вмороженного в солнечный ветер, 9.2. Магнитосфера Земли 475 и давления магнитного поля в магнитосфере (Ж -С) = П Р 8^ (9.2.16) м-с В (9.2.1а) ~ vn — нормальная к магнитопаузе компонента скорости солнечного ветра, / = 1—2 — показатель упругости отражения, рСв — давление в ветре. В подсолнечной части магнитосферы напряженность поля ~ 10~3Э, что заметно больше магнитного поля земного диполя на данном расстоянии. Очевидно, это результат токов, текущих в магнитопаузе. Параметры солнечного ветра на орбите Земли в случае спокойного Солнца приведены в таблицах 9.1 и 9.2. Таблица 9.1 Скорость Концентрация потоков Температура протонов Температура электронов Напряженность магнитного поля Плотность потока протонов Плотность потока кинетической энергии 400 км/с ~ бсм~3 5- 104К 1,5- 105К 5- 10~5Э 2,4- 108смс О,3эрг-см~2сек~1 Таблица 9.2 Компоненты солнечного ветра 'н+ 4Не+ 3Не+ 0+ % 96 4 1,7- 10 5-Ю-2 Структура магнитосферы сложна, и она все время изменяется как за счет враще- ния Земли вокруг оси, так и движения по орбите. Поэтому рассмотрим простейший случай, когда магнитная ось Земли и радиус- вектор Солнце-Земля перпендикулярны друг другу. В этом случае картина маг- нитных силовых линий в плоскости, проходящей через магнитную ось и Солнце, будет иметь вид, изображенной на рис. 9.2.2, а объёмная структура поля — как на рис. 9.2.3. Как видно, на дневной стороне выделяются 4 разделяющих поверх- ности. Это 1 — ударная волна, тормозящая солнечный ветер (СВ), далее идет 2 — "магнитопауза", где оканчивается магнитное поле Земли, поджатое СВ. К границе 2 примыкает входной слой, в который проникает плазма непосредственно из СВ. Следующая поверхность раздела — "плазмопауза" C). Это граница между "почти пустой" зоной магнитного поля и плазмосферой, которая пополняется частицами в основном из ионосферы, и, наконец, поверхность 4 — граница между плазмосферой и ионосферой. На этой границе происходит переход от слабоионизованной плазмы ионосферы к сильноионизованной плазме плазомсферы. Область между ударной волной A) и магнитопаузой называется "магнитным переходным слоем", в котором происходит переход магнитного поля СВ к полю магнитосферы. 476 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика Направление на Солнце Рис. 9.2.3. Объёмная схема магнитного поля и токов в магнитосфере. Светлыми широкими стрелками показаны токи в магнитопаузе и в плазменном слое, кольцевой и продольные токи Характерной особенностью магнитосферы является ее хвост. Он образован двумя магнитными потоками противоположного направления, разделенных нейтральным слоем, в котором течет ток, так, как показано на рис. 9.2.3. Магнитные силовые линии как дневной, так и вечерней сторон в основном входят в земную атмосферу преимущественно в районе магнитных полюсов. Здесь нахо- дятся расширяющиеся воронки (каспы), образованные силовыми линиями, которые разделяют их на те, которые проходят по дневной стороне и те, которые уходят на ночную сторону. Таким образом, это сепаратрисная зона. На этих рисунках видно, что сепаратрисная зона на дневной стороне выходит в магнитопаузу и в солнечный ветер. В свою очередь вблизи Земли эта сепаратриса при спокойном Солнце располагается в окрестности ~ 70° геомагнитной широты (т.е. вблизи магнитного полюса). И вот оказалось — сначала это было обнаружено путем анализа наблюдений из разных точек Земли, а затем непосредственно сфо- тографировано из Космоса, что полярные сияния сосредоточены в зоне сепаратрисы на расстоянии ~ 100-150км над поверхностью Земли (рис. 9.2.4). И этот красивый во всех отношениях факт понятен. Через касп врываются вглубь магнитосферы частицы из солнечного ветра и, за счет дрейфа и конвекции в неоднородном поле, растекаются, — хотя и достаточно хаотично (см. рассказ Ушакова на стр. 472) по всему азимуту. Зоны полярных сияний получили название "авроральных овалов". Стороны овалов могут быть сравнительно узкими — порядка километра, это во время спокойной магнитной обстановки, а могут расшириться до тысячи километров во время сильных магнитных бурь и спускаться далеко к югу, захватывая Скан- динавию и более южные районы. Высота, на которой располагается овал, связана с плотностью атмосферы, которая собственно и светит. О динамике плазмы около и в магнитосфере 0. Течения плазмы в окрестности и внутри магнитосферы многообразны. Даже если ограничиться периодами спокой- ного Солнца, то и тогда картина весьма сложна. Поэтому, не пытаясь нарисовать 1) Напомним, что в п. 2.7.2 приведены результаты численного расчёта двумерной картины обтекания магнитного поля сверхзвуковым потоком. 9.2. Магнитосфера Земли 477 а День Ночь б день Ночь Рис. 9.2.4. Северный авроральный овал Земли: а — в виде узкого кольца в магнитоспокойные периоды и б — в виде заштрихованной области в магнитовозмущенные периоды. Цифрами указаны высоты овала над поверхностью Земли сколько-нибудь полную картину, отметим ряд специфических особенностей динами- ки плазменных потоков, порожденных непосредственно солнечным ветром. (а) Бесстолкновительная ударная волна. Плазменный поток, идущий от Солнца, является сверхсигнальным, т. е. сверх- звуковым и сверхальфвеновским (число Маха ~ 7), поэтому его торможение на магнитом поле Земли связано с образованием ударной волны. Толщина фронта этой волны в подсолнечной области составляет порядка 100-200 км. Это волна бесстолкновительная, поскольку свободный пробег частиц до и после прохождения фронта составляет величину ~ 100 млн. км, что несоизмеримо с наблюдаемой толщи- ной фронта. Между фронтом ударной волны и магнитопаузой в подсолнечной зоне расстояние ~ 20000 км и приблизительно в слое такого масштаба приторможенная плазма солнечного ветра обтекает магнитосферу. В подсолнечной области магнито- пауза удалена от Земли на расстояние ~ 70000 км. Пройдя ударную волну, плазма греется до температур Т ~ 100-300 эВ. Наряду с втеканием плазмы в каспы из переходного магнитослоя, происходит и "непо- средственное" проникновение плазмы в магнитное поле магнитосферы, образуя так называемый входной слой. В целом это нерегулярный процесс, в существенной степени определяемый взаимодействием магнитного поля, приносимого солнечным ветром с полем магнитосферы. Здесь важную роль играет механизм пересоединения магнитных силовых линий. Остановимся подробнее на роли процесса пересоединения магнитных силовых линий в захвате плазмы магнитосферой. Этот механизм, эквивалентный терринг- моде, был предложен в 1961 году астрофизиком Данжи. Его идея, по сути, проста (рис. 9.2.5) и сводится к следующему. Солнечный ветер несет магнитное поле. По- этому после прохождения ударной волны магнитное поле солнечного ветра вступает в зону магнитного поля магнитосферы, и происходит взаимодействие двух полей. Будем для наглядности считать, что силовые линии поля в набегающем потоке лежат в той же плоскости, что и на рис. 9.2.3 и направлены строго либо сверху вниз (рис. 9.2.56), либо наоборот (рис. 9.2.5а). Как видно на рис. 9.2.56, в этом случае возникает х-точка, и зона солнечного ветра оказывается соединенной с внутренней зоной магнитосферы. При этом проник- новение внешнего поля (т. е. положение х-точки) в магнитосферу будет тем глубже, чем больше поле ветра. Но если магнитное поле ветра направлено снизу вверх (рис. 9.2.5а), то перестройки морфологии силовых линий в зоне взаимодействия разных магнитных полей не происходит. И это хорошо подтверждают наблюдения в космосе (ход магнитного поля в солнечном ветре) и одновременно на Земле (возмущения магнитного поля магнитосферы, полярные сияния). (б) Течение плазмы в объёме магнитосферы и в хвосте. 478 Гл. 9. Процессы в космосе и плазмодинамика Н i а б Рис. 9.2.5. Модель Данжи взаимодействия магнитного поля солнечного ветра с магнитным полем Земли: а — поля совпадают по направлению; б — поля противоположны по направлению. Н отмечены области вблизи нейтральных линий магнитного поля Входя в поле магнитосферы — вне каспов, на дневной стороне, плазма движется на ночную сторону в приповерхностном слое под действием ряда факторов, и в том числе вязкостных сил со стороны обтекающего солнечного ветра. Безусловно, как на входе плазмы в магнитосферу, так и на ее дальнейшее движение влияют электро- статические поля, возникающие благодаря конечным размерам магнитосферы в на- правлении, перпендикулярном и Н и vcb- Т.е. здесь может проявляться ситуация, описанная в п. 3.8.3. Но, так или иначе, плазма, попадая на ночную сторону магнитосферы, как показывают наблюдения, лишь частично уходит в хвост, а часть ее вместе с вмо- роженным магнитным полем дрейфует на дневную сторону. Казалось естественно было бы ожидать спокойного течения плазмы, хотя бы в хвосте. Однако есть все основания считать, что этот биполярный магнитный поток неустойчив по отношению к тиринг-моде, и в нем также происходят перезамыкания, как показано на рис. 9.2.6. В результате, за счет срабатывания натяжения магнитных силовых линий, часть плазмы из хвоста выбрасывается в сторону Земли, а часть в дальние зоны хво- ста, способствуя его удлинению. Модель перезамыкания магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы была также предложена Данжи. Но наряду с этой схемой обсуждается и другой механизм перетекания плазмы с ночной на дневную сторону — просто за счет давления в перенесенной плазме и связанного с ней вмороженного поля. Это модель Аксфорда и Хайнса. Весьма вероятно предположение о работе обоих механизмов. Уже приведенный беглый обзор нескольких фрагментов динамики плазмы и поля в магнитосфере говорит, насколько там все не просто [229].
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Характерные особенности магнитосферы» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
называется "магнитным 