Учеба  ->  Среднее образование  | Автор: Абрамова М. В. | Добавлено: 2015-01-28

Магнитосфера и полярное сияние

Исследования магнитосферы и верхней атмосферы Земли исключительно важны для освоения космического пространства. Вопросы радиационной безопасности космонавтов, космической радиосвязи и навигации, прогноза изменения орбит спутников вследствие их торможения в атмосфере, использования спутников в качестве обсерваторий, вынесенных за пределы поглощающей атмосферы, проблемы, связанные с изучением и освоением Луны, Венеры, Марса и других тел Солнечной системы, требуют от геофизиков детального знания количественных характеристик околоземного пространства и понимания физической природы происходящих там процессов. Сходные явления исследуются и на других планетах.

Кроме Земли, магнитосфера обнаружена у Марса, Юпитера, Сатурна, Меркурия. На Венере и Луне магнитное поле практически отсутствует, и магнитосфер нет, хотя обтекание этих планет солнечным ветром вблизи этих тел Солнечной системы весьма своеобразное явление. Тем интереснее выяснить, почему из планет земной группы только у Земли существует протяженная магнитосфера с огромным количеством плазменных процессов, разнообразием типов полярных сияний, поясами радиации (магнитной ловушкой) и длинным магнитным шлейфом.

На основании анализа измерений геомагнитного поля во многих районах земного шара было установлено, что в среднем оно близко к полю простого магнитного диполя, расположенного в центре Земли, с осью, примерно на 11° (это приводит к различному положению на Земле географических и магнитных поясов). На это основное магнитное поле накладываются как мелкомасштабные аномалии (например, Курская магнитная аномалия), так и крупномасштабные («мировые») аномалии. Наиболее значительные мировые аномалии расположены над территорией Сибири (здесь магнитное поле значительно превышает среднее), над Южной Америкой и над Атлантикой (здесь поле аномально мало). Мировые аномалии оказывают большое влияние на движение заряженных частиц в поясах радиации до высот в несколько тысяч км от поверхности Земли, мелкомасштабные аномалии почти не заметны уже на высотах порядка сотни км. При помощи спутников была проведена детальная мировая магнитная съемка на различных высотах.

Шлейф образован двумя пучками силовых линий с противоположным направлением магнитного поля: пучком, выходящим из южной полярной шапки и уходящим на ночную сторону, и пучком, приходящим из далёких областей шлейфа в северную полярную шапку. Поскольку магнитные силовые линии не могут иметь конца, оба пучка где-то далеко от Земли постепенно соединяются – частично между собой, частично с силовыми линиями межпланетного магнитного поля, несомого солнечным ветром. Но конца шлейфа, находящегося на расстояниях – 1000 Лз или более, космические корабли ещё не обнаружили, и его свойства пока не изучены. В наблюдаемом шлейфе пучки силовых линий противоположного направления разделены областью очень слабого поля, в которой концентрируется сравнительно горячая плазма с температурой в млн. градусов. Плазма своим давлением «расталкивает» эти пучки, препятствуя аннигиляции (взаимному уничтожению) магнитного поля в шлейфе. «Рога» этого плазменного слоя опускаются к овалам полярных сияний над Землёй. Пока ещё остаётся неясным, поступают ли частицы этой плазмы только из солнечного ветра или же частично и из земной ионосферы над полярными шапками. Поскольку земная ионосфера несравненно богаче ионами О+, Не+, N+, O+2, NO +, M+, чем солнечный ветер, определение состава ионов в плазме шлейфа позволит решить проблему её происхождения. Более плотная и горячая плазма в магнитосфере наблюдается на замкнутых силовых линиях, проходящих от южного полушария к северному. Эта область, называемая плазменным слоем, вместе со шлейфом весьма подвижна и особенно активна во время полярных сияний, когда в ней появляются интенсивные потоки корпускул – электронов и ионов, проникающие сверху глубоко в атмосферу и вызывающие её свечение. Поэтому вся эта область называется также зоной авроральной радиации (Аврора – богиня утренней зари у римлян). Оказывается, что полярное сияние (особенно слабое) происходит непрерывно вдоль границы между силовыми линиями, уходящими в шлейф, и силовыми линиями, которые через экваториальную плоскость идут из южного полушария в северное.

Проекции области полярных сияний на Землю имеют форму овалов вокруг северного и южного геомагнитных полюсов. Эти овалы, где вероятность наблюдения полярных сияний максимальна, называются овальными зонами полярных сияний (рис.4).

Полярные сияния на дневной стороне овала вызываются прорывом в магнитосферу частиц солнечного ветра (точнее, частиц из переходной области) в силовые трубки геомагнитного поля, прилегающие изнутри к магнитопаузе. В меридиональной плоскости эти силовые трубки расположены вблизи тех, которые в северной и южной половине магнитосферы проходят через её нейтральные точки – две области на обращённой к Солнцу стороне, где магнитные силовые линии резко расходятся – одни в шлейф магнитосферы, а другие – к экваториальной плоскости. Здесь возникает своеобразная «щель», или «дневной касп», по которому плазма из переходной области может опускаться вплоть до ионосферы. Картина электрических токов, текущих по магнитопаузе, а также токов вдоль магнитных силовых линий, замыкающих их через ионосферу, непостоянна и пока недостаточно изучена. Благодаря изменениям этих токов, возможна аннигиляция магнитного поля Земли и магнитного поля в набегающем потоке солнечного ветра. Такая аннигиляция наиболее вероятна на передней кромке магнитосферы – магнитопаузе, когда магнитное поле в солнечном ветре направлено с севера на юг, то есть противоположно направлению земного магнитного поля. Равновесие в магнитосфере при этом нарушается, и через некоторое время происходит аннигиляция противоположно направленных магнитных полей в хвосте магнитосферы. В такое время происходят наиболее частые и мощные полярные сияния. Любопытно, что и хромосферные вспышки на Солнце также возникают тогда, когда сближаются противоположно направленные магнитные поля в областях солнечных пятен. Поэтому физика процессов, вызывающих вспышку полярного сияния и хромосферную вспышку, по-видимому, одна и та же. Внутренняя часть магнитосферы, включающая в себя магнитные силовые линии, выходящие из Земли на низких и средних широтах, в меньшей степени реагирует на активные процессы, происходящие во внешней её части во время магнитных бурь и полярных сияний. Здесь оказывается возможным длительный захват электронов и ионов с энергиями в десятки кЭв и более в магнитную ловушку, образуемую геомагнитным полем. Частицы высоких энергий, находящиеся в зоне захвата, образуют вокруг геомагнитной оси симметричные пояса радиации. В первые годы после их открытия (1958 г.) обсуждался вопрос о числе таких поясов. Как выяснилось, вопрос этот в основном формален, т.к. каждый тип частиц в соответствии со своей энергией обладает характерным распределением в околоземном пространстве, т.е. образует «свой пояс». Всё же удобно выделить сравнительно спокойную внутреннюю зону на низких и средних широтах и более переменную, и обширную внешнюю зону на средних и высоких широтах, сливающуюся с зоной авроральной радиации, или плазменным слоем.

Структура магнитосферы относится к спокойным условиям. Однако, во время мощного полярного сияния магнитные поля, создаваемые потоками частиц, по-видимому, заметно искажают даже общие контуры магнитосферы, причём особенно большие изменения происходят в зоне авроральной радиации. Во внешней зоне образуется исключительно интенсивный, но недолговечный пояс протонов и электронов невысоких энергий, создающий кольцевой ток магнитной бури. Однако картина магнитосферы в эти бурные периоды ещё недостаточно исследована.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)