Магнитопауза - Magnetopause

Художественное воспроизведение магнитопаузы Земли. Магнитопауза - это место, где давление солнечного ветра и магнитного поля планеты равны. Положение Солнца на этом изображении будет далеко левее.

В магнитопауза резкая граница между магнитосфера и окружающие плазма. За планетология магнитопауза - это граница между магнитным полем планеты и Солнечный ветер. Расположение магнитопаузы определяется балансом между давлением динамического магнитного поля планеты и динамическим давлением солнечного ветра. Когда давление солнечного ветра увеличивается и уменьшается, магнитопауза перемещается внутрь и наружу в ответ. Волны (рябь и колебательное движение) вдоль магнитопаузы движутся в направлении потока солнечного ветра в ответ на мелкомасштабные изменения давления солнечного ветра и Неустойчивость Кельвина – Гельмгольца.

Солнечный ветер сверхзвуковой и проходит через ударная волна где направление потока изменяется так, что большая часть плазмы солнечного ветра отклоняется в обе стороны от магнитопаузы, подобно тому, как вода отклоняется перед носом корабля. Зона ударной плазмы солнечного ветра - это магнитослой. На Земле и на всех других планетах с собственными магнитными полями некоторая часть плазмы солнечного ветра успевает проникнуть в магнитосферу и оказаться в ней. На Земле плазма солнечного ветра, которая входит в магнитосферу, образует плазменный лист. Количество плазмы солнечного ветра и энергии, поступающей в магнитосферу, регулируется ориентацией межпланетное магнитное поле, который вложен в солнечный ветер.

Солнце и другие звезды с магнитными полями и звездными ветрами имеют солнечную магнитопаузу или гелиопауза где звездное окружение ограничено межзвездным окружением.

Характеристики

Схематическое изображение планетарного дипольного магнитного поля в вакууме (справа), деформированного областью плазмы с бесконечной проводимостью. Солнце находится слева. Конфигурация эквивалентна изображению диполя (зеленая стрелка), размещенному на удвоенном расстоянии от планетарного диполя до границы взаимодействия.^[1]

До эпохи освоения космоса межпланетное пространство считалось вакуумом. Совпадение Кэррингтон супер вспышка и супергеомагнитное событие 1859 г. было доказательством того, что плазма выбрасывалась из Солнца во время вспышки. Чепмен и Ферраро ^[2][3][4][5] предположил, что плазма была испущена Солнцем в виде вспышки как части вспышки, которая нарушила магнитное поле планеты способом, известным как геомагнитная буря. Частота столкновений частиц в плазме межпланетной среды очень мала, а электропроводность настолько высока, что ее можно было бы приблизить к бесконечному проводнику. Магнитное поле в вакууме не может проникать в объем с бесконечной проводимостью. Чепмен и Бартельс (1940)^[1] проиллюстрировал эту концепцию, постулировав пластину с бесконечной проводимостью, расположенную на дневной стороне диполя планеты, как показано на схеме. Линии поля на дневной стороне изогнуты. На низких широтах силовые линии магнитного поля сдвинуты внутрь. На высоких широтах силовые линии магнитного поля сдвигаются назад и над полярными регионами. Граница между областью, в которой доминирует магнитное поле планеты (т.е. магнитосфера ), а плазма в межпланетной среде - магнитопауза. Конфигурация, эквивалентная плоской бесконечно проводящей пластине, достигается путем размещения диполя изображения (зеленая стрелка слева от схемы) на удвоенном расстоянии от диполя планеты до магнитопаузы вдоль линии планета-Солнце. Поскольку солнечный ветер непрерывно течет наружу, магнитопаузы вверху, внизу и по сторонам планеты уносятся назад в геомагнитный хвост, как показано в концепции художника. Область (показанная розовым на схеме), которая отделяет силовые линии от планеты, которые выталкиваются внутрь, от тех, которые выталкиваются назад через полюса, является областью слабого магнитного поля или дневным куспидом. Частицы солнечного ветра могут проникать в магнитосферу планеты через область каспа. Поскольку солнечный ветер существует всегда, а не только во время солнечных вспышек, магнитопауза - постоянная особенность космоса рядом с любой планетой с магнитным полем.

Силовые линии магнитного поля планеты не являются стационарными. Они непрерывно сливаются или сливаются с силовыми линиями межпланетного магнитного поля. Присоединенные силовые линии возвращаются через полюса в магнитный хвост планеты. В хвосте силовые линии магнитного поля планеты снова соединяются и начинают двигаться к ночной стороне планеты. Физика этого процесса впервые была объяснена Данжи (1961).^[6]

Если предположить, что магнитопауза - это просто граница между магнитным полем в вакууме и плазмой со слабым магнитным полем, встроенным в нее, то магнитопауза будет определяться электронами и ионами, проникающими на один гирорадиус в область магнитного поля. Поскольку гироскопическое движение электронов и ионов происходит в противоположных направлениях, электрический ток течет вдоль границы. Настоящая магнитопауза намного сложнее.^[7]

Оценка расстояния до магнитопаузы

Если пренебречь давлением частиц внутри магнитосферы, можно оценить расстояние до той части магнитосферы, которая обращена к солнце. Условием, регулирующим эту позицию, является то, что динамический давление тарана от Солнечный ветер равно магнитному давлению от земной шар с магнитное поле:

${ displaystyle ( rho v ^ {2}) _ {sw} приблизительно left ({ frac {4B (r) ^ {2}} {2 mu _ {0}}} right) _ {m }}$^{[примечание 1]}

куда ${ displaystyle rho}$ и ${ displaystyle v}$ являются плотность и скорость из Солнечный ветер, иB(р) это напряженность магнитного поля планеты в SI единицы (B в Т, μ₀ в ЧАС /м ).

Поскольку диполь напряженность магнитного поля меняется с расстоянием как ${ displaystyle 1 / r ^ {3}}$ напряженность магнитного поля можно записать как ${ Displaystyle В (г) = В_ {0} / г ^ {3}}$, куда ${ displaystyle B_ {0}}$ магнитный момент планеты, выраженный в ${ Displaystyle [Т cdot м ^ {3}]}$.

${ displaystyle rho v ^ {2} приблизительно { frac {2B_ {0} ^ {2}} {r ^ {6} mu _ {0}}}}$.

Решение этого уравнения относительно r приводит к оценке расстояния

${ displaystyle r приблизительно { sqrt [{6}] { frac {2B_ {0} ^ {2}} { mu _ {0} rho v ^ {2}}}}}$

Расстояние от Земли до подсолнечной магнитопаузы меняется со временем из-за солнечной активности, но типичные расстояния составляют от 6 до 15 R${ displaystyle _ { oplus}}$. Эмпирические модели^[8][9] используя в реальном времени Солнечный ветер данные могут обеспечить оценку местоположения магнитопаузы в реальном времени. А ударная волна стоит выше магнитопаузы. Он служит для замедления и отклонения потока солнечного ветра до того, как он достигнет магнитопаузы.^[10]

Магнитопаузы Солнечной системы

Обзор магнитопаузы Солнечной системы^[11]

Планета	Число	Магнитный момент [заметка 2]	Расстояние магнитопаузы [заметка 3]	Наблюдаемый размер магнитосфера[примечание 4]	отклонение магнитосфера[примечание 5]
Меркурий	1	0.0004	1.5	1.4	0
Венера	2	0	0	0	0
земной шар	3	1	10	10	2
Марс	4	0	0	0	0
Юпитер	5	20000	42	75	25
Сатурн	6	600	19	19	3
Уран	7	50	25	18	0
Нептун	8	25	24	24.5	1.5

Исследования магнитопаузы проводятся с использованием системы координат LMN (которая представляет собой набор осей типа XYZ). N указывает перпендикулярно магнитопаузе по направлению к магнитослою, L лежит вдоль проекции оси диполя на магнитопаузу (положительное направление на север), а M завершает триаду, указывая на рассвет.

Венера и Марс не имеют планетарного магнитного поля и магнитопаузы. Солнечный ветер взаимодействует с атмосферой планеты^[12] и за планетой создается пустота. В случае Луны Земли и других тел без магнитного поля или атмосферы, поверхность тела взаимодействует с солнечным ветром, и за телом создается пустота.

Смотрите также

• Гелиопауза
• Ударная волна
• Солнечная система
• Для приложений к двигательная установка космического корабля, видеть магнитный парус
• Список статей по физике плазмы

Примечания

Рекомендации

• Планетные атмосферы.