Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu 		 
Na saite
Astrometriya
Astronomicheskie instrumenty
Astronomicheskoe obrazovanie
Astrofizika
Istoriya astronomii
Kosmonavtika, issledovanie kosmosa
Lyubitel'skaya astronomiya
Planety i Solnechnaya sistema
Solnce

Magnitosfery planet

1. Vvedenie
2. Magnitosfera Zemli
3. Sravnitel'naya harakteristika i osobennosti planetnyh magnitosfer

1. Vvedenie

M. p. predstavlyayut soboi kaverny (polosti), formiruyushiesya v sverhzvukovom potoke goryachei zamagnichennoi plazmy solnechnogo vetra (SV) blagodarya ego vzaimodeistviyu s magn. polem planet. Tol'ko v samom grubom priblizhenii mozhno schitat', chto magn. pole planety polnost'yu vytesnyaet plazmu SV iz takoi kaverny. Na samom dele kak mezhplanetnaya, tak i ionosfernaya plazma nahodyat svoi puti proniknoveniya v magnitosferu (M). Pomimo etogo, v magnitnyh lovushkah, obrazuemyh magn. polem planet, mogut uderzhivat'sya chasticy, uskorennye do ochen' bol'shih energii. Vzaimodeistvie razlichnyh potokov plazmy mezhdu soboi i ih dvizhenie poperek magn. polya privodyat k generacii elektrich. polei i tokov, shirokogo spektra plazmennyh kolebanii, el.-magn. izlucheniya i k uskoreniyu chastic. Chast' el.-magn. izlucheniya v radiodiapazone mozhet vyhodit' iz M, delaya planetu svoeobraznym radioistochnikom dlya vnesh. nablyudatelya. M chutko reagiruet na izmenenie parametrov vnesh. plazmennogo potoka - SV - i redko nahoditsya v sostoyanii pokoya. Ona sposobna nakaplivat' energiyu i zatem vysvobozhdat' ee vzryvnym obrazom.

Blagodarya poletam avtomatich. KA k planetam M razlichnogo vida obnaruzheny u shesti planet, orbity k-ryh raspolozheny v predelah ot 0,3 a. e. (Merkurii) do 10 a. e. (Saturn). Na etom rasstoyanii parametry SV menyayutsya na nesk. poryadkov. Takzhe na nesk. poryadkov otlichayutsya magnitnye polya na poverhnosti etih planet. Tem ne menee M. p. sohranyayut mnogo obshih chert.

Schitaya M Zemli svoeobraznym etalonom, k-ryi ispol'zuetsya dlya sravnitel'nogo opisaniya M dr. planet, my rassmotrim ee otdel'no.

2. Magnitosfera Zemli

Obshaya struktura.
Iz-za ideal'noi provodimosti plazmy SV magn. silovye linii zemnogo dipolya no mogut proniknut' v natekayushii SV (sm. Magnitogidrodinamika) i obrazuyut v pervom priblizhenii pustuyu magn. polost' okolo Zemli, nazyvaemuyu M. V etom zhe priblizhenii forma M (ris. 1) opredelyaetsya balansom dinamich. davleniya SV i davleniya magn. polya Zemli. Tak, v podsolnechnoi tochke (tochka na pryamoi, soedinyayushei centr Zemli s Solncem) granicy M - magnitopauzy - balans davlenii opredelyaetsya vyrazheniem:
$2nm_p v^2={1\over {8\pi}}\left( {2M_Z'\over{D_Z^3}}\right)^2$ , (1)
gde M'Z - dipol'nyi magn. moment Zemli, DZ - rasstoyanie ot centra Zemli do podsolnechnoi tochki, nazyvaemoe inogda radiusom Chepmena-Ferraro, n, v - koncentraciya protonov i skorost' SV, mp - massa protona. Magn. pole na vnutr. storone granicy ravno udvoennoi velichine magn. polya Zemli blagodarya vkladu poverhnostnyh tokov v plazme SV, polnost'yu ekraniruyushih v nem eto pole. Dinamich. davlenie SV takzhe udvaivaetsya blagodarya ego ideal'nomu otrazheniyu ot granicy. Pri tipichnyh parametrah SV (tabl. 1) DZ=9-11 RZ ($R_Z\approx$6400 km - radius Zemli).

M predstavlyaet soboi tupoe prepyatstvie dlya sverhzvukovogo SV. i pered nei na rasstoyanii 13-17 RZ ot centra Zemli obrazuetsya otoshedshaya besstolknovitel'naya udarnaya volna (na ris. 1 pokazana blizhaishei k Solncu poverhnost'yu), otklonyayushaya potok solnechnoi plazmy, k-ryi zatem obtekaet M. Peredacha energii i impul'sa SV v M proishodit lish' blagodarya dissipatpvpym processam, a v otsutstvie poslednih plazma i polya vnutri M nahodyatsya i statich. ravnovesii.

Tabl. 1. Plazma v okrestnosti Zemli
Oblast' Koncentraciya chastic, sm-3 Temperatura ionov, eV Temperatura elektronov, eV Skorost' potoka, km/s Magnitnoe pole B, 10-5 Gs
Solnechnyi veter5-2010-2020-40350-10005-15
Plazmennaya mantiya0,1-5100-20026-40100-20020-30
Plazmennyi sloi0,1-1,0500-5000200-20000-100010-20
Kol'cevoi tok5-20104-105103-100-500
Plazmosfera102-1030,3-10,3-1-102-104
Ionosfera104-1060,1-0,20,1-0,2-$3\cdot 10^4-6-10^4$

Ris. 1. Prostranstvennoe raspredelenie plazmy,
magnitnyh polei i elektricheskih tokov v zemnoi
magnitosfere. Svetlymi shirokimi strelkami
pokazany toki na magnitopauze i v plazmennom
sloe, kol'cevoi i prodol'nye toki. Temnymi
strelkami pokazano napravlenie vrasheniya
plazmosfery sovmestno s Zemlei. Ukazano takzhe
napravlenie konvekcii v hvoste magnitosfery.
Oblast', otmechennaya tochkami, - plazma, sozdayushaya
kol'cevoi tok.
Nesmotrya na to, chto plotnost' energii mezhplanetnogo magn. polya (magn. pole, vmorozhennoe v plazmu SV) sostavlyaet vsego 1% ot plotnosti kinetich. energii SV na orbite Zemli, processy peresoedineniya mezhplanetnyh i zemnyh magn. silovyh linii v sushestvennoi mere opredelyayut strukturu i dinamiku M. Peresoedinenie dolzhno proishodit' v nebol'shoi oblasti na granice M, gde oblagodarya razvitiyu plazmennyh neustoichivostei vozrastaet soprotivlenie plazmy i narushaetsya vmorozhennost' magn. silovyh linii v plazmu. Eto pozvolyaet mezhplanetnym i zemnym magn. silovym liniyam "razorvat'sya" i "peresoedinit'sya" mezhdu soboi (sm., napr., ris. 2). Naibolee blagopriyatnoi dlya protekaniya etih processov yavl. situaciya, kogda mezhplanetnoe magn. pole (MMP) imeet znachit. yuzhnyi komponent, t.e. antiparallel'no zemnomu magn. polyu v podsolnechnoi tochke magnitopauzy (imenno etomu sluchayu sootvetstvuet ris. 2). SV uvlekaet peresoedinennye silovye linii magn. polya Zemli, k-rye zatem obrazuyut protyazhennyi magn. shleif - hvost magnitosfery. Pri etom chast' plazmy SV zatekaet v M, kak eto dolzhno byt' pri gidrodinamich. obtekanii tel, i formiruet plazmennuyu mantnyu(pogrannchnyi sloi) M. Diametr hvosta $\approx 30 R_Z$, a napryazhennost' magnitnogo polya v nem $\approx 3\cdot 10^{-4}$ E. Sledovatel'no, v blizhaishei k Zemle ($\le 30 R_Z$) chasti hvosta zapas energii ~ 1023 erg. V priblizhenii ideal'noi provodimosti SV mezhplanetnoe elektrich. pole E, sootvetstvuyushee dvizheniyu plazmy so skorost'yu i poperek magn. polya B, ravno E ~ vB/c. Nablyudeniya i teoriya peresoedineniya pokazyvayut, chto tol'ko nebol'shaya dolya $\eta\approx$0,1 silovyh linii MMP, padayushih na M, peresoedinyaetsya s zemnymi silovymi liniyami, blagodarya chemu vnutr' M "peredaetsya" elektrich. pole $E\sim\eta vB/c\approx$ 1 mV/m, sootvetstvuyushee raznosti potencialov mezhdu krainimi peresoednnennymi silovymi liniyami MMP. T.o., perepad potenciala elektrich. polya poperek hvosta M $\Delta\varphi_Z=ED_z\sim$ 10-100 kV. Energiyu, postupayushuyu v M iz SV na dnevnoi magnitopauze, mozhno ocenit' kak potok vektora Pointinga cherez ploshad' etoi granicy:
$P_Z\simeq(c/4\pi)EBD_Z^2\approx 3\cdot 10^{11}$ Vt
SV, vytyagivaya peresoedinivshiesya magnitnye silovye linii v hvost M, prodolzhaet sovershat' rabotu protiv sil natyazheniya magnitnyh silovyh linii.

Ris. 2. Konfiguraciya magnitnogo polya i konvekciya
plazmy v vertikal'nom sechenii (perpendikulyarno
ploskosti ekliptiki) magnitosfery Zemli. Napravleniya
techeniya solnechnogo vetra vne magnitosfery i
konvekcii (dreifa) vnutrimagnitosfernoi plazmy
vmeste s vmorozhennymi magnitnymi silovymi liniyami
pokazany strelkami.
Zatekayushaya v M plazma na rasstoyaniyah ot Zemli poryadka 100 RZ dostigaet ploskosti, razdelyayushei severnuyu i yuzhnuyu poloviny hvosta s protivopolozhnymi napravleniyami polya v nih. Pod deistviem szhatiya s obeih storon zdes' magn. silovye linii dvuh polovin hvosta peresoedinyayutsya. V oblasti peresoedineniya formiruetsya neitral'naya liniya, na k-roi magn. pole obrashaetsya v nol'. So storony Zemli peresoedinennye magn. silovye linii obrazuyut magn. lovushku (geomagnitnaya lovushka), v k-roi uderzhivayutsya chasticy plazmennogo sloya (oblast' v hvoste M, zanyataya plazmoi). Pod deistviem natyazheniya magn. silovyh linii proishodit konvekciya (dreif) etoi plazmy k Zemle. Magn. silovye linii, dreifuyushie vmeste s chasticami plazmennogo sloya, v konce koncov obtekayut Zemlyu s obeih storon i vozvrashayutsya k dnevnoi magnitopauze. V stacionarnyh usloviyah temp udaleniya peresoedinennogo magn. potoka s dnevnoi magnitopauzy v hvost M dolzhen ravnyat'sya tempu ego vozvrasheniya iz hvosta na dnevnuyu magnitopauzu. Inymi slovami, stacionarnaya konvekciya trebuet ravenstva tempov peresoedineniya na dnevnoi i nochnoi storonah M. Polnyi cikl konvekcii pri tipichnyh parametrah SV sostavlyaet 3-6 ch. Pri etom v M. inzhektiruetsya energiya ~ 1017-1018 erg/s, v osnovnom v forme goryachei plazmy. Eta energiya rashoduetsya na vysypanie chastic v oblast' polyarnyh siyanii, dzhoulev nagrev ionosfery i formirovanie kol'cevogo toka (sm. nizhe). Zametim, chto anomal'naya vyazkost' mezhdu mezhplanetnoi i magnitosfernoi plazmoi daet v srednem sravnimyi (s effektom peresoedineniya) vklad v stacionarnuyu konvekciyu zamknutyh magn. silovyh linii v M i svyazannuyu s nei inzhekciyu energii v M.

Rassmotrim bolee podrobno processy, proishodyashie vnutri M. Geomagnitnaya lovushka yavl. raznovidnost'yu t.n. lovushek s magn. zerkalami. Dvizhenie otdel'nyh chastic v lovushke slagaetsya v pervom priblizhenii iz vrasheniya (sm. Lorenca sila) vokrug magn. silovoi linii i dvizheniya vdol' magn. polya so skorost'yu v||. Sohranenie pervogo adiabaticheskogo invarianta - magn. momenta chasticy $\mu=mv_\perp^2/2B$ (m - massa chasticy, $v_\perp$ - perpendikulyarnyi magn. polyu komponent ee skorosti) obespechivaet uderzhanie bol'shinstva chastic blagodarya ih otrazheniyu ot magn. zerkal - oblastei usilennogo magn. polya. Pri etom chasticy s bol'shim otnosheniem parallel'nogo i perpendikulyarnogo komponentov skorosti $v_{||}/v_\perp$ (sootvetstvuyushaya oblast' v prostranstve skorostei naz. konusom poter') svobodno prohodyat cherez magn. zerkala v atmosferu. V sleduyushem priblizhenii pod deistviem vnesh. sily F chastica s zaryadom q medlenno (po sravneniyu s vrasheniem i kolebaniem mezhdu magn. zerkalami) dreifuet poperek magn. polya so skorost'yu $v_d=c[{\bf F B}]/qB^2$. V chastnosti, pod deistviem elektrich. polya (F=qE) v hvoste M chasticy dreifuyut no napravleniyu k Zemle. V processe takogo medlennogo elektrich. dreifa naryadu s pervym adiabatich. invariantom sohranyaetsya takzhe i vtoroi adiabaticheskii invariant $I_2=m{\bar v_{||}}L/\pi$ (${\bar v_{||}}$ - sr. skorost' chasticy vdol' magn. polya, L - dlina silovyh linii mezhdu tochkami otrazheniya), svyazannyi s kvaziperiodich. kolebaniyami chastic mezhdu magn. zerkalami. Netrudno zametit', chto pri dreife v storonu Zemli uvelichivaetsya napryazhennost' magn. polya i umen'shaetsya dlina zamknutyh silovyh linii. Vsledstvie sohraneniya adiabatich. invariantov $\mu$ i I2 pri etom uvelichivaetsya kinetich. energiya poperechnogo i prodol'nogo dvizhenii, tak chto energiya chastic plazmennogo sloya dostigaet znachenii poryadka 10 keV dlya ionov i 1 keV dlya elektronov. Iz-za deistviya centrobezhnoi sily ${\bf F}=mv_{||}^2{\bf R}_K/R_K^2$ (RK - radius krivizny magn. silovyh linii) i sily vytalkivaniya "diamagnitnyh" chastic, iz oblasti sil'nogo polya ${\bf F}=-\mu\nabla B$ ($\nabla B$ - gradient magn. polya) voznikayut centrobezhnyi i magn. dreify chastic, k-rye iz-za raznogo napravleniya dreifa elektronov i ionov sozdayut tok poperek hvosta M (ris. 1). Etot tok podderzhivaet protivopolozhnoe napravlenie magn. polya v obeih polovinah hvosta, a vne plazmennogo sloya zamykaetsya tokami po magnitopauze. Rabota magnitosfernogo elektrich. polya nad etim tokom polozhitel'na i idet na upomyanutyi nagrev plazmy v plazmennom sloe. Effektivnost' nagreva $\approx$10%, t.k. energiya chastic okazyvaetsya na poryadok nizhe maksimal'no vozmozhnoi energii $\Delta\varphi_Z\sim 10-10^2$ keV. Sleduet otmetit', chto v processe dreifa poperechnye sostavlyayushie skorosti chastic uvelichivayutsya bystree prodol'nyh i raspredelenie plazmy po skorostyam stanovitsya anizotropnym. Eto privodit k vozbuzhdeniyu kolebanii plazmy tipa svistyashih atmosferikov (svisty) ot grozovyh razryadov. Blagodarya rasseyaniyu chastic na etih kolebaniyah (sm. Plazmennaya turbulentnost') ih skorosti mogut popast' v "konus poter'". Imenno takim obrazom bol'shinstvo chastic plazmennogo sloya vysypaetsya v processe konvekcii plazmy v atmosferu Zemli. Poetomu plazmennyi sloi obryvaetsya na rasstoyanii $\approx 8 R_Z$, gde harakternoe vremya poter' chastic cherez magn. zerkala umen'shaetsya do harakternogo vremeni konvekcii. Chasticy, vysypayushiesya iz plazmennogo sloya v atmosferu, vyzyvayut tam diffuznoe polyarnoe siyanie. Nebol'shaya dolya chastic plazmennogo sloya mozhet uskorit'sya do energii 20-50 keV, sootvetstvuyushei polnomu perepadu potenciala elektrich. polya poperek hvosta M. Eti chasticy pronikayut glubzhe v dipol'noe magn. pole Zemli i mogut dlitel'noe vremya uderzhivat'sya v magn. lovushke. Centrobezhnyi i magn. dreify chastic s takoi bol'shoi energiei znachitel'no bol'she elektrich. dreifa v magnitosfernom elektrich. pole. Eti dreify v dipol'nom magn. pole napravleny po azimutu, tak chto posle inzhekcii iz hvosta M sgustok plazmy obhodit Zemlyu i obrazuet plazmennoe kol'co. Blagodarya tomu chto iony i elektrony, imeyushie raznyi znak zaryada, dreifuyut v protivopolozhnye storony, po plazme techet kol'cevoi elektrich. tok, vyzyvayushii ponizhenie (depressiyu) magn. polya na Zemle. Poskol'ku nalichie takogo toka davno bylo ustanovleno po nazemnym magnitogrammam, za etim komponentom plazmennogo naseleniya M zakrepilos' staroe nazvanie - kol'cevoi tok. Obnaruzhenie v dal'neishem s pomosh'yu izmerenii s borta ISZ oblasti ustoichivogo uderzhaniya eshe bolee energichnyh chastic v geomagn. lovushke privelo k poyavleniyu bolee obshego nazvaniya - zona zahvachennoi radiacii. Eto ponyatie vklyuchaet v sebya i kol'cevoi tok.

Ris. 3. Oblasti vtekaniya (vytekaniya)
elektricheskih tokov vdol' magnitnyh
silovyh linii v ionosferu (iz ionosfery),
po dannym, poluchennym s amerikanskogo
sputnika "TRIAD" (T. Iidzima i
T. Potemra, 1976 g.).
Vazhnym elementom elektrodinamich. struktury M yavl. t.n. prodol'nye toki, t.e. elektrich. toki vdol' magn. silovyh linii, obuslovlennye eds v hvoste M i zamykayushiesya cherez provodyashuyu ionosferu Zemli. Na ris. 3 pokazano raspredelenie prodol'nyh tokov, vtekayushih v polyarnuyu ionosferu (i vytekayushih iz nee), v uglovyh geomagn. koordinatah, poluchennoe po izmereniyam magn. polya prodol'nyh tokov v period, kogda M otnositel'no spokoina. Eto raspredelenie, za isklyucheniem nebol'shih oblastei okolo lokal'nyh poludnya i polunochi, yavl. antisimmetrichnym otnositel'no linii polden'-polnoch' i sostoit iz dvuh koncentrich. poyasov. V bolee blizkom k polyusu poyase, svyazannom s plazmennym sloem v hvoste M, toki vtekayut v ionosferu na vostochnoi (utrennei) storone i vytekayut iz nee na zapadnoi (vechernei) storone. Eto sootvetstvuet napravleniyu elektrich. polya v plazmennom sloe poperek M, t.e. iz ploskosti ris. 2. V poyase, k-ryi blizhe k ekvatoru, napravlenie tokov yavl. obratnym i sootvetstvuet zamykaniyu cherez ionosferu dreifovyh tokov, voznikayushih blagodarya diamagnitnomu i centrobezhnomu dreifam pri inzhekcii chastic v kol'cevoi tok so storony hvosta M i napravlennyh v inzhektiruemom sgustke plazmy s ego vostochnogo kraya na zapadnyi. Zona vtekaniya i vytekaniya prodol'nyh tokov pribl. sootvetstvuet ovalu polyarnyh siyanii v periody slabyh vozmushenii. Oval obrazuetsya blagodarya vysypaniyu chastic iz plazmennogo sloya, ohvatyvayushego Zemlyu s utrennei i vechernei storon v processe konvekcii, i proniknoveniyu chastic SV cherez dnevnye polyarnye kaspy. Kaspy predstavlyayut soboi sheli mezhdu zamknutymi i razomknutymi magn. silovymi liniyami, v k-rye mozhet zatekat' SV. Rastekanie prodol'nyh tokov po provodyashei ionosfere sozdaet harakternuyu kartinu raspredeleniya elektrich. polei i tokovyh strui (elektrodzhetov), k-rye mogut byt' naideny nezavisimo po magn. izmereniyam na nazemnyh ionosfernyh stanciyah (sm. Verhnyaya atmosfera).

Vblizi Zemli, na rasstoyaniyah do 4-5 RZ silovye linii dipol'nogo magn. polya i nahodyashayasya na nih holodnaya plazma ionosfernogo proishozhdeniya vrashayutsya vmeste s Zemlei, obrazuya plazmosferu Zemli. Krome togo, v lovushke, sozdavaemoi magn. polem Zemli, effektivno uderzhivaetsya nebol'shaya gruppa ochen' energichnyh chastic, obrazuyushih radiacionnye poyasa. Inzhekciya chastic v radiac. poyasa mozhet proishodit' blagodarya bystroi konvekcii vo vremya magnitosfernyh subbur' (sm. nizhe), a ih uskorenie obyazano rezonansu mezhdu azimutal'nym dreifom vokrug Zemli v neodnorodnom magn. pole i vozmusheniyami krupnomasshtabnogo elektrich. polya vo vremya subbur'. Etot process uskoreniya idet s sohraneniem pervogo i vtorogo adiabatich. invariantov. Poetomu diffuziya chastic iz hvosta M k Zemle pod deistviem stohastich. vozmushenii elektrich. polya soprovozhdaetsya naborom energii.

Magnitosfernye subburi.
Ris. 4. Shematicheskaya kartina izmeneniya
struktury magnitnogo polya vo vremya
magnitosfernyh subbur' vsledstvie razvitiya
neustoichivosti plazmennogo sloya.
Opisannaya vyshe kartina M Zemli v sushestvennoi mere baziruetsya na predpolozhenii o stacionarnoi konvekcii plazmy i vmorozhennyh v nee magn. silovyh linii. Na samom zhe dele sostoyanie M yavl. kraine izmenchivym, chto svyazano s izmenchivost'yu velichiny i napravleniya MMP, a sledovatel'no, i tempa peredachi energii vnutr' M blagodarya processam peresoedineniya magn. silovyh linii. Kogda MMP v techenie nesk. chasov imeet preimushestvenno severnoe napravlenie, to M perehodit v sostoyanie s minimumom energii i yavl. otnositel'no spokoinoi. Esli teper' MMP povernetsya v yuzhnom napravlenii i sohranit takoe napravlenie v techenie dostatochno dlit. perioda (poryadka chasa), to uvelichenie tempa peresoedineniya MMP i zemnogo magn. polya na dnevnoi magnitopauze privedet k bystromu nakopleniyu energii M (v osnovnom v vide energii magn. polya v uvelichivayushemsya hvoste M Zemli). Eto nakoplenie energii rano ili pozdno konchaetsya razvitiem svoeobraznoi global'noi neustoichivosti M - magnitosfernoi subburei, - privodyashei k perestroike konfiguracii M, v processe k-roi proishodit dissipaciya nakoplennoi energii. Poskol'ku rezervuarom energii yavl. hvost M, to i razvitie neustoichivosti svyazano s neravnovesnost'yu raspredelenii plazmy i magn. polya v hvoste M, zaklyuchayusheisya v nalichii tokovogo sloya, razdelyayushego obe poloviny hvosta s protivopolozhnymi napravleniyami magnitnogo polya.

Posledovatel'nost' sobytii vo vremya magnitosfernoi subburi horosho ustanovlena i mozhet byt' opisana v terminah peresoedineniya magn. silovyh linii v hvoste M vsledstvie razryvnoi neustoichivosti tokovogo sloya (sm. Neustoichivosti plazmy). Nakoplenie energii v hvoste M nachinaetsya, kogda na dnevnoi chasti magnitopauzy vypolneny usloviya dlya effektivnogo peresoedineniya mezhplanetnyh i zemnyh magn. silovyh linii s posleduyushim perebrosom ih v hvost M. Hotya vse neobhodimye i dostatochnye usloviya dlya etogo do konca ne vyyasneny, ustanovleno, po krainei mere, chto yuzhnoe napravlenie MMP okazyvaetsya v etom smysle kraine blagopriyatnym. Teoriya i eksperiment pokazyvayut, chto M prakticheski mgnovenno reagiruet na takoe izmenenie napravleniya MMP i peresoedinenie na ee dnevnoi storone nachinaetsya srazu zhe. V to zhe vremya sostoyanie hvosta M obladaet konechnym zapasom ustoichivosti po otnosheniyu k uvelicheniyu magn. potoka v obeih ego polovinah. Poetomu nek-roe vremya temp peresoedineniya na dnevnoi magnitopauze prevyshaet temp peresoedineniya v hvoste M, chto privodit k nakopleniyu energii v hvoste M v vide energii magn. polya. Eta stadiya nakopleniya energii zakanchivaetsya razvitiem upomyanutoi razryvnoi neustoichivosti raspredelennogo toka libo blagodarya postepennoi evolyucii sostoyaniya plazmennogo sloya ot ustoichivogo k neustoichivomu, libo pod deistviem vozmushenii MMP. Pri etom minim. vremya reakcii M na izmenenie granichnyh uslovii v oblasti dnevnoi magnitopauzy opredelyaetsya vremenem rasprostraneniya magnitogidrodinamich. vozmushenii s dnevnoi storony v hvost i vremenem inercii hvosta M kak elektrodinamich. sistemy, vklyuchayushei v sebya induktivnost' prodol'nyh tokov, soprotivlenie ionosfery i elektrich. emkost' plazmennogo sloya. Eto harakternoe vremya okazyvaetsya poryadka 20-60 min. Makroskopich. sledstviem razvitiya razryvnoi neustoichivosti tokovogo sloya yavl. formirovanie neitral'noi linii v blizhnei k Zemle chasti plazmennogo sloya na rasstoyanii 10-20 RZ. Na ris. 4 dlya prostoty izobrazhena situaciya, kogda naryadu so staroi neitral'noi liniei (sm. ris. 2) obrazuetsya tol'ko odna novaya, okolo k-roi voznikaet techenie plazmy (strelki), harakternoe dlya peresoedineniya: k neitral'noi linii s severnoi i yuzhnoi storon i ot neitral'noi linii k Zemle i v hvost M. Izmerennye skorosti techeniya k Zemle dostigayut znachenii poryadka al'venovskoi (sm. Al'venovskie volny) v plazmennom sloe, t.e. ~ 1000 km/s. V moment, kogda peresoedinitsya poslednyaya zamknutaya silovaya liniya, prohodyashaya cherez staruyu neitral'nuyu liniyu v dalekom hvoste M, chast' plazmennogo sloya mezhdu neitral'nymi liniyami perestaet byt' svyazannoi s Zemlei obshimi silovymi liniyami. V rezul'tate magn. silovye linii, vyhodyashie v mezhplanetnuyu plazmu i dvizhushiesya s nei, ohvatyvayut sgustok plazmy i vybrasyvayut ego cherez hvost v mezhplanetnoe prostranstvo (ris. 4, v). Odnako dlya vosstanovleniya balansa tempov peresoedineniya na dnevnoi i nochnoi storonah M peresoedinenie v hvoste M dolzhno prodolzhat'sya dlya togo, chtoby vernut' na dnevnuyu storonu nakoplennuyu chast' otkrytyh magn. silovyh linii. Plazmennyi sloi, ogranichivaemyi novoi neitral'noi liniei, nachinaet peremeshat'sya v hvost i v konce koncov zanimaet staroe polozhenie. Razvitie vo vremeni (t) neustoichivosti, privodyashei k peresoedineniyu, proishodit vzryvnym obrazom, t.e. po zakonu 1/(t-t0) s harakternym vremenem $t_0\approx$5-10 min. Blagodarya etomu vdol' neitral'noi linii induciruyutsya bol'shie lokalizovannye elektrich. polya, sposobnye uskorit' nebol'shuyu dolyu chastic do energii ~ 1 MeV. Eti chasticy mogut pokidat' M i vyhodit' v mezhplanetnoe prostranstvo. Moment vzryvnogo razvitiya peresoedineniya svyazyvaetsya s fazoi razvitiya subburi i harakterizuetsya na Zemle intensifikaciei polyarnyh siyanii v atmosfere i elektrodzhetov v ionosfere. Pri etom snachala dugi polyarnyh siyanii voznikayut v oblasti lokal'noi polunochi, a zatem bystro rasprostranyayutsya k zapadu i v storonu ekvatora. Eti yavleniya obuslovleny uvelicheniem prodol'nyh tokov blagodarya inzhekcii plazmennyh sgustkov iz plazmennogo sloya v kol'cevoi tok i otvetvleniyu chasti hvostovogo toka v ionosferu, a takzhe povyshennym vysypaniem chastic iz plazmennogo sloya vblizi novoi neitral'noi linii i iz ego chasti, raspolozhennoi blizhe k Zemle ot etoi linii. Tipichnyi razmer dug polyarnyh siyanii 1-20 km v napravlenii sever-yug i $(3-5)\cdot 10^3$ km v napravlenii vostok- zapad. Imenno iz oblasti etih dug vytekayut sil'nye prodol'nye toki, ot 10% do 50% kotoryh obuslovleny vysypayushimisya elektronami v forme elektronnyh puchkov s energiei 1-10 keV, chto sootvetstvuet potoku energii 10-1-10-2 Vt/m2 pri maks. plotnosti etih tokov 10 mkA/m2. Polnyi tok, vtekayushii i vytekayushii v ionosferu, pri etom okazyvaetsya ~ 106 A.

Uskorenie vysypayushihsya iz M elektronov svyazyvaetsya s vozniknoveniem blagodarya razvitiyu tokovyh ne-ustoichivostei specifich. plazmennyh struktur - dvoinyh elektrich. sloev, raspolozhennyh nad dugami polyarnyh siyanii na vysote (1-2) RZ ili plazmennoi turbulentnosti, sozdayushei anomal'noe soprotivlenie plazmy. Blagodarya sushestvovaniyu v etih strukturah lokalizovannogo prodol'nogo elektrich. polya obshii perepad potenciala vdol' magn. silovyh linii dostigaet 1-10 kV. Elektrony, uskoryayas' v etom pole, bombardiruyut atmosferu i vyzyvayut v nei diskretnye polyarnye siyaniya. Iony zhe, naoborot, vytyagivayutsya etim polem iz ionosfery i inzhektiruyutsya v plazmennyi sloi, otkuda mogut kak popadat' v kol'cevoi tok i radiac. poyasa, tak i vybrasyvat'sya v mezhplanetnoe prostranstvo cherez hvost M. T.o., ionosfera naryadu s SV yavl. istochnikom magnitosfernyh chastic. Vzaimodeistvie uskorennyh puchkov elektronov s ionosfernoi plazmoi privodit k generacii t.n. kilometrovogo izlucheniya (t.e. $\lambda\sim$1 km) v diapazone elektronnyh ciklotronnyh chastot na etih vysotah, t.e. ~ 102-103 kGc, analogichnogo dekametrovomu radioizlucheniyu M Yupitera (sm. nizhe). Polnaya moshnost' kilometrovogo izlucheniya dostigaet 108-109 Vt, chto sostavlyaet 0,1-1% ot polnoi moshnosti dissipacii energii vo vremya magnitosfernoi subburi. Faza vosstanovleniya sootvetstvuet vozvrasheniyu sostoyaniya hvosta M k ravnovesnomu i harakterizuetsya oslableniem ukazannyh yavlenii v atmosfere i ionosfere i vozvrasheniem ovala polyarnyh siyanii k ishodnomu polozheniyu.

3. Sravnitel'naya harakteristika i osobennosti planetnyh magnitosfer

M. p. mozhno oharakterizovat' temi zhe osn. parametrami, chto i zemnuyu M, t.e. razmerom D, perepadom elektrich. potenciala poperek hvosta M $\Delta\varphi$, opredelyayushim tipichnuyu energiyu magnitosfernoi plazmy, i tempom peredachi energii SV v M R, harakterizuyushim moshnost' vnutrimagnitosfernyh yavlenii. Pri etom udobno zapisat' sootvetstvuyushie velichiny v vide zakonov podobiya, v k-rye vhodit magn. moment planety M' i ee geliocentrich. rasstoyanie r v a.e. Prinimaya vo vnimanie, chto plotnost' SV padaet obratno proporcional'no kvadratu rasstoyaniya ot Solnca, iz (1) poluchim:
${D\over {D_Z}}=\left( {rM'\over{M'_Z}}\right)^{1/3}$ . (2)
Ocenka dvuh dr. parametrov $\Delta\varphi$ i R imeet smysl lish' dlya planet-gigantov, orbity k-ryh lezhat v oblasti $r\gg 1$, gde MMP padaet kak ~ 1/r:
${P\over {P_Z}}=\left( {\Delta\varphi\over{\Delta\varphi_Z}}\right)^2=\left( {M'\over{M'_Z r^2}}\right)^{2/3}$ . (3)

Magn. momenty planety zemnoi gruppy maly. Magn. polya Merkuriya i Marsa ostanavlivayut SV lish' na nebol'shom rasstoyanii ot poverhnosti planety (tabl. 2). Pri malom razmere ih M za vremya konvekcii plazmy ne uspevaet proishodit' znachitel'noe uvelichenie ee energii, a radiacionnye poyasa ne mogut uderzhivat'sya dostatochno dlitel'noe vremya v magnitnom pole etih planet.

Tabl. 2. Osnovnye parametry planetnyh magnitosfer
  Merkurii Zemlya Mars Yupiter Saturn
Geliocentrpch. rasstoyanie r, a.e.0,3911,535,059,63
Radius R, 103 km2,436,383,471,660,0
Dipol'nyi magnitnyi moment M', Gs$\cdot$sm2$5\cdot 10^{22}$$8\cdot 10^{25}$$2,5\cdot 10^{22}$$1,6\cdot 10^{30}$$4,4\cdot 10^{28}$
Radius Chepmena-Ferraro D1,6 RMerk10 RZ1,4 RM100 RYu20 RS
Perepad elektrostatich. potenciala poperek magnitosfery $\Delta\varphi$, kV-10-100-100-100020-200
Moshnost' dissipacii energii R, Vt-$3\cdot 10^{11}$-$2,5\cdot 10^{13}$1012

Na vzaimodeistvie SV s magn. polem Marsa sushestvennoe vliyanie okazyvayut plotnye atmosfera i ionosfera planety, t.k. v periody moshnogo SV magnitopauza opuskaetsya do ionosfernyh vysot. Eto privodit k intensivnomu obmenu massoi mezhdu atmosferoi i M planety blagodarya uvlecheniyu ionosfernyh ionov SV vdol' magnitopauzy.

V sluchae Venery SV ostanavlivaetsya v podsolnechnoi oblasti planety davleniem ionosfernoi plazmy, prochno svyazannoi s atmosferoi iz-za chastyh soudarenii chastic. Pri etom MMP igraet rol' posrednika, peredayushego davlenie SV na ionosferu planety.

Magn. polya na poverhnosti planet-gigantov sravnimy s zemnym ili prevoshodyat ego. Poetomu zakony podobiya (2) i (3) predskazyvayut bol'shie razmery ih M, vysokie temp-ry magnitosfernoi plazmy i bol'shie moshnosti dissipacii vnutrimagnitosfernoi energii vo vremya subbur'. V naibol'shei stepeni eto otnositsya k Yupiteru, kolossal'nye razmery M k-rogo (~ 10 mln. km) opredelyayut sushestvennye osobennosti ee struktury i dinamiki. Odnim iz otlichii M Yupitera yavl. sovmestnoe vrashenie vnutrimagnitosfernoi plazmy vmesto s Yupiterom pochti do ee granicy - magnitopauzy. Eto ob'yasnyaetsya bol'shim znacheniem magn. polya na poverhnosti planety [B = 4,2 Gs), otnositel'no malym periodom vrasheniya ($\approx$10 ch) i sposobnost'yu plotnoi atmosfery peredavat' dostatochnyi vrashatel'nyi moment ne tol'ko ionosfere, no i vmorozhennym v nee magn. silovym liniyam vmeste s nahodyasheisya na nih magnitosfernoi plazmoi. Voznikayushie v rezul'tate centrobezhnye sily vytyagivayut magn. silovye linii v magnitoplazmodisk (ris. 5). Dr. osobennost'yu M Yupitera yavl. sil'noe vzaimodeistvie ego sputnika Io s magnitosfernoi plazmoi. Pri dvizhenii etogo sputnika po keplerovskoi orbite so skorost'yu vk= 17,3 km/s poperek dipol'nogo magn. polya Yupitera $B\approx 2\cdot 10^{-2}$ Gs (vrashayushegosya sovmestno s planetoi so skorost'yu $v_R\approx$75 km/s) poperek sputnika navoditsya raznost' potencialov $(v_R-v_K)Bd/c\approx$400 kV (d - diametr sputnika). Zamykanie tokov, tekushih po poverhnosti ili v ionosfere sputnika, cherez ionosferu planety s pomosh'yu prodol'nyh tokov sozdaet usloviya dlya generacii izvestnogo dekametrovogo radioizlucheniya Yupitera. Tol'ko neposredstv. izmereniya s borta KA "Voyadzher-1 i -2" (1980-81, SShA) pozvolili v polnoi mere vyyasnit' rol' Io dlya M Yupitera.
Ris. 5. Prostranstvennoe raspredelenie plazmy
i magnitnyh polei v magnitosfere Yupitera po
dannym izmerenii na kosmicheskih apparatah
"Voyadzher-1 i -2". Svetlymi shirokimi strelkami
pokazany napravlenie obtekaniya magnitosfery
solnechnym vetrom, napravlenie sovmestnogo
vrasheniya vnutrimagnitosfernoi plazmy s Yupiterom,
a takzhe uslovno ukazany puti vyhoda energichnyh
chastic iz magnitosfery (F. Skarf i dr., 1981 g.).
Tak, vyyasnilos', chto blagodarya vulkanich. deyatel'nosti na Io i vzaimodeistviyu ego plotnoi atmosfery s magnitosfernoi plazmoi v M vybrasyvaetsya ezhesekundno bolee 1 t veshestva, gl. obr. sery i kisloroda (osn. sostavlyayushih atmosfery). Eto veshestvo, ionizuyas' i raspredelyayas' vdol' orbity Io, obrazuet plazmennyi tor Io s poperechnym razmerom poryadka radiusa Yupitera $R_Yu\approx 7\cdot 10^4$ km, koncentraciei chastic $n\approx 3000$ sm-3, ionnoi temp-roi $\approx$50 eV i elektronnoi temp-roi $\approx$10 eV. Vovlechenie takogo kolichestva ($Q=3\cdot 10^{28}$ atomov/s) postupayushego v tor i ionizuemogo veshestva v sovmestnoe vrashenie s Yupiterom trebuet protekaniya poperek tora (vdol' radiusa) toka ~ 106 A, zamykayushegosya cherez ionosferu planety. Polnaya moshnost' etogo magnitogidrodpnamich. uskoritelya plazmy ocenivaetsya kak $Qm_S(v_R-v_K)^2/2\sim 10^{12}$ Vt (mS - massa atoma sery). Chast' energii dvizheniya postupayushih ionov otnositel'no vrashayushegosya s Yupiterom plazmennogo tora peredaetsya elektronam posredstvom soudarenii i plazmennyh neustoichivostei i zatem rashoduetsya na vozbuzhdenie UF-svecheniya tora moshnost'yu ~ 1012 Vt. Drugaya chast' energii dissipiruet v atmosfere Yupitera, porozhdaya polyarnye siyaniya i radioizluchenie v dekametrovom i kilometrovom diapazonah dlin voln, sootvetstvuyushih vozbuzhdeniyu v ionosfere Yupitera kolebanii plazmy s chastotami, blizkimi k elektronnoi ciklotronnoi i elektronnoi plazmennoi chastotam. Polnaya moshnost' radioizlucheniya ot istochnikov, svyazannyh s Io i ego torom, v diapazone ot 30 kGc do 40 MGc sostavlyaet $4\cdot 10^{11}$ Vt, iz nih $\approx 3\cdot 10^8$ Vt prihoditsya na diapazon kilometrovyh voln. Posle eksperimental'nogo obnaruzheniya plazmennogo tora Io stalo vozmozhnym ob'yasnit' tonkuyu dugoobraznuyu strukturu spektrogramm dekametrovogo radioizlucheniya. Okazalos', chto skorost' dvizheniya Io skvoz' plazmennyi tor prevyshaet al'venovskuyu i poetomu vozbuzhdaetsya moshnaya al'venovskaya volna, k-raya, rasprostranyayas' vdol' silovyh linii, mnogokratno otrazhaetsya ot ionosfery Yupitera (ris. 6).
Ris. 6. Shema generacii al'venovskih voln
(rasprostranyayutsya vdol' magn. silovyh linii,
soedinyayushih Io s Yupiterom) sputnikom Io,
dvizhushimsya v plazmennom tore so
sverhal'venovskoi skorost'yu (F. Skarf i dr.,
1981 g.).
Tok, svyazannyi s etimi volnami i generiruyushii dekametrovoe izluchenie, pri etom takzhe okazyvaetsya promodulirovannym s chastotoi kolebanii voln mezhdu tochkami otrazheniya v polyarnyh oblastyah planety, chto i sozdaet tonkuyu strukturu spektrogramm. Zdes' sleduet otmetit', chto uzhe v odnom UF-diapazone moshnost' polyarnyh siyanii v etih oblastyah ochen' vysoka (~ 1014 Vt). Eto mozhet ob'yasnyat'sya povyshennym vysypaniem ionov s energiyami poryadka nesk. soten keV, obuslovlennym ih vzaimodeistviem s holodnoi plazmoi tora (podobno tomu, kak eto proishodit na Zemle pri vzaimodeistvii kol'cevogo toka s plazmosferoi).

V ostal'nom M Yupitera pohozha na M Zemli, yavlyayas' bolee grandioznoi i moshnoi po sravneniyu s poslednei v sootvetstvii s zakonami podobiya (2) i (3). Tak, v sootvetstvii s ocenkoi magnitosfernogo elektrich. polya, uskoryayushego chasticy, temp-ra plazmy v dnevnoi chasti plazmennogo sloya okazalas' $\approx$30 keV. M imeet horosho razvityi i protyazhennyi hvost, yavlyayushiisya rezervuarom energii magnitosfernyh subbur', pri k-ryh moshnost' dissipacii energii na dva poryadka bol'she, chem pri zemnyh subburyah. Mozhno predpolagat', chto, kak i na Zemle, ok. 1% dissipiruyushei energii teryaetsya v forme radioizlucheniya iz oblastei polyarnyh siyanii na chastotah, blizkih k elektronnoi ciklotronnoi chastote v ionosfere, t.e. v dekametrovom diapazone. Blagodarya bol'shim razmeram i moshnym radiac. poyasam M Yupitera yavl. samym moshnym v Solnechnoi sisteme istochnikom kosmicheskih luchei nizkoi energii.

M Saturna neploho opisyvaetsya zakonami podobiya (2) i (3), dayushimi blizkie k zemnym energetich. parametry (tabl. 2), no podobno M Yupitera obladaet nek-rymi osobennostyami. Tak, pri prolete "Voyadzhera" cherez M Saturna byla naidena modulyaciya kilometrovogo radioizlucheniya sputnikom Dion, a vblizi orbity Titana, byvshego v moment proleta vnutri M, obnaruzhen ogromnyi tor neitral'nogo vodoroda s koncentraciei ~ 10 sm-3, prostirayushiisya do orbity sputnika Reya. Etot tor, po-vidimomu, yavl. dovol'no znachitel'nym istochnikom magnitosfernyh chastic.

Lit.:
Nishida A., Geomagnitnyi diagnoz magnitosfery, per. s angl., M., 1980; Yupiter, pod red. T. Gerelsa, per. s angl., t. 3 - Magnitosfera. Radiacionnye poyasa, M., 1979; Dolginov Sh.Sh., Magnetizm planet, M., 1982.

(A.A. Galeev)


Glossarii Astronet.ru

A | B | V | G | D | Z | I | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | E | Ya 
Publikacii s klyuchevymi slovami: planety - planetologiya - magnitosfery
Publikacii so slovami: planety - planetologiya - magnitosfery 		Karta smyslovyh svyazei dlya termina MAGNITOSFERY PLANET
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu
Ocenka: 2.9 [golosov: 101]
 
O reitinge
Versiya dlya pechati Raspechatat'
Astronet | Nauchnaya set' | GAISh MGU | Poisk po MGU | O proekte | Avtoram

Kommentarii, voprosy? Pishite: info@astronet.ru ili syuda

Rambler's Top100 Yandeks citirovaniya