Магнітосфера Сонця, Землі та планет

Перед розглядом будови магнітосфери Землі зауважимо, що можна говорити про наявність магнітосфери Сонця. Зокрема за допомогою апаратів Вояжер 1 та Вояжер 2 було досліджено будову границі геліосфери. Нагадаємо, що на відстані 16-18 млрд. кілометрів від Сонця потік заряджених частинок і індукція магнітного поля Сонця слабішають настільки, що більше не можуть переважити тиск розрідженої між зіркової речовини, в якій окремі атоми та дрібні частинки пилу рухаються із швидкістю 30 км за секунду. Вихідна швидкість сонячного вітру складає близько 400 км/с.

Рис.1 Можлива схема взаємодії геліосфери (магнітосфери Сонця) з міжзоряним магнітним полем.

На рисунку 1 зображено можливу схему взаємодії геліосфери (магнітосфери Сонця) з міжзоряним магнітним полем, що зумовлює “пояс” енергетичних нейтральних часток. За цього величина індукції магнітного поля Сонця достатня, щоб відхилити траєкторію більшості заряджених частинок міжзоряної матерії. Тим не менш, зіткнення міжзоряних частинок и частинок сонячного вітру призводять до утворення частинок з нульовим зарядом. Ці високо енергетичні частинки міжзоряної речовини не відхиляються магнітним полем і проникають через границю.

Рис.2

Саме виявлення таких високо енергетичних нейтральних часток, зокрема атомів водню, кисню та гелію за допомогою нового супутника NАSА IBEX (Interstellar Boundary Explorer), дозволило побудувати карту всієї сфери, що відділяє зовнішній космос від простору всередині границь Сонячної системи. На цій карті вченим вдалося розглянути довгу і вузьку полосу, яка відображає проникнення в сонячну систему частинок з аномально високою енергією, яка більше ніж на три порядки переважає енергію інших нейтральних часток, що проникають в геліосферу. Ця полоса на думку вчених відображає взаємодію магнітного поля Сонця з магнітним полем міжзоряного простору і показує як галактичне оточення може впливати на форму і розміри Сонячної системи.

Магнітосфера Землі

Магнітосфера Землі - найближча до Землі область космічного простору, силова магнітна оболонка планети, природа якої зумовлена складною взаємодією внутрішнього магнітного поля Землі, яке має складну структуру, але у першому наближенні близьке до поля диполя, та сонячного вітру і міжпланетного магнітного поля. На теперішній час існує декілька моделей магнітосфери Землі (Міда-Берда, Ферфілда, Хейккіла, Циганенко та ін.), які розроблено з врахуванням наземних та супутникових спостережень. Загальний вигляд магнітосфери зображено на рисунку 3. Тут показано плазмосферу, пояс кільцевих струмів, денний касп, плазмовий шар (мантія) і магнітопаузу та високоширотну частину хвоста магнітосфери з відповідними струмами.

Рис.3. Будова магнітосфери Землі. (1) Сонячний вітер, (2) фронт ударної хвилі, (3) міжпланетне магнітне поле, (4) хвостова частина магнітосфери, (5) магнітопауза (границя магнітосфери), (6) нічний бік магнітосфери, (7) денний бік магнітопаузи, (8) точка перетину силових ліній, (9) іоносфера, (10) захоплені силовими лініями частки, (11) сфера плазми, (12) овал полярних сяйв.

Плазмосфера - найближча до Землі область іоносфери, яка є продовженням останньої і заповнена відносно щільною та холодною плазмою. Пояс кільцевих струмів складається в основному з досить гарячої та щільної плазми. Нічний касп - магнітна ловушка з магнітними силовими лініями, які сходяться під гострим кутом і заповнена відносно гарячою та щільною плазмою. Денний касп утворюється частинками з енергією в долі або одиниці електронвольт, які проникають з перехідної області. Плазмова мантія заповнюється відносно малоенергійними частинками з досить великою об’ємною концентрацією. Нейтральний шар та магнітопауза (зовнішня границя магнітосфери) характеризуються малою інтенсивністю магнітного поля (20-100 нТл) з різкою зміною його напрямку. На теперішній час індукція геомагнітного поля на поверхні планети змінюється від 22,0^-35,0 мкТл в екваторіальних областях до 55,0^65 мкТл в районах магнітних полюсів. Згідно з дослідженнями магнітне поле Землі можна вважати дипольним на відстані до 3 земних радіусів R_E (R_E — радіус Землі довжиною 6372 км). Із збільшенням відстані від поверхні планети і наближенням до області електричних струмів, які протікають вздовж зовнішньої границі магнітосфери поле стає менш схожим на поле диполя. Границя магнітосфери представляє собою своєрідний фронт, де тиск магнітного поля переважає тиск турбулентної плазми сонячного вітру. Магнітні силові лінії на денному боці магнітосфери стискаються сонячним вітром до відстані 7—10 R_E, а на нічному боці — витягуються на 40-60 R_E, далеко за орбіту Місяця. Представлена на рис. 1 магнітосфера є моментальним знімком. Вражаючі зміни відбуваються під час сонячних збурень, коли на магнітосферу планети налітають потоки сонячних заряджених частинок, під впливом яких денна сторона магнітосфери стискається до 3-5 земних радіусів, а в районах каспу відбувається висипання високоенергійних частинок в нижні шари атмосфери, зумовлюючи полярні сяйва та порушуючи радіо та телеграфний зв’язок.

Рис.4 Схематичне зображення магнітосфери Землі на фоні сонячного збурення.

Радіаційні пояси

За рахунок взаємодії між сонячним вітром і магнітним полем Землі, а також атмосферою і іоносферою, виникають області електромагнітних полів, плазми, і струмів усередині магнітосфери, таких як плазмосфера, кільцевого струму, і радіаційних поясів, що визначають так звану — «космічну погоду».

Зокрема, за рахунок магнітного поля Землі виникає радіаційний пояс Ван Аллена — «тороїдальної» форми, в якому виділяються дві області: внутрішній радіаційний пояс на висоті ~ 4000 км, який складається переважно електронами з енергією в десятки МеВ; зовнішній радіаційний пояс на висоті ~ 17 000 км, складений переважно протонами та електронами з енергією в десятки КеВ.

Рис.5. Схематичне зображення радіаційного поясу Землі

Залежність положення нижньої границі радіаційного поясу - довготна. Над Атлантикою зростання інтенсивності розпочинається вже на висоті 500 км, а над Індонезією на висоті 1300 км. Якщо ці графіки побудувати в залежності від величини магнітної індукції В, то всі виміри підтверджують магнітну природу радіаційних поясів. Між внутрішнім і зовнішнім радіаційними поясами є щілина, розташована в інтервалі від 2 до 3 радіусів Землі. Потоки частинок в зовнішньому поясі більше, ніж у внутрішньому. Розрізнений і склад частинок: у

внутрішньому поясі протони і електрони, у зовнішньому тільки електрони. Мало енергійні електрони заповнюють всю область захоплення. Для них немає розділення на внутрішній і зовнішній пояси. Потік протонів у внутрішньому поясі досить стійкий в часі. Перші експерименти показали, що електрони високої енергії (E>1-5 МеВ) зосереджені в зовнішньому поясі. Електрони з енергією менше 1 МеВ заповнюють майже всю магнітосферу.

Полярні сяйва

Іншим яскравим явищем є полярні сяйва, які зумовлюються висипанням заряджених частинок та іонізацією верхніх шарів атмосфери та спостерігаються переважно у високих широтах обох півкуль в овальних зонах - смугах, які оточують магнітні полюси Землі - авроральних овалах. Діаметр авроральних овалів складає ~ 3000 км підчас спокійного Сонця, на денному боці границя віддалена від магнітного полюса ~10-16°, на нічній - 2023°. Оскільки —магнітна вісь” Землі нахилена по відношенню до її вісі обертання приблизно на ~11°, то полярні сяйва спостерігаються на широтах 67-70°, але підчас сонячної активності авроральний овал розширюється і полярні сяйва можна спостерігати на більш низьких широтах - на 20-25° південніше або північніше від границі їх звичайного прояву.

Рис.6. Сяйво на Алясці.

Одним із феноменів планети та наявності магнітосфери Землі є полярні сяйва. При спостереженні з поверхні Землі Полярне сяйво виявляється у вигляді загального швидко змінного свічення неба або проміння, смуг, корон, «завіс», які рухаються. Тривалість полярних сяйв складає від десятків хвилин до декількох діб. При зіткненні високо енергійних частинок сонячного вітру з верхньою атмосферою відбувається іонізація і збудження атомів і молекул газів, що входять в її склад. Випромінювання збуджених атомів і спостерігається як полярне сяйво. Спектри полярних сяйв залежать від складу атмосфери планет: так, наприклад, якщо для Землі найяскравішими є лінії випромінювання збуджених кисню і азоту у видимому діапазоні, то для Юпітеру — лінії випромінювання водню в ультрафіолетовому спектрі. Оскільки іонізація зарядженими частинками відбувається найбільш ефективно в кінці шляху частинки і густина атмосфери падає з висотою у відповідності з барометричною формулою, то висота появи полярних сяйв достатньо сильно залежить від параметрів атмосфери планети, так, для Землі з її достатньо складним складом атмосфери червоне свічення кисню спостерігається на висотах 200-400 км, а сумісне свічення азоту і кисню — на висоті ~110 км. Крім того, ці чинники зумовлюють і форму полярних сяйв — розмита верхня і достатньо різка нижня межі (див. рис. 7).

Рис.7

В загальному магнітосфера Землі має значну екологічну функцію, яка зводиться насамперед до двох аспектів: а) захист органічного світу від сонячного вітру та космічного випромінювання у широкому діапазоні частот, б) продукування за рахунок взаємодії магнітного поля Землі, атмосфери та іоносфери з сонячним вітром та міжпланетним магнітним полем електромагнітних коливань, під впливом яких формується циклічні біологічні процеси (з періодами від мілісекунди до кількох років) на всіх рівнях організації живої системи — від молекулярного рівня через популяцію до екосистеми.

Магнітосфера планет

Наявність або відсутність у планет магнітного поля і, відповідно, магнітосфери, пов'язують з їх внутрішньою будовою. На всіх планетах земної групи є власне магнітне поле. Найсильнішими магнітними полями володіють планети-гіганти і Земля. Часто джерелом дипольного магнітного поля планети вважають її розплавлене струмопровідне ядро.

Сюрпризом для дослідників стало виявлення магнітосфери Меркурія. Вона була відкрита в 1974 році за допомогою космічного апарату «Марінер-10». Магнітне поле Меркурія виявилося, правда, вельми слабким - його напруженість на поверхні планети майже в 100 разів менше ніж на поверхні Землі, а відстань, на яку тягнеться магнітосфера Меркурія, складає лише близько 2,5 тисячі кілометрів. Хоча, не дивлячись на свої мініатюрні розміри, меркуріанська магнітосфера знаходить багато спільного із земною.

Наступна за Меркурієм Венера не має в своєму розпорядженні помітного магнітного поля. Це стало ясно після численних досліджень планети апаратами серій «Венера» і «Марінер». Проте у Венери є досить щільна іоносфера, чия взаємодія з електричним полем міжпланетного простору і сонячним вітром створює ефект наведеної магнітосфери.

Супутник 3емли - Місяць не має ні магнітного поля, ні магнітосфери, здатної протистояти сонячному вітру. Місячні поверхневі шари володіють вельми низькою електропровідністю, тому в них не вдалося знайти і магнітних явищ, пов'язаних з протіканням електричних струмів через тіло нашого супутника. Проте магнітометри, залишені екіпажами «Аполлонів», так само як і прилади, розміщені на борту «Місяцеходів», знайшли невеликі ділянки Місяця, що мають певну слабкі магнітні аномалії (від 3 до 327 нТл). Зв'язані такі ділянки з намагніченими утвореннями, або провідними масами.

Дуже слабке магнітне поле у Марса (біля 40 нТл на екваторі) - його ледве вистачає на те, щоб зупинити потік сонячного вітру. Правда, на відміну від Меркурія Марс володіє ще і іоносферою, і тому магнітосфера Червоної планети поєднує в собі властивості як власного, так і наведеного магнітного поля. Із аналізу останніх даних було отримано, що магнітне поле Марса є плямистим, подібно тому, як це спостерігається, наприклад, на Місяці. Але напруженість магнітного поля Марса місцями значно вища, ніж на природному супутнику Землі. Так, були знайдені деякі «плями» з поверхневою напруженістю майже 400 нТл.

Рис.8 Карта магнітних полів частини південної півкулі Марса.

Карта магнітних полів частини південної півкулі Марса (рис. 8) за даними космічного апарату «Марс-Глобал-Сервейєр» із спостережень протягом 4х років. Смуги пролягають із сходу на захід і мають ширину близько 160 км при довжині близько тисячі км, вони позначають суміжні області кори Марса з протилежним напрямом магнітного поля. Єдиною планетою, існування магнітосфери якої було передбачено на основі наземних радіоастрономічних спостережень, виявився Юпітер. Польоти апаратів «Піонер-10» і «Піонер-11» розширили уявлення про магнітосферу цієї планети. Виявилося, що Юпітер володіє потужним магнітним полем - його магнітний момент в 50 000 разів перевищує магнітний момент Землі. Магнітне поле Юпітера величезне, навіть у пропорції з величиною самої планети — воно простягається на 650 млн. кілометрів (за орбіту Сатурна!).

Якщо б магнітосфера його була видима, то із Землі вона мала б кутовий розмір, що дорівнює видимим розмірам Місяця. Магнітне поле Юпітера значно сильніше від земного. Форма магнітосфери Юпітера далека від сферичної. Можливо, генерація потужного магнітного поля Юпітера пов’язана із швидким обертанням центральних областей планети, що містять металічний водень і проводять струм.

Полярність магнітного диполя Юпітера зворотна тій, що є на Землі: північний магнітний полюс знаходиться в північній півкулі. Зміщення осі магнітного диполя відносно осі обертання Юпітера складає 0,1 -К_Ю. Відносно більша напруженість квадрупольної та октупольної компонент магнітного поля на Юпітері, в порівнянні з Землею, вказує на те, що оболонки, в яких збуджується магнітне динамо, на Юпітері розташовуються значно ближче до поверхні.

Рис.9 Полярні сяйва в полярних областях Юпітера

Не викликає сумнівів і наявність магнітного поля у Сатурна - доказом тому стали дані, отримані в 1979 році в ході досліджень апарату «Піонер-11». Магнітне поле, заміряне над хмарним поясом Сатурна, майже не відрізняється від магнітного поля на поверхні Землі. Вісь обертання Сатурна практично співпадає з його магнітною віссю, а форма магнітосфери цієї планети - гіганта знаходить набагато більшу схожість із земною, ніж з юпітеріанською.

Рис.10 Три зображення Сатурна, отримані телескопом Хаббла із проміжками у дві доби.

Що стосується Урану, то знайти магнітне поле цієї планети вдалося за допомогою апарату «Вояджер-2», прилади якого зафіксували крайню його мінливість. Магнітна вісь Урану нахилена до осі його обертання більш ніж на 55% (це більше, ніж у будь-якої іншої планети Сонячної системи). Напруженість його магнітного поля достатньо близька до земної, а полярність - зворотна. Магнітосфера Урану у міру віддалення від планети закручується в довгу спіраль.

Восьма по віддаленості від Сонця планета Нептун також володіє магнітним полем, знайденим приладами «Вояджера-2». Воно за деякими параметрах схожий з Урановим, зокрема нахил його магнітної осі до осі обертання складає 47%. Магнітосфера Нептуна сильно витягнута. Проліт КА «Вояджер-2» біля Нептуна на відстані всього лише 4900 км від поверхні його хмар дозволив досить точно визначити навіть окремі деталі дипольної структури магнітного поля та визначити напруженість квадрупольного та октупольного компонентів поля планети. Напруженість дипольного компонента магнітного поля в точці зближення (на поверхні видимих хмар) складає 0,13 Гс. Магнітний полюс планети нахилений на 47° до географічного. Передбачається, що магнітне поле Нептуна збуджується в рідкому провідному середовищі, у шарі, що перебуває на відстані 13 000 км від центра планети. А під рідким шаром перебуває тверде ядро Нептуна. Настільки сильний зсув обумовлений віддаленим розташуванням шарів рідкого водню, у якому при русі електричних заряджених частинок і генерується магнітне поле. Через наявність у Нептуна такого ж як і в Урана нахиленого ротатора в різних частинах планети напруженість магнітного поля Нептуна також змінюється в межах від 0,1 до 1,0 Гс.

Магнітосфера Нептуна

Даних щодо наявності магнітного поля самої віддаленої від Сонця планети - Плутону - поки не існує.

Література

G.D. Mead, D.B. Beard. Shape of the geomagnetic field solar wind boundary. - J.Geophysics.Res.-1964.-Vol.69.-N7.

W.T. Heikkila. Penetration of particles into the polar cap and auroral regions/Critical problems of magnetospheric physics. Proc. Symp. COSPAR, IAGA a. URSI, Madrid 1972, Washington, 1972

Б.М.Яновский. Земной магнетизм.-Изд-во Ленинградского университета.-Ленинград.- 1978.

Е.Н. Паркер. Динамические процессы в межпланетной среде. - Мир.-М.-1965 С.И.Акасофу, С.Чепмен. Солнечно-земная физика. Т.1 и 2.-Мир.-1975 В.А.Сергеев, Н.А.Циганенко. Магнитосфера Земли. - Наука,-М.- 1975

Л.Лайонс, Д.Уильямс. Физика магнитосферы. М.-Мир,-1987.

М.І. Орлюк Магнітосфера Землі// Екологічна енциклопедія: У 3 т./ редколегія:

В.Толстоухов (головний редактор) та ін. - К.,ТОВ —Центр екологічної освіти та інформації”, 2007

W.Liu, M. Fujimoto (Eds). The Dynamic Magnetosphere.IAGA Special Sopron Book Series 3, DOI 10.1007/978-94-007-0501-2_1. Springer Science+ Business Media

V.2011.