Магнитосфера Земли

МАГНИТОСФЕРА ЗЕМЛИ

- область околоземного пространства, занятая геомагн. полем; в первом приближении полость в потоке солнечного ветра(CB).

Общая структура M. 3.

Граница M. 3. Внеш. границей M. 3. является маг-нитопауза (рис. 1), отделяющая геомагн. поле от обтекающего Землю CB. Положение магнитопаузы определяется равенством динамич. давления и давления геомагн. поля где r и V- плотность и скорость CB,- магн. момент геомагн. диполя, коэф. k зависит от характера взаимодействия CB с M. 3. и равен 2 при упругом отражении, коэф. f характеризует усиление магн. поля в подсолнечной точке магнитопаузы (точка на прямой, соединяющей центры Земли и Солнца) в связи с отличием формы магнитопаузы от плоскости (согласно расчётам, f @ 1,22), - геоцентрич. расстояние магнитопаузы в подсолнечной точке (радиус Чепмена - Ферраро). Магн. поле на магнитопаузе ~10^-3 Гс, т. е. значительно больше поля невозмущённого геомагн. диполя. Дополнит, поле создаётся токами, текущими по магнитопаузе и экранирующими магн. переходный слой (см. ниже) от проникновения в него геомагн. поля. Токи на магнитопаузе создаются плазмой CB: при проникновении в магнитопаузу положит, ионы отклоняются геомагн. полем к западу, а электроны к востоку.

Обтекание M. 3. солнечным ветром. Сверхзвуковой и сверхальвеновский CB, налетая на препятствие - M. 3., резко тормозится, образуя бесстолкновит. головную ударную волну (на рис. 1 показана ближайшей к Солнцу поверхностью.)

Рис. 1. Пространственное распределение плазмы, магнитных полей и электрических токов в магнитосфере Земли. Светлыми широкими стрелками показаны токи на магнитопаузе и в плазменном слое, кольцевой и продольные токи. Тёмные стрелки указывают направление вращения плазмосферы совместно с Землёй. Показаны также направления конвекции в хвосте магнитосферы. Точками отмечена область кольцевого тока.

Подсолнечная точка фронта головной ударной волны располагается на геоцентрич. расстоянии - радиус Земли). На фронте головной ударной волны происходит изменение направления движения частиц CB. Их направленная скорость уменьшается, а тепловая скорость растёт так, что плазма между фронтом ударной волны и магнитопаузой нагревается до неск. миллионов градусов. Эта разогретая плазма обтекает M. 3., образуя магнитный переходный слой, в к-ром магн. поле и движение плазмы CB становятся менее упорядоченными.

При обтекании M. 3. CB геомагн. поле на больших расстояниях сильно искажается. Во внутр. M. 3. до расстояний оно близко к полю геомагн. диполя (угол между осью диполя и осью вращения Земли , причём сев. магн. полюс расположен в области юж. географич. полюса). Во внеш. M. 3. геомагн. поле на дневной (расположенной ближе к Солнцу, чем центр Земли) стороне сжато CB На дневной стороне расположены каспы -воронки, расширяющиеся от поверхности Земли вплоть до магнитопаузы, образованные силовыми линиями геомагн. поля. Эти воронки (по одной в каждом полушарии) разделяют силовые линии дневной M. 3. и геомагн. хвоста (см. ниже). Через каспы плазма из магн. переходного слоя может проникать непосредственно в глубь M. 3. На ночной стороне M. 3. геомагн. поле образует геомагнитный хвост. Его диам., протяжённость . Геомагн. хвост образован двумя пучками силовых линий с противоположным направлением магн. поля. Эти пучки составляют южную и северную доли геомагнитного хвоста. Между долями геомагн. хвоста расположен плазменный слой - область с повыш. концентрацией горячей плазмы с очень слабым магн. полем (табл. 1). Толщина плазменного слоя , энергия магн. поля в нём меньше или порядка тепловой энергии частиц.

Плазменный слой образован плазмой CB, нагретой внутримагнитосферными процессами до к5-1O⁷K, и ускоренными ионосферными ионами. Ток, ответственный за резкое изменение направления магн. поля в долях хвоста, протекает в нейтральном токовом слое внутри плазменного слоя. Этот ток поперёк хвоста направлен с утренней стороны на вечернюю. Он обусловлен дрейфом заряженных частиц под действием центробежной силы (центробежный дрейф) и силы, связанной с градиентом магн. поля (градиентный дрейф).

Пограничные слои. Проникновение плазмы CB внутрь M. 3. может происходить через пограничные слои, располагающиеся на дневной (входной слой) и ночной (плазменная мантия и плазменный слой) сторонах M. 3. Проникновение происходит вдоль пересоединившихся магн. силовых линий. Пересоединение магн. поля набегающего потока CB (межпланетного магн. поля, MMП) и магн. поля Земли может происходить на магнитопаузе и в геомагн. хвосте в ограниченных по масштабам областях, в к-рых благодаря развитию плазменных неустойчивостей понижается электропроводность плазмы (см. Пересоединение). Измерения показали, что пересоединение происходит в областях с размерами и носит импульсный (во времени) характер. Скорость течения плазмы к Земле во входном слое и в антисолнечном направлении в плазменной мантии и геом. характеристики пограничных слоев определяются характером взаимодействия CB с M. 3., к-рое зависит от взаимной ориентации магн. полей в этих двух областях. Область на дневной стороне, в к-рой происходит пересоединение, определяется знаком северо-южного компонента ММП (B_z). При сев. направлении ММП ( В _z > 0) пересоединение происходит в плазменной мантии в области каспа (рис. 2, а). При юж. направлении ММП (B_z <0) геомагн. поле и ММП пересоединяются во входном слое в области подсолнечной точки (H₁), где они антипараллельны (рис. 2, б).

Рис. 2. Структура магнитного поля магнитосферы Земли (меридиональный разрез) при северном (а) и южном (б) направлениях межпланетного магнитного поля (север вверху). Буквами Л,, H₂, H отмечены области вблизи нейтральных точек магнитного поля.

Пересоединившпеся геомагн. силовые линии переносятся CB с дневной стороны M. 3. на ночную, образуя геомагн. хвост. Следует отметить, что перенос геомагн. силовых линий с дневной стороны M. 3. на ночную происходит также и в результате вязкого трения при обтекании M. 3. потоком плазмы CB. Эффективность переноса магн. потока под действием аномальной вязкости между M. 3. и межпланетной плазмой в среднем сравнима с эффектом переноса за счёт пересоединения. На ночной стороне в области H₂ происходит новое пересоединение, в результате к-рого восстанавливается первонач. конфигурация магн. поля CB. Из области H₂ пересоединившисся геомагн. силовые линии вместе с плазмой переносятся к Земле, восстанавливая магн. поток на её дневной стороне.

Крупномасштабная конвекция плазмы в M. 3.

Конвекция в хвосте M. 3. Такое движение плазмы (магнитосферная конвекция, или дрейф плазмы поперёк геомагн. поля) обусловлено тем, что в хвосте M. 3. существует крупномасштабное элект-рич. поле, направленное поперёк хвоста. Под действием этого электрич. поля и магн. поля хвоста плазма дрейфует от плазменной мантии к плазменному слою и из плазменного слоя по направлению к Земле. Электрич. поле поперёк хвоста обусловлено магн. пересоединением и вязким трением между CB и M. 3. Электрич. поле в хвосте при вязком трении есть результат движения плазмы в пограничном слое пеперёк магн. поля и появления на внутр. границе пограничного слоя поля-ризац. зарядов. Перепад потенциала из-за электрич. поля, обусловленного вязким трением, равен 10-30 кВ p возрастает с увеличением скорости CB. В процессе пересоединения через пересоединившисся магн. силовые линии в M. 3. передаётся межпланетное электрич. поле, к-рoe в CB определяется соотношением Эффективность передачи 10-30%, что приводит к появлению в M. 3. разности потенциалов поперёк хвоста ~ 100 кВ. Результирующая разность потенциалов существенно зависит от направления ММП. При интенсивных B_z >0 в долях геомагн. хвоста, проецирующихся на дневной сектор полярной шапки, направление электрич. поля меняется и оно становится направленным с вечера на утро.

Плазмосфера. Участвуя в крупномасштабной конвекции, плазма M. 3. на больших расстояниях способна покидать M. 3. через дневную магнитопаузу, при этом концентрация холодной плазмы за пределами плазмо-сферы резко уменьшается (по сравнению с концентрацией плазмы в плазмосфере, в к-рую конвекция не проникает). Плазмосферой наз. область с повыш. концентрацией ( п). плазмы ионосферного происхождения ( п ~10³ см ^-3) и тепловой энергией ~ 1,0 эВ. Внеш. граница плазмосферы, образованная силовыми линиями геомагн. поля, на к-рых концентрация плазмы резко падает до 0,1-1,0 см ^-3, наз. плазмопаузой. Геоцентрич. расстояние плазмопаузы и меняется в зависимости от местного времени и интенсивности магнитосферных возмущений (см. ниже). Образование плазмосферы обусловлено суточным вращением Земли вместе с геомагн. полем, увлекающим за собой плазму M. 3. вплоть до высот 3*10⁴ км. На высоких геомагн. широтах силовые линии магн. поля практически перпендикулярны ионосфере. Вдоль этих линий из ионосферы в M. 3. движется поток плазмы, наз. полярным ветром. Полярный ветер переносит нагретую плазму в удалённые области хвоста M. 3., пополняя M. 3. ионами из верх, атмосферы.

Крупномасштабные продольные токи

Возникающее в пограничных областях M. 3. электрич. поле, обусловленное пересоединением и вязким трением, приводит к появлению продольных электрич. токов, текущих вдоль магн. силовых линий. Эти токи замыкаются через высокопроводящую ионосферу, втекая в неё на утренней стороне и вытекая на вечерней. Ионосфера в этой цепи является нагрузкой. T. о., в M. 3. действует МГД-генератор, преобразующий кинетич. энергию плазмы CB в энергию магнитосферно-ионосферных токов, к-рая затем диссииирует внутри ионосферы (энергетич. характеристики M. 3. приведены в табл. 2). С усилением возмущённости M. 3. интенсивность продольных токов увеличивается в носк. раз. Продольные токи существуют в M. 3. постоянно. Область их втекания и вытекания образует практически непрерывную полосу вдоль аврорального овала, являющегося проекцией плазменного слоя и каспа вдоль геомагн. силовых линий на высоту 100-200 км над поверхностью Земли. К экватору от этой полосы существуют продольные токи противоположного направления - они втекают в вечернем секторе и вытекают в утреннем. Эти токи обусловлены замыканием через ионосферу возникающих при конвекции плазмы из геомагн. хвоста дрейфовых токов. Структура и интенсивность крупномасштабных продольных токов кри-тич. образом зависят от направления и величины ММП. Азимутальный (направленный с утра на вечер) компонент ММП (B_y )контролирует продольные токи в области каспа. При В _у >0 ( В _у< 0) токи втекают (вытекают) к экватору от каспа и вытекают (втекают) к полюсу от каспа. В интервалы времени, когда В _z > О, на дневной стороне полярной шапки продольные токи втекают в послеполуденном секторе и вытекают в предполуденном. Общая интенсивность продольных токов составляет (1 -3)·10⁶ А, они являются важным элементом электродинамич. структуры M. 3., т. к. переносят от её границ энергию CB на высоту ионосферы.

Магнитосферные возмущения

Полярные сияния. Геом. характеристики M. 3. и потоки заряж. частиц чутко реагируют на изменения в CB. В определённых ситуациях возникают магнито-сферные возмущения длительностью 1-2 ч - сложный комплекс явлений, получивший назв. магнитосферной суббури. Накладываясь во времени, магнитосферные суббури приводят к возникновению магнитной бури (см. Магнитные вариации). Во время магн. бурь и суббурь происходит усиленная диссипация энергии в M. 3. (~ 10¹¹ Вт). Эта энергия выделяется в виде джоулева тепла ионосферных токов (питаемых продольными токами из M. 3.), вторжений в верх, атмосферу потоков ускоренных заряж. и нейтральных частиц. Возникают интенсивные полярные сияния. Осн. энерговыделение (на единицу площади на высотах полярных сияний 100-200 км) 10^-6 -10^-5 Вт-см ^-2 происходит вдоль аврорального овала. Вдоль аврорального овала наблюдаются яркие полярные сияния, и в ионосфере текут наиб, интенсивные токи. К полюсу и к экватору от аврорального овала потоки вторгающихся в атмосферу частиц резко уменьшаются и энерговыделение падает до 10^-9 Вт*см ^-2. Вторжение заряж. частиц из плазменного слоя, приводящее к возникновению диффузного аврорального свечения на ночной стороне Земли, связано с крупномасштабной конвекцией плазмы. В процессе дрейфа происходит ускорение заряж. частиц, причём поперечные составляющие скорости увеличиваются быстрее продольной и распределение плазмы по скоростям становится анизотропным. Это приводит к возбуждению волн типа свистов и рассеянию частиц на этих волнах. Частицы попадают в "конус потерь" (см. Магнитные ловушки )и высыпаются в атмосферу, возбуждая её свечение. Крупномасштабная конвекция в M. 3. неоднородна, она расслаивается даже в спокойном состоянии. В ней возникают мелкомасштабные неоднородности электрич. поля, продольного тока, потоков энергичных заряж. частиц, концентрации тепловой плазмы. Эти неоднородности в проекции на высоты ионосферы имеют масштаб от 10² до 10⁴ м поперёк направления геомагн. поля. Дуги полярных сияний - одно из проявлений мелкомасштабного расслоения конвекции. Появление дуг полярных сияний связано с локальным усилением продольного тока в результате внутримагнитосферных процессов или трения конвективного потока об ионосферу. При превышении продольным током нек-рого критич. значения возбуждается токовая неустойчивость (см. Неустойчивости плазмы), нелинейное насыщение к-рой приводит к возникновению на авроральных силовых линиях (на высотах 1-2 двойного электрического слоя и (или) аномального сопротивления плазмы. В области существования продольного электрич. поля с разностью потенциалов в неск. к В происходит ускорение электронов по направлению к Земле. Их вторжения в атмосферу проявляются в виде дискретных форм полярных сияний.

Кольцевой ток и радиационный пояс. Ионы из атмосферы вытягиваются продольным электрич. полем в плазменный слой геомагн. хвоста. Участвуя затем в крупномасштабной магнитосферной конвекции и ускоряясь, ионы попадают во внутр. M. 3. и образуют значит, часть ионного состава магнитосферного кольцевого тока. Магнитосферный кольцевой ток образован энергичными заряж. частицами, движущимися вокруг Земли на геоцентрич. расстояниях 3-6 Азимутальное движение электронов на восток и протонов на запад обусловлено центробежным и градиентным дрейфами частиц с энергиями от 10 до 10³ кэВ, инжектированных в область замкнутых геомагн. силовых линий из плазменного слоя хвоста M. 3. во время магнитосферных суббурь. Результирующий электрич. ток течёт вокруг Земли в зап. направлении, вызывая понижение горизонтальной составляющей геомагн. поля на поверхности Земли. Большая часть энергии тока сосредоточена в ионах. Кольцевой ток состоит в основном из ионов H⁺, O⁺ с добавкой He⁺, O⁺+, He⁺+. Источником ионов кислорода является ионосфера, ионов водорода и гелия - CB и ионосфера.

Область замкнутых геомагн. линий является магн. ловушкой для энергичных частиц, энергия к-рых превышает тепловую (геомагнитная ловушка ). В ловушке существуют потоки очень энергичных частиц (электронов и протонов) с энергией св. 1 МэВ, образующих радиационный пояс. Во время магн. бурь потоки в радиац. поясе увеличиваются. Инжекция частиц в радиац. пояс происходит из плазменного слоя во время суббурь. Ускорение частиц до высоких энергий обязано резонансу между периодом дрейфа частиц вокруг Земли и временными изменениями крупномасштабного электрич. поля. Приближение частиц к Земле в область более интенсивного магн. поля сопровождается увеличением их энергии. Очень высокие энергии частицы в радиац. поясе могут приобретать вследствие индукц. эффектов на силовых линиях хвоста M. 3. при перестройке хвоста во время магнитосферных суббурь.

Кольцевой ток расположен во внеш. части радиац. пояса. Плазма кольцевого тока составляет только часть энергичных частиц радиац. пояса. В радиац. поясе существуют механизмы генерации энергичных заряж. частиц, отличающиеся от действующих в кольцевом токе. В ближайшей к Земле части радиац. пояса энергичные частицы могут возникать вследствие распада нейтронов, появляющихся при взаимодействии космич. лучей с поверхностью Земли. Излучение M. 3.

M. 3. является источником волнового излучения в радиодиапазоне. Взаимодействие потоков ускоренных электронов с магнитосферной плазмой на авроральных силовых линиях на высотах 5000 км приводит к генерации авроральыого километрового излучения (АКИ). Это интенсивное и спорадически возникающее излучение в километровом диапазоне на гирочастоте электронов (10² -10³ кГц) резко усиливается во время магни-тосферных суббурь, достигая полной мощности 10⁹ Вт. Помимо АКИ существует также непрерывное по спектру и во времени излучение. Интенсивность его в диапазоне 0,5-100 кГц уменьшается к высоким частотам. Это нетепловое излучение генерируется вне плазмопаузы на геоцентрич. расстояниях от 4 до 8и является синхротронным излучением энергичных электронов в радиац. поясе.

Область	Концентрация частиц, см ^-3	Темп-ра ионов, эВ	Темп-ра электронов, эВ	Скорость потока, км/с	Магн. поле, 10^-5 Гс
Солнечный ветер	5-20	10 - 20	20-40	300 - 800	5 - 15
Входной слой	1 - 10	200 - 2000	10 - 200	100 - 300	40 - 60
Плазменная мантия	0,1-5	100 - 200	26 - 40	100 - 200	20 - 30
Плазменный слой	0,1 - 1	500 - 5000	200 - 2000	0 - 1000	10 - 20
Кольцевой ток	5 - 20	10⁴- 10⁵	10²	-	100 - 500
Плазмосфера	10²- 10³	0,3 - 1	0,3-1	-	10² - 10¹

Во время возмущений в M. 3. возникает широкий спектр короткопериодич. колебаний геомагн. поля с периодами от 1 до 100 с. Наиб, кол-во энергии сосредоточено в колебаниях магн. поля с периодом в неск. десятков секунд и амплитудой ~10^-4 Гс.

Лит..· Сергеев В. А., Цыганенке H. А., Магнитосфера Земли, M., 1980; Solar-terrestrial physics. Principles and theoretical foundations, ed. by R. L. Carovillano, J. M. Forbes, Dordrecht, 1983; Progress in solar-terreslrial physics, ed. by J. G. Roederer, Dordrecht - Boston, 1983; Achivment of the International magnetosphere study (I. M. S.), European Space Agenqy, 1984; Лайонс Л., Уильяме Д., Физика магнитосферы: количественный подход, пер. с англ., M., 1987.

Я. И. Фельдштейн.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.