2. Магнитосфера Земли

[6] Земля окружена магнитосферой – областью, занятой геомагнитным полем. Если бы не было внешнего влияния, оно имело бы характер поля магнитного диполя – магнитосфера простиралась бы до бесконечности.

Но межпланетное пространство заполнено потоком горячей плазмы от Солнца – солнечным ветром. Характерная скорость движения плазменных выбросов порядка 1000 км/ с, поэтому они летят до орбиты Земли примерно 50 часов:

часов.

Концентрация протонов и электронов в них от нескольких единиц до нескольких десятков в 1 см³ .

Вместе с плазмой выносится и солнечное магнитное поле, силовые линии которого за счёт вращения Солнца принимают форму спиралей.

Солнечный ветер определяет структуру и динамику магнитосферы Земли. Силовые линии межпланетного магнитного поля, «вмороженные» в его плазму, переносятся вместе с нею, обволакивая магнитосферу. Солнечный ветер ограничивает её размеры. Со стороны Солнца (на дневной стороне) она простирается на 100 тыс. км, а с противоположной стороны вытянута значительно дальше, образуя длинный геомагнитный хвост (Рис.12).

Рис.12

Итак, земная магнитосфера – это магнитное поле Земли, деформированное солнечным ветром. Земля окружена магнитной оболочкой, отражающей заряженные частицы, идущие от Солнца и из космоса (космические лучи – неизменные во времени и изотропные в пространстве потоки стабильных частиц: протонов, электронов, позитронов, частиц, квантов).

Поверхность, отделяющая магнитосферу от солнечного ветра, называется магнитопаузой. Она находится там, где сила давления солнечного ветра на магнитное поле Земли Р_м уравновешивается силой сопротивления геомагнитного поля. Чем больше Р_м , тем ближе к Земле граница. На ночной стороне солнечный ветер дует в сторону от Земли. Расстояние до неё с дневной стороны 8…14 земных радиусов, с ночной – магнитный хвост в несколько сотен R_З .

Перед магнитопаузой расположен фронт ударной волны, возникающей вследствие обтекания магнитосферы сверхзвуковым потоком солнечного ветра (Рис.13)

Рис.13

От фронта ударной волны вдоль силовых линий в обратном направлении движется поток отражённых частиц (причина пока неизвестна). Неустойчивость этого потока возбуждает магнитогидродинамические волны (МГД-волны, на рис.14 – волнистые линии). Это – наблюдаемые на дневной стороне Земли пульсации магнитного поля с периодами от долей секунды до нескольких минут.

[3] Магнитосфера содержит плазму и энергичные протоны и электроны радиационных поясов (см. ниже). Ближе к Земле, на высотах от 100 до 300 км, находится ионосфера – слои частично ионизованного воздуха. Ионизируют его ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца.

На высотах 100 … 120 км (слой Е) ионосфера состоит из молекул азота N₂ и кислорода О₂ . Выше 120 км начинается диссоциация кислорода (слой F), и в составе ионосферы начинает преобладать атомарный кислород О. Поэтому принято считать, что слой Е состоит из ионизированного азота N₂ и ионизированного кислорода О₂ , а слой F – из ионизированных О и N₂ . Выше начинается диссоциация азота и начинает играть роль атомарный азот N.

Для ионизации молекул или атомов кислорода и азота требуется энергия (ионизационный потенциал). Они получают её от Солнца в корпускулярном и волновом виде. Роль корпускул (частиц) незначительна, проявляется лишь при повышенной солнечной деятельности. В спокойные дни основную энергию дают ультрафиолетовые волны с от 850 до 1000 ангстрем.

Одновременно происходит и рекомбинация ионов, и тем быстрее, чем плотнее атмосфера. На высоте примерно 100 км равновесие устанавливается быстро, поэтому плотность ионизации (число свободных электронов в 1 см³ ) является функцией высоты Солнца. На больших высотах из-за малой плотности атмосферы рекомбинация запаздывает.

Ионосфера возникает потому, что на этих высотах интенсивность солнечного излучения ещё достаточна для ионизации, а концентрация нейтральных частиц уже достаточно велика. Так как плотность атмосферы уменьшается с высотой, а ионизирующее излучение не может проникать в низкие слои, то на некоторой высоте должна образовываться максимальная плотность ионизации, что приводит к слоистой структуре ионосферы. (Наличие нескольких слоёв объясняется сложным составом атмосферы и различным распределением по высоте различных элементов.)

Время жизни ионов и электронов до их рекомбинации различно на разных высотах: на высоте 100 км это минуты, а 400 км – уже часы. Освещённость поверхности Земли меняется в течение суток. На высоте 100 км за ночь рекомбинируют все ионы и электроны, на 200…400 км – не успевают.

В магнитосфере Земли есть радиационные пояса – две разграниченные области с сильно повышенной интенсивностью космического ионизирующего излучения (см. рис.12). Здесь магнитное поле Земли захватывает и удерживает заряженные частицы. Внутренний радиационный пояс содержит, в основном, протоны высоких энергий. Внешний – электроны солнечного происхождения. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из северного полушария в южное и обратно.

Солнечный ветер и магнитосфера изменчивы, так как непостоянна солнечная активность. С магнитными возмущениями – магнитными бурями - связаны полярные сияния на Земле. Значит, причины общие – энергия, излучаемая Солнцем.

Вычислим, сколько энергии требуется на образование магнитных бурь. Плотность энергии магнитного поля , приращение её при изменении Н на dH :

.

Средняя плотность энергии для одной определённой магнитной бури, за которой вели наблюдение, была dw = 10^-6 Дж / м³ . Сколько энергии во время магнитной бури содержит сфера, включающая в себя и Землю и пространство вокруг неё? Её объём примем равным м³ . Тогда в ней содержится энергия Дж. Продолжительность магнитной бури составляла 28 часов. Значит, её мощность была

Дж/ с.

Энергия, получаемая от Солнца Землёй, равна Дж/ с, т.е. на образование магнитных бурь требуется ничтожная часть общей энергии, получаемой от Солнца:

%

Полярные сияния происходят в основном в высоких широтах, вблизи магнитного полюса. Направление их лучей совпадает с направлением силовых линий магнитного поля Земли. Значит, их причина – движение зарядов в высоких слоях атмосферы под действием магнитного поля Земли; магнитная сила Лоренца придаёт ему вращательный характер. Линии, по которым могут двигаться заряженные частицы в магнитном поле Земли (силовые линии), соприкасаются с Землёй лишь в ограниченной части её поверхности, вблизи северного и южного магнитных полюсов. Частицы движутся по спиралям к Земле, могут отражаться то на юге, то на севере; обойдут Землю и вернутся, – т.е. магнитное поле Земли захватывает их. Но частицы могут высыпаться в атмосферу Земли – происходит ионизация воздуха и полярное сияние. Это, в основном, свечение атомарного кислорода и молекулярного азота, из которых состоит ионосфера.

Форма полярных сияний различна; в них есть длины волн и в видимой, и в ультрафиолетовой и в инфракрасной областях спектра.

Мощные магнитные бури, полярные сияния, усиление радиационных поясов – это всё влияние Солнца на магнитосферу.

Литература:

1. Ю.А.Бирзвалн. Знание.Физика. Магнитная гидродинамика. №2, 1979

2. В.К.Воронов, М.В.Гречнева, Р.З.Сагдеев. Основы современного естествознания.М.,В.Ш.1999

3. Б.М.Яновский. Земной магнетизм. М.ГИТТЛ, 1953

4. Доклад Ю.А.Шуколюкова на кафедре экспериментальной физики 3 декабря 2003 г.

5. Конференция в Новосибирске в 1997 г.

6. А.В.Гульельми. Новый взгляд на происхождение геомагнитных пульсаций. Природа, №4,1985