Участник:HarDNox/Песочница6

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Магнитосфера Юпитера (англ.) Ссылка на переводчик {{Sfn}}

Магнитосфера Юпитера — свободное от солнечного ветра космическое пространство, создаваемое в нем магнитным полем планеты. Магнитосфера простирается до семи миллионов километров в сторону Солнца и заполняет почти все пространство до Сатурна в противоположном направлении от Солнца. Магнитосфера Юпитера является самой мощной во всей Солнечной системе, и по объему является крупнейшей известной непрерывной структурой в солнечной Системе после гелиосферы. Она более широка и более плоско ориентирована в пространстве по сравнению с магнитосферой Земли. Магнитный момент планеты примерно в 18000 раз больше по сравнению с Землей. Существование магнитного поля Юпитера было впервые обнаружено благодаря наблюдениям радиоизлучения в 1950 г., и изучено пионером-10 в 1973 году.

Внутреннее магнитное поле Юпитера порождается электрическим током, исходящим из ядра планеты, состоящего из металлического водорода. Вулканические извержения на спутнике Ио выбрасывают в пространство большие количества диоксида серы, который формирует не указано название статьи[неизвестный термин] вокруг планеты. Благодаря магнитному полю Юпитера газовый тор движется с той же угловой скоростью что и планета. Тор в свою очередь наполняет магнитное поле плазмой и растягивает его до формы называемой «магнетодиском». По сути, магнитосфера Юпитера формируется благодаря извержениям вулканов Ио и его собственному вращению, в отличие от Земли. Сильные токи, протекающие в магнитосфере планеты образуют постоянное полярное сияние вокруг полюсов и интенсивного переменного радиоизлучения планеты. На этом основании Юпитер можно считать за слабый пульсар. Полярные сияния на Юпитере наблюдаются почти во всех частях электромагнитного спектра, включая инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый и рентгеновский.

Магнитосфера, действуя как ловушка, вместе с ускоренными частицами, образует интенсивную не указано название статьи, похожую на радиационный пояс Земли, однако в тысячи раз сильнее. Взаимодействие энергетических частиц с поверхностью лун планеты заметно сказывается на физических и химических свойствах. Поэтому похожие частицы влияют и зависят одновременно от движения частиц в разреженном кольце Юпитера. Радиационные пояса представляют значительную опасность для космических аппаратов и, возможно, для человека.

Магнитосфера Юпитера является комплексной структурой, которая состоит из ударной волны, магнитопаузы, магнитосферы, магнитодиска и других элементов. Магнитное поле планеты исходит из ряда различных источников, включая циркуляцию жидкости внутри ее самой (внутреннее поле), электрические токи в плазме, окружающую планету, и тока, который расположен на границе магнитосферы планеты. Магнитосфера входит в плазму солнечного ветра, который несет межпланетное магнитное поле[1].

Внутреннее магнитное поле

[править | править код]

Основная часть магнитного поля Юпитера, так же как и у Земли, порождается внутренним динамо, которое поддерживается циркуляцией проводящей жидкости в ее не указано название статьи. Если если у Земли оно состоит из расплавленного железа и никеля, то у Юпитера оно состоит из металлического водорода[2]. Так же как и у Земли, магнитное поле Юпитера дипольно, с севером и югом на концах магнитной оси[3]. На Юпитере северный полюс диполя расположен в северном полушарии планеты, а южный в южном, а на Земле наоборот[4]. Юпитер также имеет квадруполь, октуполь и другие высшие компоненты, однако они составляют менее одной десятой той силы, которую имеет диполь[3].

Диполь планеты наклонен примерно на 10° от ее оси вращения; наклон примерно равен Земному (11,3°)[5]. Сила экваториального поля составляет примерно 428 мкТ, что соответствует дипольному моменту 1,53⋅1020 Т·м³. Это делает дипольный момент Юпитера в десять раз более сильным, чем у Земного, и его магнитный момент в 18000 раз сильнее[2]. Магнитное поле Юпитера вращается с той же скоростью, что и нижние слои атмосферы, с периодом 9 ч 55 мин. Никаких изменений в его структуре и периоде вращения со дня открытия (середина 1970 гг.) не произошло[прим 1].

Размер и форма

[править | править код]

Внутреннее магнитное поле Юпитера предотвращает солнечный ветер (поток ионизированных частиц, испускаемых звездой), и взаимодействующих непосредственно с его атмосферой, которая фактически отталкивает этот поток обратно в космос, образуя магнитосферу планеты, которая состоит из плазмы, отличающийся от плазмы солнца[6]. Магнитосфера Юпитера настолько велика, что она бы без труда уместилась внутри солнца[7]. Если это явление можно было бы рассмотреть с Земли, то оно могло быть в пять раз больше, чем полная луна, несмотря на огромное расстояние между двумя планетами (оно в 1700 раз больше чем от Земли до Луны)[7].

Также как и у Земли, Юпитер обладает границей, которая отделяет плотный и холодный поток солнечного ветра от теплого и менее плотного потока магнитосферы Юпитера и которая называется магнитопауза[6]. Расстояние от магнитопаузы до центра планеты составляет 45—100 RЮ (где R ≈ 71,492 км) в не указано название статьи (неопределенная точка на поверхности, на которой Солнце располагается прямо над головой наблюдателя)[6]. Положение магнитопаузы зависит от давления солнечного ветра, который в свою очередь зависит от солнечной активности[8]. Напротив магнитопаузы (80—130 RЮ от центра планеты) лежит ударная волна (граница столкновения солнечного ветра с магнитосферой)[9][10]. Область между ударной волной и магнитопаузой называется магнитослоем[6].

1 — ударная волна,
2 — магнитослой,
3 — магнитопауза,
4 — магнитосфера,
5 — северная часть хвоста,
6 — южная часть хвоста,
7 — плазмосфера.

На противоположной стороне планеты солнечный ветер растягивает магнитное поле Юпитера, не трогая его магнитосферу, которая иногда может выходить далеко за пределы орбиты Сатурна[11]. Структура магнитосферы Юпитера похожа на Земную. Она состоит их двух долей (длинный «хвост» на рисунке): южная и северная части. Из южной части магнитосфера исходит в сторону Юпитера, а из северной наоборот — возвращается. Эти доли разделены между собой тонким не указано название статьи (оранжевая область на рисунке), который состоит из плазмы[11]. Как и у Земли, Юпитер имеет хвост, через который солнечная плазма проходит в другие регионы магнитосферы планеты, где она нагревается и образует радиационные пояса на расстоянии 10 RЮ от Юпитера[12].

Форма магнитосферы Юпитера, как было написано выше, поддерживается нейтральными слоями тока («магнитосферный ток»), которые движутся через лист «плазменного листа» благодаря вращению Юпитера, хвостовыми токами, которые двигаются против вращения планеты на внешней границе магнитосферы, и токами магнитопаузы (токи Чапмана-Ферраро), которые движутся против вращения планеты по дневной магнитопаузе[4]. Токи образуют магнитное поле, которое закрывает внутреннее поле вне магнитосферы[11]. Они также существенно реагируют с солнечным ветром[4].

Магнитосфера Юпитера традиционно делится на три части: внутреннюю, среднюю и внешнюю. Внутренняя магнитосфера располагается на расстоянии до 10 RЮ от планеты. Магнитное поле в нем скорее всего остается дипольным, потому что воздействие токов, идущих от экваториальной магнитосферы и несущих плазму, мало. В середине (10—40 RЮ) и на внешней стороне (более 40 RЮ) магнитосферы магнитное поле не дипольно, и серьезно возбуждается взаимодействием с плазменным слоем[6].

Взаимодействие Ио с магнитосферой Юпитера. Плазменный торус выделен желтым цветом.

Общая форма магнитосферы Юпитера напоминает Земную, однако если углубиться в этот вопрос структурно они сильно отличаются[8]. Активная вулканическая деятельности его спутника — Ио — является мощным источником плазмы с одной стороны, и нагружает атмосферу планеты массой 1 т каждую секунду с другой[13]. Сильные извержения вулканов Ио выбрасывают огромное количество диоксида серы, большая часть которой диссоциирует благодаря ультрафиолетовому излучению Солнца на ионы серы и кислорода: S+, S2+, O+, O2+[14]. Эти ионы покидают атмосферу спутника и формируют газовый тор Ио: толстое и относительно холодное кольцо плазмы, окружающей Юпитер (он расположен недалеко от орбиты спутника)[13]. Температура плазмы достигает значений 10—100 эВ (100000—1000000 К), что значительно ниже, чем у частиц радиационного пояса — 100 кэВ (100 млн К). Плазма в этом торусе вынуждена вращаться вместе с планетой, имея тот же период вращения[15]. Торус Ио принципиально меняет динамику магнитосферы Юпитера[16].

В результате нескольких процессов — диффузия и обмен нестабильностями основных механизмов выхода — плазма медленно покидает Юпитер[15]. И чем дальше плазма находится от планеты, тем сильнее она подвергается воздействию на нее радиальных токов, которые постепенно увеличивают ее скорость и поддерживают тот же период вращения с планетой[6]. Эти радиальные токи также являются источником азимутальной компонентой магнитного поля, которая в результате изгибается назад в противоположное положение вращению[17]. Плотность частиц плазмы уменьшается от 2000 см−3 в торусе Ио до 0,2 см−3 на расстоянии 35 R от Юпитера[18]. В середине магнитосферы, приблизительно на расстоянии 20 RЮ вращение постепенно утрачивается и плазма начинает вращаться более медленно, чем планета[6]. На расстоянии 40 RЮ (внешняя магнитосфера) эта плазма выходит из магнитного поля окончательно и покидает магнитосферу[19]. Постепенно холодная, плотная плазма заменяется на теплую, низкоплотную плазму (температура 20 кэВ, или 200 млн К, и выше) исходящей из внешней магнитосферы[18]. Эта плазма нагревается адиабатически по мере приближения к Юпитеру[20], образуя радиационные пояса во внутренней магнитосфере Юпитера[13].

Магнитодиск

[править | править код]

В то время как магнитное поле Земли имеет каплевидную форму, Юпитер обладает более дискообразной формой магнитного поля, периодически колеблющейся вокруг своей оси[21]. Основным объяснением такой формы у Юпитера можно назвать центробежную силу, которая вращает плазму вокруг планеты, и тепловое давление плазмы; обе силы растягивают не указано название статьи магнитного поля, которые образуют блинообразную форму, известную как магнитодиск, на расстояниях больших 20 RЮ от планеты[6][22]. Магнитодиск имеет тонкий слой из восходящих токов в его середине[14], примерно вблизи от магнитного экватора. Линии магнитного поля располагаются от Юпитера выше диска и по направлению к Юпитеру ниже диска[8]. Вдобавок, плазма, исходящая от Ио, значительно увеличивает размер магнитосферы Юпитера, потому что магнитодиск создает дополнительное внутреннее давление, которое уравновешивает давление солнечного ветра[9]. В отсутствие Ио расстояние между магнитосферой и планетой будет не более 42 RЮ, хотя в действительности 75 RЮ в среднем[6].

Конфигурация магнитодискового поля поддерживается азимутальным не указано название статьи (не по аналогии с Земным кольцевым током), который движется с вращением через экваториальный лист плазмы[23]. Сила Лоренса в результате взаимодействия этого тока с планетарным магнитным полем создает центростремительную силу, которая держит вращающуюся с похожим периодом вращения планеты плазму, исходящую от Юпитера. Сила кольцевого тока оценивается примерно в 90—160 млн А[6][17].

Коротация и радиальные токи

[править | править код]
Магнитное поле Юпитера и коротационные токи.

Главной силой магнитосферы планеты является ее вращение[24]. В этом отношении Юпитер похож на униполярный генератор. Когда Юпитер вращается его ионосфера движется относительно дипольного магнитного поля. Потому как дипольный момент зависит от направления вращения[23], сила Лоренса, которая возникает в результате этого движения, ведет отрицательно заряженные электроны к полюсам, в то время как положительно заряженные ионы движутся к экватору[25]. В результате полюса становятся отрицательно заряженными, а регионы рядом с экватором становятся положительно заряженными. Так как магнитосфера Юпитера наполнена высокопроводимой плазмой, то получается, что электрическая цепь замкнута в ней[25]. Ток, называемый направленным (постоянным) током[прим 2], расположен вдоль силовых линий от ионосферы до экваториального слоя плазмы. Этот ток движется радиально от планеты в экваториальный слой плазмы и достигает ионосферы планеты, исходя от внешней магнитосферы вдоль силовых линий, соединенных с полюсами планеты. Токи, движущиеся вдоль силовых линий, называются не указано название статьи[17]. Радиальные токи взаимодействуют с магнитным полем планеты, в результате чего сила Лоуренса ускоряет магнитосферную плазму в направлении вращения планеты[25].

Ток, восходящий от ионосферы в слой плазмы, особенно силен, когда соответствующая часть из слоя плазмы вращается медленнее, чем планета[25]. Как упоминалось выше, со-вращение (коротация) рушится в области от 20 до 40 RЮ. Эта область соответствует магнитодиску, где магнитное поле сильно растянуто[26]. Сильный направленный ток движущийся в магнитодиск, образуется в очень ограниченном широтном диапазоне (16 ± 1°) от магнитных полюсов Юпитера. Эти узкие круговые области соответствуют Юпитерианским полярным сияниям (см. илл. ниже)[27]. Возвращающиеся токи из внешней магнитосферы более 50 RЮ входят в ионосферу Юпитера рядом с полюсами и закрывают электрическую цепь. Общая сила электрического тока в магнитосфере Юпитера оценивается в 60—140 млн А[17][25].

Ускорение плазмы во время вращения приводит к переходу энергии от вращения Юпитера в кинетическую энергию плазмы[6][16]. В этом смысле магнитосфера Юпитера подпитывается за счет движения планеты, в то время как Земля получает энергию в основном от солнечного ветра[16].

Обмен нестабильностями и присоединение

[править | править код]

Главной проблемой при изучении динамики магнитосферы Юпитера является транспортировка тяжелой холодной плазмы из торуса Ио (6 RЮ) во внешнюю магнитосферу (более 50 RЮ)[26]. Точный механизм этого явления до конца не изучен, но есть предположение, что это происходит в результате диффузии плазмы из-за обмена нестабильностью. Процесс похож на Неустойчивость Рэлея—Тейлора в гидродинамике[15]. В нашем случае, центробежная сила играет роль силы тяжести; плотная жидкостью является холодная и плотная плазма Ио, а менее плотная жидкость играет роль горячей и менее плотной плазмы внешней магнитосферы[15]. Нестабильность приводит к обмену между внутренними и внешними частями магнитосферы, который образует трубообразную форму, наполненную плазмой. Плавающие потоки двигаются по направлению к планете, и при сталкивании с более плотными потоками, в состав которых входит плазма Ио, меняют свое направление в противоположную сторону[15]. Обмен потоками приводит к образованию в магнитосфере турбулентности[28].

Вид магнитосферы Юпитера с северного полюса[29].

Эта гипотетическая схема обменов потоками была отчасти подтверждена наблюдениями Галилео (КА), который обнаружил регионы с резко пониженной плотностью плазмы и повышенную силу поля во внутренней магнитосфере[15]. Эти пустоты могут соответствовать почти пустым потокам, пребывающим из внешней магнитосферы. В средней магнитосфере Галилео обнаружил так называемые «входящие действия», которые происходят когда горячая плазма из внешней магнитосферы воздействует на магнитодиск, что приводит к увеличению потоков энергетических частиц и усилению магнитного поля[30]. Механизм, объясняющий транспорт холодной плазмы наружу, еще не известен.

Когда потоки нагружены холодной плазмой Ио, достигающей внешней магнитосферы, они действуют по процессу магнитного пересоединения, после которого магнитное поле отделяется от плазмы[26]. Этот процесс продвигается во внутреннюю магнитосферу в виде двух потоков (трубообразной формы), состоящих из горячей и менее плотной плазмы, выбрасываемых в магнитосферу, которые называются плазмоидами (большие сгустки плазмы). Процесс пересоединения также может соответствовать глобальным событиям реконфигурации, наблюдаемых зондом Галилео, производит наблюдения каждые 2—3 дня[31]. События реконфигурации обычно включают в себя быстрое и хаотическое изменение силы и расположения магнитного поля, а также резкое изменение направления движения плазмы, которая останавливается и начинает «вытекать» наружу магнитосферы[31]. Плазма, стекающая вдоль открытых силовых линий поля называется планетарным ветром[14][32].

Примечания

[править | править код]
  1. Khurana, 2004, pp. 12—13.
  2. 1 2 Russel, 1993, p. 694.
  3. 1 2 Khurana, 2004, pp. 3—5.
  4. 1 2 3 Kivelson, 2005, pp. 303—313.
  5. Smith, 1974.
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Khurana, 2004, pp. 1—3.
  7. 1 2 Russel, 1993, pp. 715—717.
  8. 1 2 3 Russell, 2001, pp. 1015—1016.
  9. 1 2 Krupp, 2004, pp. 15—16.
  10. Russel, 1993, pp. 725—727.
  11. 1 2 3 Khurana, 2004, pp. 17—18.
  12. Khurana, 2004, pp. 6—7.
  13. 1 2 3 Khurana, 2004, pp. 5—7.
  14. 1 2 3 Krupp, 2004, pp. 3—4.
  15. 1 2 3 4 5 6 Krupp, 2004, pp. 4—7.
  16. 1 2 3 Krupp, 2004, pp. 1—3.
  17. 1 2 3 4 Khurana, 2004, pp. 13—16.
  18. 1 2 Khurana, 2004, pp. 10—12.
  19. Russell, 2001, pp. 1024—1025.
  20. Khurana, 2004, pp. 20—21.
  21. Wolverton, 2004, pp. 100—157.
  22. Russell, 2001, pp. 1021—1024.
  23. 1 2 Kivelson, 2005, pp. 315—316.
  24. Blanc, 2005, pp. 250—253.
  25. 1 2 3 4 5 Cowley, 2001, pp. 1069—1076.
  26. 1 2 3 Blanc, 2005, pp. 254—261.
  27. Cowley, 2001, pp. 1083—1087.
  28. Russell, 2008.
  29. Krupp, 2007, p. 216.
  30. Krupp, 2004, pp. 7—9.
  31. 1 2 Krupp, 2004, pp. 11—14.
  32. Khurana, 2004, pp. 18—19.
  1. Например, азимутальная ориентация диполя изменилась всего на 0,01°
  2. Постоянный, или направленный, ток в магнитосфере Юпитера не следует путать с постоянным током в электрической цепи. Последнее противоположно переменному току.
Ошибка в сносках?: Тег <ref> в <references> имеет конфликтующие группы атрибутов «».