Солнечно-земная
Физика

Очертания курса

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНАЯ ФИЗИКА

А. С. Ковтюх

Солнечно-земная физика начиналась с изучения полярных сияний и геомагнитных эффектов космических лучей.

С развитием современных методов исследований было установлено, что Солнце является плазменной (гидромагнитной) системой, обладающей собственным магнитным полем и очень сложными структурой и динамикой. Солнечная активность периодически изменяется (11-летний, 22-летний и другие солнечные циклы).

Солнце непрерывно испускает электромагнитные излучения различных частот (кроме видимого света испускаются инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение), энергичные заряженные частицы (солнечные космические лучи), нейтроны и потоки горячей плазмы (солнечный ветер). Потоки солнечного ветра образуют пронизанную межпланетными магнитными полями (ММП) гелиосферу.

В результате взаимодействия солнечного ветра с планетарными магнитными полями формируются планетарные магнитосферы - открытые нелинейные динамичные системы со сложной внутренней структурой (рис. 1). Внешняя граница магнитосферы (магнитопауза) отделяет область регулярного магнитного поля планеты от турбулентного межпланетного магнитного поля и от солнечного ветра.

Рис. 1. Солнце, гелиосфера и магнитосферы планет.

Скорости направленных от Солнца потоков заряженных частиц намного превышают скорости звуковых и гидромагнитных волн в плазме и, следовательно, при обтекании солнечным ветром препятствия образуется стоячая ударная волна. В переходной между ударной волной и магнитопаузой области -"магнитошисе" плазма сильно турбулизована.

В периферийных (пограничных) областях магнитосферы, примыкающих к магнитопаузе, образуются очень сложные и нерегулярные пучково-плазменные структуры (токовый слой магнитопаузы и плазменная мантия магнитосферы).

От Меркурия к Плутону параметры солнечного ветра меняются на несколько порядков величины; на много порядков отличаются и дипольные магнитные моменты M планет; существенно различаются скорости w вращения планет вокруг своей оси, причём угол между векторами M и w может достигать 60^о (для Урана). Тем не менее, в структуре и динамике планетарных магнитосфер имеется много общих закономерностей.

Магнитосфера отделена от атмосферы планеты несколькими слоями ионосферы. Вдоль магнитных силовых линий холодная ионосферная плазма заполняет примыкающую к планете область плазмосферы. Резкая верхняя граница плазмосферы (плазмопауза) располагается на высотах порядка несколько планетарных радиусов. Плазмосфера "вморожена" в магнитное поле и вращается с планетой как единое целое.

Атмосфера также имеет продолжение в космическое пространство (атмосферная корона, термосфера или экзосфера).

Основными источниками частиц горячей магнитосферной плазмы являются солнечный ветер (механизмы солнечно-земных связей), а также - разогретая ионосферная плазма (механизмы магнитосферно-ионосферных связей). Эти механизмы резко активизируются во время глобальных возмущений магнитосферы (магнитных бурь и суббурь), которые вызываются (запускаются) нерегулярностями солнечного ветра и ММП.

Планетарную магнитосферу можно разделить на две области с различной топологией магнитного поля: внутреннюю, где поле имеет дипольную или квазидипольную конфигурацию (магнитная ловушка) и внешнюю, где высокоширотные силовые линии магнитного поля сильно вытянуты в сторону от Солнца (магнитосферный хвост) и могут пересоединяться с межпланетным магнитным полем.

Магнитосферы Земли, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона, обладающих достаточно сильными собственными магнитными полями, имеют магнитные ловушки с характерными размерами ~ 10 - 100 планетарных радиусов. Эти ловушки заполнены горячей плазмой радиационных поясов (РП) и кольцевого тока (КТ) а также холодной ионосферной плазмой и нейтральными атмосферными атомами. РП частично перекрываются с плазмосферой.

Основным механизмом формирования РП Земли является радиальная диффузия частиц от внешней границы геомагнитной ловушки под действием внезапных импульсов магнитного поля (магнитная диффузия), а также - под действием суббуревых флуктуаций электрических полей (электрическая диффузия).

Такая диффузия сопровождается бетатронным (а также фермиевским) ускорением заряженных частиц. Достигнув достаточно высокой энергии (порога магнитосферного обрезания космических лучей), частицы покидают ловушку. Наиболее значительный источник таких частиц в солнечной системе - гигантская магнитосфера Юпитера, обладающего мощными РП.

Некоторый (незначительный) вклад в РП Земли вносят частицы СКЛ с E < 10 МэВ, а также протоны и ядра галактических космических лучей с E > 1 ГэВ (альбедный механизм). Для далёких от Солнца планет (Урана, Нептуна и Плутона) альбедный механизм может играть более значительную роль в процессах формирования РП.

КТ - циркулирующий вокруг Земли замкнутый ток, отвечающий за магнитные бури. Формально КТ можно отождествить с низкоэнергичным компонентом РП. Во время бурь этот компонент резко усиливается: в эти периоды на частицы КТ приходится большая часть полной энергии плазмы в ловушке. Однако фактически буревой КТ принципиально отличается от РП по составу и механизму генерации.

В отличие от РП Земли, которые почти целиком состоят из солнечных частиц (протонов и электронов), буревой КТ обогащён ионами кислорода, азота и других элементов, распространенных в атмосфере Земли и практически отсутствующих в солнечном ветре. Иногда доля ионов кислорода в КТ приближается к доле протонов или даже превышает её.

В отличие от РП, частицы КТ инжектируются в ловушку во время магнитных активизаций и управляется магнитосферной конвекцией горячей плазмы.

КТ тесно связан с ионосферными токовыми системами посредством биркеландовских токов, текущих вдоль магнитных силовых линий. Во время магнитных бурь и суббурь эти токовые системы резко усиливаются, что сопровождается активизацией полярных сияний, и формируется единая магнитосферно-ионосферная система токов и электрических полей.

Основными диссипативными процессами, обеспечивающими квазистационарное состояние РП и КТ, являются взаимодействия энергичных захваченных частиц с частицами плазмосферы и атмосферной короны (ионизационные потери), а также - с циклотронными волнами.

Поскольку заряженные частицы движутся в ловушке по искривленным траекториям, они непрерывно излучают электромагнитные волны. Благодаря тому, что гиропериод не зависит от энергии частиц, а также благодаря регулярности магнитного поля (по сравнению с размерами гирорадиуса частиц), в планетарных магнитных ловушках имеются благоприятные условия для когерентности электромагнитных волн, излучаемых отдельными заряженными частицами одного вида (магнитосферный мазер).

Волновые процессы в магнитосфере очень разнообразны (различают электромагнитные, электростатические, гидромагнитные, магнитозвуковые и др.) и наблюдаются в очень широких диапазонах частот.

Со стороны магнитосферного хвоста к ловушке примыкает плазменный слой (ПС) заполненный горячей плазмой и простирающийся на десятки или даже сотни планетарных радиусов. Этот слой располагается вблизи плоскости эклиптики и разделяет магнитосферный хвост на две симметричные области (доли хвоста) с почти однородным магнитным полем в каждой из них.

Ближний ПС, КТ и внешняя часть РП Земли тесно связаны друг с другом (геокорона горячей плазмы).

Внешние области ловушки и ближняя часть ПС, где магнитные силовые линии значительно отклоняются от дипольной конфигурации (авроральная область или область квазизахвата), но остаются замкнутыми и проецируются (вдоль магнитных силовых линий) на овал полярных сияний. В этой области важную роль играют разнообразные турбулентные механизмы и развиваются нелинейные динамические процессы, которые могут приводить к генерации суббурь.

Особую и пока малоизученную роль в физике магнитосферы играют воронкообразные области в лобовой части магнитопаузы (полярные каспы). Принадлежащие им магнитные силовые линии систематически испытывают сильные периодические (суточные) трансформации от замкнутых квазидипольных в утренние часы к разомкнутым и вытянутым в хвост магнитосферы в вечерние и ночные часы.

По сравнению с земной, магнитосферы планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна) имеют некоторые малоизученные особенности.

Для связи:
lll@srd.sinp.msu.ru
пароль: "сизиф почти не виден"