Магнитосфера
Магнитосфе́ра — область пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным полем этого тела.
Альтернативное определение: Магнитосфе́ра — область пространства вокруг планеты или другого намагниченного небесного тела, которая образуется, когда поток заряженных частиц, например солнечного ветра, отклоняется от своей первоначальной траектории под воздействием внутреннего магнитного поля этого тела.
Форма и размеры магнитосферы определяются силой внутреннего магнитного поля этого небесного тела и давлением окружающей плазмы (солнечного ветра). Все планеты, имеющие собственное магнитное поле, обладают магнитосферой: Земля, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Меркурий и Марс обладают очень слабыми магнитосферами, а также Ганимед, один из спутников Юпитера (но его магнитосфера целиком находится в пределах магнитосферы Юпитера, что приводит к их сложным внутренним взаимодействиям). Ионосферы слабо намагниченных планет, как например Венера, частично отклоняют поток солнечного ветра, но они не имеют магнитосферы как таковой.
Термин магнитосфера также используется для описания регионов, где доминирует магнитное поле других небесных тел, например звёзд, пульсаров и пр.
Содержание
История открытия
Границы магнитосферы
Граница магнитосферы (магнитопауза) определяется условием равенства давлений магнитного поля и набегающей плазмы, то есть радиус магнитосферы (альвеновский радиус 
) определяется соотношением
,
где 
— магнитное поле небесного тела, 
и 
— соответственно плотность и скорость потока набегающей плазмы.
Магнитосферы планет
В случае набегающего потока плазмы, например, в случае взаимодействия собственного магнитного поля планеты с солнечным ветром, магнитосфера представляет полость достаточно сложной формы, обтекаемую солнечным ветром.
Проникновение плазмы в магнитосферу Земли происходит непосредственно через промежутки между замкнутыми и «разомкнутыми» магнитными силовыми линиями в магнитопаузе, именуемые дневными полярными каспами, или вследствие гидромагнитных эффектов и неустойчивостей. Проникновение плазмы солнечного ветра может сопровождаться дневными полярными сияниями в высокоширотной ионосфере. К развитию таких неустойчивостей приводят, в частности, резкие изменения параметров межпланетной среды. Это проявляется в зависимости частоты и интенсивности полярных сияний от уровня солнечной активности.
Часть плазмы, проникшей в магнитосферу, образует радиационный пояс планеты (пояс Ван Аллена) и плазменный слой.
В Солнечной системе, помимо Земли, магнитосфера имеется у большинства планет.
Магнитосфера Земли
Магнитосфера Земли имеет сложную форму. Со стороны, обращенной к Солнцу, расстояние до её границы варьируется в зависимости от интенсивности солнечного ветра и составляет около 70000 км (10-12 радиусов Земли Re, где Re = 6371 км, (расстояние считается от центра Земли). Граница магнитосферы, или магнитопауза, со стороны Солнца по форме напоминает снаряд и по приблизительным оценкам находится на расстоянии около 15 Re. С ночной стороны магнитосфера Земли вытягивается длинным цилиндрическим хвостом (магнитный хвост), радиус которого составляет около 20-25 Re. Хвост вытягивается на значительное расстояние — намного большее, чем 200 Re, и где он заканчивается — не известно.
С наличием магнитосферы связаны многие проявления Космической погоды, такие как геомагнитная активность, геомагнитная буря и суббуря.
Магнитосфера обеспечивает защиту, без которой жизнь на Земле была бы невозможна. Марс, магнитное поле которого очень мало, как полагают потерял значительную часть своих бывших океанов и атмосферы в космос частично за счет прямого воздействия солнечного ветра. По той же причине, как полагают, Венера потеряла большую часть своих вод в космос — за счет уноса солнечным ветром [1] .
Общие сведения
Форму, структуру и размеры магнитосферы Земли определяют два главных фактора:
- Магнитное поле Земли — в первом приближении может быть аппроксимировано полем магнитного стержня, магнитного диполя, наклоненного примерно на 11° по отношению к оси вращения Земли, хотя существуют и гармоники более высокого порядка, как впервые указал Карл Фридрих Гаусс. Величина дипольного поля Земли 0.3-0.6 Гаусса на земной поверхности, и эта величина убывает обратно пропорционально кубу расстояния, то есть на расстоянии R от Земли оно составляет только 1/R³ от магнитного поля на поверхности. Гармоники магнитного поля более высокого порядка убывают ещё быстрее, таким образом с расстоянием магнитное поле диполя становится преобладающим в магнитосфере Земли.
- Солнечный ветер — представляет собой быстрый поток горячей плазмы, уходящей от Солнца во всех направлениях. Типичная скорость солнечного ветра на границе земной магнитосферы 300—800 км/с. Солнечный ветер состоит из протонов, альфа-частиц и электронов, так что в целом он квази-нейтрален. Солнечный ветер пронизан межпланетным магнитным полем, которое представляет собой главным образом магнитное поле Солнца, переносимое плазмой солнечного ветра на дальние расстояния.
Магнитосферы звезд
Наиболее существенно влияние магнитосфер звезд на процессы аккреции на них. Свободное падение плазмы на звезду останавливается её магнитным полем на расстоянии её альвеновского радиуса, то есть на границе магнитосферы, аккреция при этом направляется на магнитные полюса звезды.
Источник
Магнитосфера Земли: последствия ее изменения. Внешние оболочки Земли
Магнитосфера обволакивает любое тело с магнитным полем. Она появляется по причине того, что частицы с зарядами уклоняются от исходной линии движения под влиянием внутреннего магнетизма. Место встречи солнечной энергии и магнитного поля формирует плазму, покрывающую магнитосферную оболочку.
Влияние Солнца на Землю
Солнце выделяет большое количество энергии, которая постоянно расширяется, «испаряется» вовне. Это расширение называют солнечным ветром.
Солнечный ветер распространяется по любым направлениям, наполняя все межпланетное пространство. По этой причине в межзвездной области образуется плазменное формирование, называемое плазмой солнечного ветра.
Солнечная плазма движется спирально, в среднем за 4 суток преодолевает интервал между Солнцем и Землей.
Солнце выделяет энергию, благодаря которой продолжается жизнь на Земле. Однако от Солнца исходит и опасная радиация, разрушительная для всех живых существ на нашей планете. При движении Земли вокруг Солнца излучение распределяется неравномерно на протяжении года. По этой причине меняются времена года.
Что защищает Землю?
Естественное строение планеты Земля защищает ее от вредного солнечного излучения. Земля окружена несколькими оболочками:
- магнитосферой, которая защищает от радиационного солнечного потока;
- ионосферой, впитывающей рентгеновское и ультрафиолетовое излучение;
- озоновым слоем, сдерживающим остаточные количества ультрафиолета.
В результате биосфера Земли (среда обитания живых организмов) оказывается полностью защищенной.
Магнитосфера Земли – защитный слой, самый удаленный от центра планеты. Она является барьером для плазмы солнечного ветра. По этой причине плазма Солнца течет вокруг Земли, формируя полостное образование, в котором скрыто геомагнитное поле.
Почему существует магнитное поле?
Причины земного магнетизма скрыты внутри планеты. Как известно о строении планеты Земля, она состоит из:
Вокруг планеты существуют различные поля, в том числе гравитационное и магнитное. Гравитация в простейшем смысле является притяжением земли для всех материальных частиц.
Земной магнетизм заключается в явлениях, происходящих на рубежах ядра и мантии. Сама планета – это огромный магнит, равномерно намагниченный шар.
Причиной всякого магнитного поля являются электроток или непрекращающаяся намагниченность. Ученые, занимающиеся проблемой магнетизма Земли, выясняют:
- причины магнитного притяжения Земли;
- устанавливают связи между земным магнетизмом и его источниками;
- определяют распределение и направленность магнитного поля на планете.
Эти исследования проводятся посредством магнитных съемок, а также через наблюдения в обсерваториях – специальных пунктах в разных областях земного шара.
Как устроена магнитосфера?
Вид и устройство магнитосферы вырабатываются:
- солнечным ветром;
- земным магнетизмом.
Солнечный ветер – это выход плазмы, распределяющийся от Солнца в любые стороны. Скорость ветра у земной поверхности 300-800 км/с. Солнечный ветер наполнен протонами, электронами, альфа-частицами и характеризуется квазинейтральностью. Солнечный ветер наделен солнечным магнетизмом, перемещаемым плазмой очень далеко.
Магнитосфера Земли является довольно непростой полостью. Все ее участки наполнены плазменными процессами, в которых большое значение имеют механизмы ускорения частиц. С солнечной стороны промежуток от центра до границ Земли определяется силой солнечного ветра и может достигать от 60 до 70 тысяч километров, что равно 10-12 радиусам Земли Re. Re равняется 6371 км.
Границы магнитосферы различны в зависимости от расположения по отношению к Солнцу. Подобная граница с солнечной стороны по форме похожа на снаряд. Ее примерное расстояние 15 Re. С темной стороны магнитосфера принимает форму цилиндрического хвоста, его радиус 20-25 Re, длина более 200 Re, окончание неизвестно.
В магнитосфере есть области с частицами высокой энергии, они называются «пояса радиации». Магнитосфера способна инициировать разные колебания и сама является источником радиационного излучения, часть которого может проникать на Землю.
Плазма просачивается в магнитосферу Земли через интервалы между чертами магнитопаузы – полярными каспами, а также по причине гидромагнитных явлений и нестабильностей.
Деятельность магнитного поля
Магнитосфера Земли влияет на геомагнитную активность, геомагнитные бури и суббури.
Она защищает жизнь на Земле. Без нее жизнь бы прекратилась. По мнению ученых, океаны Марса и его атмосфера ушли в космос из-за нескрытого влияния солнечного ветра. Так же и воды Венеры были унесены в космическое пространство солнечным потоком.
Магнитосфера есть также у Юпитера, Урана, Сатурна и Нептуна. У Марса и Меркурия магнитные оболочки незначительны. У Венеры ее вообще нет, с солнечным ветром удается справляться благодаря ионосфере.
Особенности поля
Главное свойство магнитного поля – это напряженность. Магнитная напряженность – это векторная величина. Магнитное поле планеты изображают с помощью силовых линий, касательные к ним показывают направление вектора напряженности.
Напряженность магнитного поля в наши дни составляет 0,5 эрстед или 0,1 а/м. Ученые допускают колебания величины в прошлом. Но последние 2-3,5 млрд лет геомагнитное поле не менялось.
Точки на Земле, где напряженность вертикально направлена, называются магнитными полюсами. На Земле их два:
Через оба полюса проходит прямая — магнитная ось. Окружность, расположенная перпендикулярно оси, – это магнитный экватор. Напряженность поля в экваторе расположена горизонтально.
Магнитные полюса
Магнитные полюса не соответствуют обычным географическим. Географические полюса размещаются по географической оси, вдоль которой вращается планета. При движении Земли вокруг Солнца направление земной оси сохраняется.
Стрелка компаса показывает именно на магнитный северный полюс. Магнитные обсерватории измеряют колебания магнитного поля в течение суток, некоторые из них занимаются ежесекундным измерением.
От Северного полюса к Южному проходят магнитные меридианы. Угол между магнитным и географическим меридианом называют магнитным склонением. Любая точка на земле имеет собственный угол склонения.
На экваторе стрелка магнита размещается горизонтально. При движении на север верхний конец стрелки устремляется вниз. Угол между стрелкой и горизонтальной поверхностью – это магнитное наклонение. В области полюсов наклонение самое большое и составляет 90 градусов.
Передвижение магнитного поля
С течением времени расположение магнитных полюсов изменяется.
Изначально магнитный полюс был открыт в 1831 году, и тогда он располагался за сотни километров от текущего местоположения. Приблизительное расстояние передвижения за год – 15 км.
В последние годы темп передвижения магнитных полюсов возрастает. Северный полюс двигается со скоростью 40 км в год.
Перестановка магнитных полей
Процесс смены полярностей на Земле называется инверсией. Ученым известно, по крайней мере, о 100 случаях, когда геомагнитное поле меняло свою полярность.
Считается, что инверсия происходит раз в 11-12 тысяч лет. Другие версии называют 13, 500 и даже 780 тысяч лет. Возможно, инверсия не имеет четкой периодичности. Ученые считают, что при предыдущих инверсиях жизнь на Земле сохранялась.
Люди задаются вопросом: «Когда же ждать следующую переполюсовку?»
Этап смещения полюсов происходит на протяжении последнего столетия. Южный полюс сейчас расположен в Индийском океане, а северный смещается через Северный Ледовитый океан в сторону Сибири. Магнитное поле около полюсов при этом слабеет. Снижается напряжённость.
Скорее всего, при следующей инверсии жизнь на Земле продолжится. Вопрос только в том, какой ценой. Если инверсия происходит с угасанием магнитосферы на Земле на небольшое время, это может быть очень опасно для человечества. Незащищенная планета подвергается неблагоприятному воздействию космических лучей. Кроме того, уменьшение озонового слоя также может представлять серьезную опасность.
Смена полюсов на Солнце, произошедшая в 2001 году, не привела к отключению его магнитного слоя. Будет ли подобный сценарий на Земле, ученым неизвестно.
Возмущение магнитосферы земли: влияние на человека
При первоначальном приближении солнечная плазма не достигает магнитосферы. Но при определенных условиях нарушается проницаемость плазмы, возникает повреждение магнитной оболочки. Солнечная плазма и ее энергия проникают в магнитосферу. Относительно к темпу поступления энергетических потоков существуют три варианта ответа магнитосферы:
- Спокойное состояние магнитосферы — оболочка не изменяет своего состояния, поскольку скорость перемещения энергии слишком мала или равняется величине рассеянной энергии внутри магнитной сферы.
- Магнитная суббуря. Состояние, возникающее в том случае, когда скорость приходящей энергии выше скорости стационарной диссипации, а часть энергии улетучивается из магнитосферы по каналу, называемому суббурей. Процесс заключается в высвобождении части магнитосферной энергии. Самое яркое его олицетворение – полярное сияние. Выбросы лишней энергии могут происходить с периодичностью в 3 часа в полярных областях обоих полушарий.
- Магнитная буря – это процесс сильнейшего волнения поля по причине высокой скорости поступающей извне энергии. Магнитное поле претерпевает изменения и внизу, в области экватора.
Магнитное поле Земли во время суббурь меняется локально, а во время бурь изменения являются глобальными. В любом случае эти изменения не бывают выше нескольких процентов, что гораздо меньше техногенных полей.
Медицина считает, что магнитные бури неблагоприятно влияют на здоровье человека. В этот период увеличивается число пациентов, страдающих сердечно-сосудистыми патологиями, депрессиями и другими нервно-психическими расстройствами.
Велика роль магнитосферы Земли во всех географических процессах на планете. Эта защитная оболочка предохраняет нашу планету от многих неблагоприятных процессов и оказывает влияние на погодные условия. Под влиянием изменений в магнитосфере на Земле меняются климатические особенности, формы жизнедеятельности животных и растений и многое другое.
Источник