Войти
Эскиз магнитного поля Земли, представляющий источник магнитного поля Земли в виде магнита. Северный полюс Земли находится в верхней части диаграммы, южный полюс - в нижней части. Обратите внимание, что южный полюс этого магнита находится глубоко внутри Земли под Северным магнитным полюсом Земли. Магнитное поле Земли создается во внешней жидкой части ее ядра из-за динамо-машины, производящей там электрические токи. Эти ионы и электроны из в плазме, взаимодействующей с магнитным полем Земли обычно следуют его магнитным силовым линиям. Они представляют силу, которую северный магнитный полюс будет испытывать в любой заданной точке. (Более плотные линии указывают на более сильную силу.) Плазма демонстрирует более сложное поведение второго порядка, которое изучается в рамках магнитогидродинамики.
Моделирование заряженной частицы, отклоняющейся от Земли магнитосферой. Таким образом, в «закрытой» модели магнитосферы граница магнитопаузы между магнитосферой и солнечным ветром очерчена силовыми линиями. Не так много плазмы может пересечь такую жесткую границу. Его единственные «слабые места» - это два полярных каспа, точки, где силовые линии, закрывающиеся в полдень (ось -z GSM), отделяются от силовых линий, закрывающихся в полночь (+ ось z GSM); в таких точках напряженность поля на границе равна нулю, что не создает препятствий для проникновения плазмы. (Это простое определение предполагает плоскость симметрии полдень-полночь, но замкнутые поля, лишенные такой симметрии, также должны иметь точки возврата по теореме о неподвижной точке. )
Количество энергии солнечного ветра и плазмы, поступающей в настоящую магнитосферу, зависит от того, насколько далеко она отходит от такой «закрытой» конфигурации, то есть от того, насколько силовые линии межпланетного магнитного поля могут пересечь границу. Как обсуждается ниже, эта протяженность очень сильно зависит от направления межпланетного магнитного поля, в частности от его южного или северного наклона.
Схематическое изображение различных токовых систем, которые формируют магнитосферу Земли. Захват плазмы, например кольцевого тока, также следует структуре силовых линий. Частица, взаимодействующая с этим полем B, испытывает силу Лоренца, которая отвечает за многие движения частиц в магнитосфере. Кроме того, токи Биркеланда и тепловой поток также направляются по таким линиям - легко по ним, блокируемым в перпендикулярных направлениях. Действительно, силовые линии в магнитосфере можно сравнить с зерном в бревне, которое определяет «легкое» направление, в котором оно легко уступает дорогу.
Моделируемая заряженная частица, траектория которой определяется в первую очередь магнитосферой Земли. Простейшее магнитное поле B - это постоянное однопараллельное поле и постоянная напряженность поля. В таком поле, если ион или электрон входит перпендикулярно силовым линиям, можно показать, что он движется по кругу (поле должно быть постоянным только в области, охватывающей круг). Если q - заряд частицы, m - ее масса, v - ее скорость и R g - радиус круга ( «радиус вращения» ), все, что нужно сделать, это заметить, что центростремительная сила mv 2 / R g должна быть равна магнитной принудительно qvB. Один получает
R g = mv / (qB)
Если начальная скорость частицы имеет другое направление, нужно только разложить ее на компонент v ⊥, перпендикулярный B, и компонент v //, параллельный B, и заменить v в приведенной выше формуле на v ⊥.
Если W ⊥ = мв ⊥ 2 /2 энергия, связанная с перпендикулярного движения в электрон-вольт (все расчеты здесь нерелятивистское), в поле B нТл (nanotesla), то R г в километрах
Для протонов R g = (144 / B) √ W ⊥
Для электронов R g = (3.37 / B) √ W ⊥
На скорость, параллельную полю v //, поле не влияет, потому что в этом направлении нет магнитной силы. Эта скорость остается постоянной (пока остается поле), а сложение двух движений вместе дает спираль вокруг центральной направляющей линии поля. Если поле изгибается или изменяется, движение изменяется, но общий характер спирали вокруг центральной линии поля сохраняется: отсюда и название « движение ведущего центра ».
Поскольку магнитная сила перпендикулярна скорости, она не выполняет никакой работы и не требует энергии - и не обеспечивает ее. Таким образом, магнитные поля (например, земные) могут сильно влиять на движение частиц в них, но не нуждаются в подаче энергии для поддержания своего эффекта.
Расстояние между силовыми линиями является показателем относительной силы магнитного поля. Там, где силовые линии магнитного поля сходятся, поле усиливается, а там, где они расходятся, - слабее.
Теперь, можно показать, что при движении частиц, вращающихся в «магнитный момент» μ = W ⊥ / B (или Релятивистски, р ⊥ 2 / 2mγB) остается очень почти постоянным. Квалификатор «очень почти» отличает его от истинных констант движения, таких как энергия, сводя его просто к «адиабатическому инварианту». Для большинства плазм в магнитосфере отклонение от постоянства незначительно.
Сохранение μ чрезвычайно важно (как в лабораторной плазме, так и в космосе). Предположим, что линия поля, направляющая частицу, ось ее спирального пути, принадлежит сходящемуся пучку линий, так что частица направляется во все более крупную B. Чтобы сохранить постоянным μ, W ⊥ также должен расти.
Однако, как отмечалось ранее, полная энергия частицы в «чисто магнитном» поле остается постоянной. Таким образом, происходит преобразование энергии из части, связанной с параллельным движением v //, в перпендикулярную часть. По мере уменьшения v // угол между v и B увеличивается, пока не достигнет 90 °. В этой точке W ⊥ содержит всю доступную энергию, она не может больше расти, и дальнейшее продвижение в более сильное поле не может произойти.
Результат известен как магнитное зеркальное отражение. Частица ненадолго вращается перпендикулярно своей направляющей силовой линии, а затем возвращается в более слабое поле, при этом спираль снова раскручивается. Можно отметить, что такое движение было впервые получено Анри Пуанкаре в 1895 году для заряженной частицы в поле магнитного монополя, силовые линии которого все прямые и сходятся к одной точке. На сохранение μ указал только Альфвен около 50 лет спустя, а связь с адиабатическим инвариантом была сделана только позже.
Магнитное зеркальное отражение делает возможным «захват» в дипольных силовых линиях вблизи Земли частиц радиационного пояса и кольцевого тока. На всех таких линиях поле намного сильнее на концах у Земли по сравнению с его силой, когда оно пересекает экваториальную плоскость. Если предположить, что такие частицы каким-то образом помещены в экваториальную область этого поля, большинство из них остается в ловушке, потому что каждый раз, когда их движение вдоль силовой линии приводит их в область сильного поля, они «отражаются» и отскакивают назад и вперед между полушариями. Только частицы, движение которых очень близко к параллельному силовой линии, с близким к нулю μ, избегают зеркального отражения - они быстро поглощаются атмосферой и теряются. Их потеря оставляет пучок направлений вокруг силовой линии, в которой нет частиц - «конус потерь».
В дополнение к вращению вокруг своих направляющих силовых линий и подпрыгиванию назад и вперед между точками зеркала, захваченные частицы также медленно дрейфуют вокруг Земли, переключая направляющие силовые линии, но оставаясь примерно на том же расстоянии (задействован другой адиабатический инвариант, «второй инвариант»).. Это движение упоминалось ранее в связи с кольцевым током.
Одна из причин дрейфа заключается в том, что интенсивность B увеличивается по мере приближения к Земле. Таким образом, вращение вокруг направляющей силовой линии не является идеальным кругом, а немного более круто изгибается на стороне ближе к Земле, где большее B дает меньшее R g. Это изменение кривизны заставляет ионы двигаться в сторону, в то время как электроны, которые вращаются в противоположном направлении, движутся в сторону в противоположном направлении. В конечном результате, как уже отмечалось, возникает кольцевой ток, хотя дополнительные эффекты (например, неравномерное распределение плотности плазмы) также влияют на результат.
Земной " плазменный фонтан ", показывающий ионы кислорода, гелия и водорода, хлынувшие в космос из регионов, близких к полюсам Земли. Слабая желтая область, показанная над северным полюсом, представляет газ, потерянный с Земли в космос; зеленая область - северное сияние или энергия плазмы, изливающаяся обратно в атмосферу. Основная статья: Плазменный фонтан В 1980-х годах был обнаружен «плазменный фонтан» из ионов водорода, гелия и кислорода, истекающий с северного полюса Земли.
