Магнітосфера Землі

МАГНІТОСФЕ́РА ЗЕМЛІ́ — зовнішня, найбільш мінлива оболонка Землі (див. також Магніто­сфера планети). Вона є результатом взаємодії гол. магнітного поля Землі, джерелом якого є струми у ядрі Землі, зі змін. соняч. вітром — потоком заряджених частинок, що утворюється внаслідок газодинаміч. роз­шире­н­ня соняч. корони. Він без­перервно витікає із Сонця в тих місцях корони, де магнітні поля Сонця від­криті в між­планетне середовище. Соняч. вітер несе з собою вморожене магнітне поле Сонця (між­планетне магнітне поле), напруженість якого побл. Землі у спокій. умовах ~10 нТл. Швидк. соняч. вітру побл. орбіти Землі становить 400–700 км/сек., температура — ~5∙10⁴–5∙10⁵ K. Соняч. вітер обтікає М. З., проносячи з собою осн. частину енергії, всередину М. З. пере­дається бл. 1 %. Під час зі­ткне­н­ня зовн. оболонки М. З. — магнітопаузи — з між­планет. магніт. полем від­бувається пере­єд­на­н­ня силових ліній між­планет. магніт. поля та геомагніт. поля. Коли соняч. вітер несе тільки пд. між­планетне магнітне поле, то пере­єд­на­н­ня перед­бачає утворе­н­ня вихорів конвекції плазми в М. З. та іоно­сфері з антисоняч. напрямом у зовн. частині хвоста та протилеж. напрямом у його центр. частині. Подібна, хоча і менш інтенсивна, система конвекції утворюється і за рахунок квазівʼязкої взаємодії соняч. вітру на ранк. та вечір. флангах хвоста М. З. Пере­єд­на­н­ня та квазівʼязка взаємодія є двома осн., сут­тєво різними механізмами пере­носу в М. З. та іоно­сферу плазми соняч. вітру, ефективність яких контролюється величиною та напрямом між­планет. магніт. поля. Збуре­н­ня у М. З. (магнітні бурі та суб­бурі) виникають, коли пере­нос енергії посилюється на 1–2 порядки величини, досягаючи потужності ≥10¹¹ Вт. Границя М. З. — магнітопауза — від­діляє її від соняч. вітру. Струми на магнітопаузі (Chapman-Ferraro current, CF) контролюються динаміч. тиском іонів соняч. вітру (P_sw). Між закритими та від­критими силовими лініями знаходяться каспи (polar cusps, PC) — області, через які частинки соняч. вітру можуть досягати внутр. М. З. У протилеж. від Сонця напрямі геомагнітне поле витягується на великі від­стані, утворюючи хвіст М. З. Cтру­­ми впоперек хвоста М. З. (tail current, TС), які замикаються на магнітопаузі, створюють окрему струм. систему. Хвіст М. З. складається з пн. і пд. половин (долі хвоста). Їхні магнітні поля антипаралельні, між ними — нейтрал. шар (його ще називають плазм. шаром, CPS), у якому щільність плазми на 2 порядки величини вища, ніж у долях хвоста. Його існува­н­ня у приекваторіал. області пояснюється тим, що трубка за­мкнутих геомагніт. силових ліній є «пасткою» для заряджених частинок. Область у внутр. М. З. між плазмо­сферою та CPS називають Альвенів. шаром (Alf­­ven layer), де силові лінії магніт. поля закриті. Магнітні силові лінії зʼ­єд­нують далекий плазм. шар із близькою до Землі іоно­сферою в 2-х вузьких високоширот. зонах — аврорал. овалах. Тут спо­стерігаються осн. збуре­н­ня, по­­вʼязані з висипа­н­ням в іоно­сферу уздовж силових ліній енергій. часток плазмов. шару — полярні сяйва (аврори), магнітні бурі, суб­бурі та ін. Ключовим елементом у початку та роз­витку процесів у навколозем. просторі класично вважається кільцевий магніто­сфер. струм (ring current, RC). Енергійні заряджені частинки (іони водню H⁺, кисню O⁺, гелію, азоту з енергіями від кількох кеВ до МеВ) тороїдально обертаються навколо Землі та утворюють кільцевий електр. струм, направлений на Зх., з центром у екваторіал. площині на від­станях 3÷8 RE. Посиле­н­ня кільцевого струму під час магніт. бурь проявляється на Землі у низьких широтах у зменшен­ні горизонт. компоненти H геомагніт. поля. Залежно від роз­поділу іонів по пітч-кутах (кут між напрямом векторів швидкості зарядженої частинки та магніт. поля) він може концентруватися або біля екватора, або роз­поділятися вздовж магніт. оболонок. У остан. випадку поле цього струму на Землі є однорідним і має широт. роз­поділ, пропорційний cos²Φ, де Φ — гео­магнітна широта точки на поверх­ні Землі. Енергет. характеристикою інтенсивності кільцевого струму вважається індекс геомагніт. активності Dst. За назем. спо­стереже­н­нями у низьких широтах досліджено асиметрію кільцевого струму, яка проявляється у різній величині D_st-варіації для окремих обсерваторій. Її повʼязують з існува­н­ням у М. З. двох кільцевих струмів — основного (RC) та часткового (partial ring current, PRC). RC та PRC сформовані зх. дрейфом іонів навколо Землі. В області RC іони циркулюють нав­коло Землі багато разів, а в області PRC дрейф пере­ривається до повного оберту та іони залишають М. З. внаслідок висипа­н­ня в іоно­сферу чи досягне­н­ня ними магнітопаузи у полудневому секторі за місц. часом. PRC замикається по­здовж. струмами (або струмами Біркеланда field-aligned currents, FAC) регіону 2 на сх. аврорал. іоно­­сфер. електрострумінь. Струми замика­н­ня PRC течуть у регіоні 2 по­здовж. струмів, вниз, в іоно­сферу, у вечір. секторі та нагору, з іоно­сфери, у світанковому. Водночас частки, які роблять повний оберт навколо Землі, формують симетр. кільцевий струм. Гол. від­мін­ність частк. кільцевого струму від великомас­­штаб. струм. систем полягає у його звʼязку з іоно­сферою через систему по­здовж. струмів FAC, яка складається з 3-х частин: регіон 1, повʼязаний з центром конвекцій. вихору в іоно­сфері; регіон 2, струми якого замикаються частк. кільцевим струмом; регіон 0, роз­ташований всередині регіону 1. Регіон 0 виділяється не всіма дослідниками, він є дис­кусійним. Отже, глобал. магніто­сферні струм. системи (струми Чепмена-Фераро на магнітопаузі, струми хвоста М. З. та кільцевий струм) формуються у результаті взаємодії соняч. вітру з геомагніт. полем. Варіації параметрів соняч. вітру та між­планет. магніт. поля викликають посиле­н­ня магніто­сфер. струмів, зміну їхніх роз­мірів і роз­ташува­н­ня у просторі. Різні магніто­сферні струм. системи знаходяться в областях косміч. простору з різними фіз. властивостями і по-різному реагують на зовн. вплив. Несин­хрон. роз­виток глобал. магніто­­сфер. струм. систем, зміна їхньої інтенсивності та роз­ташува­н­ня під впливом соняч. вітру зумовлюють складну динаміку М. З., що проявляється у варіаціях магніт. поля, які вимірюють на поверх­ні Землі.

Завантажити статтю