Магнітосфера землі

Визначення і загальна характеристика

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 квазів’язкої взаємодії соняч. вітру на ранк. та вечір. флангах хвоста М. З. Переєднання та квазів’язка 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 з’єднують далекий плазм. шар із близькою до Землі іоносферою в 2-х вузьких високоширот. зонах — аврорал. овалах. Тут спостерігаються осн. збурення, по­­в’язані 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 пов’язують 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 зв’язку з іоносферою через систему поздовж. струмів FAC, яка складається з 3-х частин: регіон 1, пов’язаний 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