Магнитное поле Земли

Рис.4

В плазме могут распространяться гидромагнитные волны (альвеновские волны). Это – колебание магнитной силовой линии, распространяющееся вдоль неё (как в длинном свободном шнуре). Волна возможна, только если силовая линия «вморожена» в плазму.

Скорость распространения возбуждения (т.е. волны) ,

где d - плотность среды. Магнитное поле должно быть достаточно сильным.

В плазме совершаются очень сложные физические процессы. Если + и - заряды слегка раздвинуть и отпустить, они начнут колебаться с частотой f_пл - плазменная частота. Радиоволны с f > f_пл

не отражаются от ионосферы, а проходят через неё.

,

где n_e – концентрация электронов в плазме, q и m_e - заряд и масса электрона, соответственно.

В плазме возможен электрический дрейф: если есть и электрическое и магнитное поле, то она вся в целом перемещается со скоростью

,

причём, при постоянстве электрической силы постоянна скорость, а не ускорение.

В неоднородном магнитном поле частицы дрейфуют перпендикулярно градиенту ; это – магнитный дрейф. В результате заряженная частица принимает участие в трёх движениях:

- вращение по ларморовской окружности со скоростью , где - угол между

направлениями и ;

- перемещение центра этой окружности вдоль силовой линии магнитного поля со скоростью , на которую магнитное поле не влияет;

- дрейф центра ларморовской окружности перпендикулярно и .

Поэтому заряженные частицы, например, в магнитном поле Земли описывают сложные траектории. Если облаку плазмы удалось оторваться от основного вещества, оно увлекает с собой магнитное поле (т.к. оно «вморожено» в плазму).

Итак, плазма обладает специфическими свойствами:

1) она в целом электронейтральна, но обладает электропроводностью;

2) при наличии магнитного поля она сосуществует с ним:

- оно ограничивает подвижность плазмы (вдоль поля частицы движутся свободно, поперёк – труднее),

- плазма увлекает магнитное поле с собой при отрыве от основной массы плазменного вещества;

3) в плазме возможен электрический дрейф,

4) в ней возможен магнитный дрейф;

5) плазма поглощает электромагнитные колебания определённой частоты (плазменная частота).

6) в ней могут распространяться гидромагнитные волны.

 

Магнитное поле Солнца [2]

По современным представлениям, Солнце состоит примерно на три четверти из водорода, на одну четверть из гелия и содержит порядка 2% более тяжёлых элементов. Оно имеет следующее строение (Рис.5).

 

Рис.5

1. В центре его находится раскалённое ядро, температура которого 14…16 миллионов кельвинов;

радиус ядра составляет примерно одну четверть от всего радиуса Солнца; давление газа в нём

атмосфер; плотность кг/ м³ , в 10 раз больше плотности твёрдого свинца.

Эти условия достаточны для протекания в ядре термоядерных реакций синтеза. В результате выделяется огромная энергия, главным образом, в виде - излучения. При термоядерных реакциях образуются нейтрино, обладающие фантастической проникающей способностью, т.к. не испытывают электромагнитного воздействия. Они движутся со скоростью света и достигают Земли за 8,3 минуты.

2. Затем – конвективная зона, имеющая вид ячеек Бенара. Здесь вещество - как бурно кипящая жидкость. Наблюдается несколько ярусов ячеек (Рис.6).

 

Рис.6

3. Яркая светящаяся поверхность Солнца, видимая невооружённым глазом, - фотосфера, температура её порядка 6000 К. Из фотосферы вырываются яркие струи – факелы. Время их жизни порядка нескольких часов, температура 7000 К. Фотосфера абсолютно непрозрачна. Внешние ячейки конвективной зоны выносят в неё вещество и энергию.

4. Над фотосферой располагается хромосфера – достаточно плотный и тонкий слой, он виден во время солнечного затмения как ореол.

1. Затем – корона, разреженная, неоднородная горячая область, Т = 1…2 млн К. Она простирается

до расстояний в несколько солнечных радиусов. В ней время от времени взлетают протуберанцы. Они бывают спокойными, активными и взрывными. Взрывные могут покидать солнечную атмосферу. Высота их достигает 1,5 млн км, скорость до 300 км/ с. Случались выбросы в течение нескольких минут со скоростью 1000 км/ с (Рис.7).

Рис.7

 

Вещество Солнца – плазма. Солнце вращается вокруг своей оси в ту же сторону, в которую движутся по своим орбитам планеты солнечной системы, но быстрее: период его вращения равен 28 земным суткам. Ему присуще дифференциальное вращение: угловая скорость больше к экватору, меньше в приполярных областях.

Итак, конвекция, электропроводность, дифференциальное вращение в общем магнитном поле Солнца приводит к возникновению локальных токов, а значит, и магнитных полей. Это выражается в солнечной активности.

Дифференциальное вращение плазмы Солнца приводит к «наматыванию» силовых линий магнитного поля на его поверхность, как ниток на клубок. Наибольшая их густота оказывается вблизи экватора. Общая структура силовых линий усложняется. Наконец, она становится неустойчивой, силовые линии разрываются. Их структура снова становится простейшей, дипольной, но положение полюсов поменялось – произошла инверсия магнитного поля. Если изначально северный магнитный полюс был наверху, то в результате инверсии он окажется внизу. Это – простейшая модель 11-летнего цикла активности Солнца (с учётом смены полярности – 22-летнего) (Рис.8). На рис.8,а цифры означают количество оборотов. Вращение Солнца увлекает за собой силовые линии магнитного поля. На рис.8,б – картина после многих оборотов. На рис.8,в – разрыв средней силовой линии, переполюсовка магнитного поля.

Рис.8

Вспышки происходят там, где резко меняется направление магнитного поля. Разрыв – вспышка. Это – одна разновидность солнечной активности.

Согласно принятой гипотезе процессы на Солнце происходят следующим образом. Представим себе тор. Вокруг его продольной оси вращаются свободные электроны. Вдоль продольной оси тора возникает магнитное поле в форме магнитной трубки, заключающей в себе плазму тора.

Так как магнитные силовые линии «вморожены» в плазму, то такая структура очень устойчива. Заполненные плазмой магнитные трубки могут возникать в конвективной зоне. Затем они меняют форму, перекручиваются и т.п. В конце концов они выносятся на поверхность Солнца, в фотосферу, где температура порядка 6000 К.

Для магнитной трубки энергетически выгодно располагаться не в плоскости фотосферы, а поперёк, перпендикулярно ей. Возникают магнитные арки, концы которых закреплены в фотосфере, а вершины простираются в корону. Характерная высота арки h ~ 10…100 тысяч километров, поперечное сечение d ~ 1000…5000 км (Рис.9).

 

 

Рис.9

 

Движение частиц в арках поперёк силовых линий магнитного поля затруднено, поэтому в том месте, где «нога» арки погружается в фотосферу, при той же продольной скорости частиц поперечная составляющая скорости подавлена. В результате внутренние части области входа арки в фотосферу холоднее, темнее окружающей плазмы. Температура там порядка 4500 К. Это – солнечные пятна. Понятно, почему они возникают парами.

Движение вещества часто приводит к тому, что вблизи арки или прямо под ней всплывает ещё одна арка, затем ещё и ещё. Магнитные поля короны запутываются, в них накапливается потенциальная энергия. При благоприятных условиях магнитные поля трубок «пересоединяются». Структура становится проще, выделяется энергия, она передаётся электронам в виде их кинетической энергии. Электроны ускоряются до десятков тысяч эВ и высыпаются в хромосферу, ионизируя вещество. При его рекомбинации происходят вспышки на Солнце. Значит, выбрасываются электроны и энергия во всех диапазонах длин волн – от радиоволн до - квантов.

Наиболее продолжительные и энергичные вспышки сопровождаются выбросом вещества из короны. Это уже протоны. Траектория потока протонов определяется формой «открытых» магнитных полей Солнца, простирающихся на огромные расстояния и образующих «коридоры», по которым движутся потоки частиц. Эти коридоры спирально закручены из-за вращения Солнца.

Спиральные коридоры от Солнца в окружающее пространство существуют довольно долго – сутки, недели и дольше. Начинаются они на Cолнце «открытыми магнитными конфигурациями»: исходящие из них силовые линии не замыкаются нигде на поверхности Солнца, а уходят прочь от него. Над этими областями плотность плазмы ниже, чем вокруг них, так как открытые магнитные конфигурации не удерживают плазму, а лишь препятствуют её поперечному распространению. Это – зияющие окна, через которые плазма уходит прочь от Солнца, образуя солнечный ветер. Такие источники солнечного ветра называются корональными дырами.

Вспышки на Солнце длятся несколько минут. Электроны солнечной плазмы ускоряются до энергий в сотни МэВ (1 МэВ = 10⁶ эВ), протоны и ядра – до десятков ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ эВ). Это – солнечные космические лучи.

Плазма солнечной атмосферы пронизана магнитными полями сложной, постоянно меняющейся формы. Постоянно идёт перераспределение энергии – плазма способна преобразовывать энергию магнитного поля в тепловую и кинетическую, в потоки излучений и быстрых частиц.

Пусть в каком-то участке атмосферы Солнца происходит изменение магнитного поля, например, в результате всплывания новой группы солнечных пятен. Плазма приходит в движение, «вмороженные» в неё силовые линии переносятся вместе с веществом. Среди них при определённых условиях возникают особые линии, вблизи которых в результате течений плазмы магнитная энергия может накапливаться. Силовые линии сгущаются, в их окрестности концентрируется в относительно малых объёмах электрический ток.

Простейший пример – так называемая нулевая линия, на которой напряжённость магнитного поля равна нулю (см., например, рис.8,б). Силовые линии концентрируются вблизи неё, одновременно вытягиваясь вдоль неё. Нулевая линия постепенно преобразуется в токовый слой. В нём сосредоточен электрический ток и вблизи накапливается избыточная магнитная энергия. У Солнца нулевая линия располагается ниже экватора.

Наступает критическое состояние, слой становится неустойчивым – происходит его разрыв. Это – вспышка, трансформация магнитной энергии в другие виды.

Процесс, который формирует и разрушает токовый слой – магнитное пересоединение в плазме противоположно направленных силовых линий магнитного поля, ранее разделённых токовым слоем.

Все процессы на Солнце влияют на состояние планет, в частности Земли.

 

Магнитное поле Земли

Земля – большой магнит. Её магнитное поле имеет и внутреннее и внешнее происхождение и непрерывно изменяется во времени – от часа к часу, из года в год.

[3] Собственное магнитное поле меняется медленно. Это изменение называется постоянным, вековым (вековые вариации). Источник быстрых вариаций – электрические токи в верхних слоях атмосферы – ионосфере.