Магнитосфера Юпитера | это... Что такое Магнитосфера Юпитера? (original) (raw)

Магнитосфера Юпитера

Jovian magnetosphere vs solar wind.svg
Открытие
Первооткрыватель Пионер-10
Дата открытия Декабрь 1973[1]
Внутреннее поле
Радиус Юпитера 71 492 км
Магнитный момент 1,56·1020 Tл·м³
Экваториальная напряжённость поля 428 мкТл (4,28 Гс)
Наклонение диполя ~10°
Долгота оси диполя ~159°
Период вращения 9 ч 55 м 29,7 ± 0,1 с
Характеристики солнечного ветра
Скорость 400 км/с[2]
Напряжённость ММП 1 нТл
Плотность 0,4 см−3
Характеристики магнитосферы
Дистанция головной ударной волны ~82 _R_J[3][4][5]
Дистанция магнитопаузы 50-100 _R_J
Длина хвоста магнитосферы более чем 7000 _R_J
Основные ионы O+, S+ и H+
Источники плазмы Ио, солнечный ветер, ионосфера
Скорость притока массы ~1000 кг/с
Максимальная плотность плазмы 2000 см−3[6][7][8]
Максимальная энергия частиц Свыше 100 МэВ
Полярное сияние
Спектр радиоизлучение, ближнее ИК, УФ и рентгеновское
Общая мощность 100 ТВт[9]
Частоты радиоизлучения 0,01-40 МГц

Магнитосфе́ра Юпитера — полость, создаваемая в солнечном ветре планетарным магнитным полем Юпитера, где происходят разнообразные процессы взаимодействия солнечного ветра, межпланетного магнитного поля, собственного магнитного поля Юпитера и окружающей его плазмы. Простираясь на более чем 7 миллионов километров по направлению к Солнцу и почти до орбиты Сатурна в противоположном направлении, магнитосфера Юпитера является самой крупной и мощной среди всех планетарных магнитосфер Солнечной системы, а по объёму представляет собой самую большую непрерывную структуру в Солнечной системе после гелиосферы. Более широкая и плоская, чем земная магнитосфера, юпитерианская на несколько порядков величины мощнее, а её магнитный момент примерно в 18 000 раз больше. Существование магнитосферы Юпитера было выявлено в ходе радионаблюдений в конце 1950-х годов, впервые непосредственно наблюдалась кораблём «Пионер-10» в 1973.

Внутреннее магнитное поле Юпитера генерируется электрическим током, текущим во внешнем ядре планеты, которое состоит из металлического водорода. Вулканические извержения на спутнике Юпитера Ио выбрасывают большой объём оксида серы в космос, формируя крупный газовый тор вокруг планеты. Силы магнитного поля Юпитера заставляют тор вращаться с той же угловой скоростью и в том же направлении что и планета. Тор пополняет магнитное поле планеты плазмой, которая в процесcе вращения растягивается в блиноподобную структуру, известную как магнитный диск. В сущности, магнитосфера Юпитера формируется плазмой Ио и её собственным вращением в куда большей степени, чем солнечным ветром, в отличие от Земной. Мощные токи, протекающие в магнитосфере, служат причиной устойчивых полярных сияний вокруг планетарных полюсов и заметных колебаний в радиоизлучении, что значит, что Юпитер может в некоторых отношениях рассматриваться в качестве очень слабого радиопульсара. Полярные сияния Юпитера наблюдались почти во всех частях электромагнитного спектра, включая инфракрасную, видимую, ультрафиолетовую и мягкую рентгеновскую.

Воздействие магнитосферы захватывает в ловушку и ускоряет частицы, создавая интенсивные радиационные пояса наподобие земных поясов Ван Аллена, но в тысячи раз более мощных. Взаимодействие энергетических частиц с поверхностью крупнейших спутников Юпитера заметно сказывается на их химическом составе и физических характеристиках. Воздействие этих частиц сказывается и на движении пыли и каменных обломков внутри незначительной кольцевой планетарной системы Юпитера. Радиационные пояса представляют серьёзную опасность для космических кораблей и потенциальных пилотируемых экспедиций.

Содержание

Структура

Юпитерианская магнитосфера — это сложная структура, включающая в себя головную ударную волну, магнитный переходной слой, магнитопаузу, хвост магнитосферы, магнитный диск и прочие компоненты. Магнитное поле вокруг Юпитера создаётся за счёт целого ряда явлений, например за счёт жидкостной циркуляции в ядре планеты (внутреннее поле), электрическим током в плазме, окружающей Юпитер, и токами, текущими на границе планетарной магнитосферы. Магнитосфера погружена в плазму солнечного ветра, несущую с собой межпланетное магнитное поле.[10]

Внутреннее магнитное поле

Большая часть юпитерианского магнитного поля, подобно земному, генерируется внутренним динамо, поддерживаемым циркуляцией электропроводной жидкости во внешнем ядре. Но в то время как земное ядро состоит из расплавленного железа и никеля, ядро Юпитера состоит из металлического водорода[4]. Подобно земному, юпитерианское магнитное поле представляет собой главным образом диполь, с северным и южным магнитными полюсами на противоположных концах магнитной оси[3]. Однако на Юпитере северный и южный магнитные полюса диполя лежат в одноимённых полушариях планеты, тогда как в случае Земли, напротив, северный магнитный полюс диполя расположен в южном полушарии, а южный — в северном[11][note 1]. Магнитное поле Юпитера содержит и более высокие мультипольные компоненты — квадрупольную, октупольную и т. д., но они как минимум на порядок слабее дипольной компоненты[3].

Диполь наклонён примерно на 10° относительно оси вращения Юпитера; это наклонение близко к земному (11,3°)[1][3]. Экваториальная индукция магнитного поля составляет примерно 428 мкТл (4,28 Гс, примерно в 10 раз больше земного), что соответствует магнитному моменту диполя около 1,53·1020 Тл·м³ (в 18 000 раз больше земного)[4][note 2]. Юпитерианское магнитное поле вращается с той же угловой скоростью, что и область под атмосферой, с периодом в 9 ч 55 м. Никаких заметных изменений в мощности или структуре не наблюдалось с момента первых измерений «Пионера-10» в середине 1970-х[note 3].

Размер и форма

Внутреннее магнитное поле Юпитера создаёт препятствие на пути солнечного ветра, потока ионизированных частиц, истекающих из верхней солнечной атмосферы, мешая потокам ионов достигать атмосферы Юпитера, отклоняя их от планеты и создавая своего рода полость в солнечном ветре, называемую магнитосферой, которая состоит из плазмы, отличающейся от плазмы солнечного ветра[6]. Юпитерианская магнитосфера настолько велика, что если в ней разместить Солнце даже с его видимой короной, то там всё равно останется достаточно пространства[12]. Если бы её можно было наблюдать с Земли, она бы занимала на небе пространство в пять с лишним раз большее полной луны, несмотря на то, что Юпитер находится более чем в 1700 раз дальше Луны[12].

Как и в случае с земной магнитосферой, граница, разделяющая более плотную и холодную плазму солнечного ветра от более горячей и менее плотной в магнитосфере Юпитера, называется магнитопаузой[6]. Растояние между магнитопаузой и центром планеты составляет от 45 до 100 _R_J (где _R_J = 71 492 км — радиус Юпитера) на подсолнечной точке — нефиксированной точке на поверхности планеты, где Солнце будет находиться непосредственно над наблюдателем[6]. Положение магнитопаузы зависит от давления, оказываемого солнечным ветром, которое, в свою очередь, зависит от уровня солнечной активности[13]. Перед магнитопаузой (на расстоянии от 80 до 130 _R_J от центра планеты) находится головная ударная волна, волнообразное возмущение в солнечном ветре, вызываемое его столкновением с магнитосферой[14][15]. Область между магнитопаузой и головной ударной волной именуется магнитным переходным слоем, или магнитослоем[6].

Схематическое преставление магнитосферы, где плазмосфера (7) обращена к тору из плазмы и магнитослою.

За ночной стороной планеты солнечный ветер вытягивает линии магнитного поля Юпитера в длинный, вытянутый хвост магнитосферы, который порою вытягивается даже за орбиту Сатурна.[16] По своей структуре хвост юпитерианской магнитосферы напоминает земной. Он состоит из двух «лепестков» (области, отмеченные голубым на схеме). Магнитное поле в южном лепестке направлено в сторону Юпитера, а в северном — от него. Лепестки разделены тонкой прослойкой плазмы, называющейся хвостовым токовым слоем (вытянутая оранжевая зона на схеме)[16]. Как и земной, юпитерианский магнитосферный хвост — это канал, через который солнечная плазма попадает во внутренние регионы магнитосферы, где нагревается и формирует радиационные пояса на расстоянии менее чем 10 _R_J от Юпитера[17].

Форма магнитосферы Юпитера, описанная выше, поддерживается 1) нейтральным токовым слоем (также известным как магнитохвостовой ток), который течёт в направлении вращения Юпитера через хвостовой плазменный слой, 2) потоками плазмы внутри хвоста, текущими против вращения Юпитера на внешней границе хвоста магнитосферы, и 3) магнитопаузными токами (или токами Чапмана — Ферраро), которые текут против вращения планеты на дневной стороне магнитопаузы[11]. Эти токи создают магнитное поле, которое обнуляет (компенсирует) внутреннее поле Юпитера за пределами магнитосферы[16]. Они также активно взаимодействуют с солнечным ветром[11].

Традиционно магнитосферу Юпитера делят на три части: внутреннюю, среднюю и внешнею магнитосферу. Внутренняя лежит на расстоянии до 10 _R_J от центра планеты. Магнитное поле внутри неё представляет собой преимущественно диполь, потому что вклад от токов, проходящих через экваториальный плазменный слой, здесь весьма незначителен. В средней (между 10 и 40 _R_J) и внешней (далее 40 _R_J) магнитосфере магнитное поле отклоняется от дипольной структуры и серьёзно возмущается воздействием плазменного слоя (см. ниже раздел Магнитный диск)[6].

Роль Ио

Взаимодействие Ио с магнитосферой Юпитера. Плазменный тор Ио выделен жёлтым.

Хотя в целом магнитосфера Юпитера напоминает формой земную, вблизи от планеты их структуры сильно отличаются[13]. Ио, вулканически активный спутник Юпитера, является мощным источником плазмы и ежесекундно пополняет магнитосферу Юпитера ~1000 кг нового вещества[7]. Сильные вулканические извержения на Ио поднимают в открытый космос сернистый газ, бо́льшая часть которого диссоциируется на атомы и ионизируется солнечной ультрафиолетовой радиацией. В результате образуются ионы серы и кислорода: S+, O+, S2+ и O2+[18]. Эти ионы покидают атмосферу спутника, формируя плазменный тор Ио: массивное и относительно холодное кольцо из плазмы, окружающее Юпитер вдоль орбиты спутника[7]. Температура плазмы внутри тора достигает 10-100 эВ (100 000-1 000 000 К), что намного ниже, чем энергия частиц в радиационных поясах — 10 кэВ (100 млн К). Плазма внутри тора приводится «вмороженным» в неё магнитным полем Юпитера во вращение с тем же периодом, что и сам Юпитер[19] (такое синхронное вращение называется коротацией). Тор Ио оказывает значимое воздействие на динамику всей магнитосферы Юпитера[20].

В результате нескольких процессов, среди которых главную роль играют диффузия и обменная неустойчивость, плазма медленно покидает окрестности планеты[19]. Когда плазма удаляется от Юпитера, радиальные токи, протекающие сквозь неё, постепенно увеличивают свою скорость, поддерживая коротацию[6]. Эти радиальные токи также служат источником азимутальной компоненты магнитного поля, которая в результате прогибается назад относительно направления вращения[21]. Концентрация частиц в плазме уменьшается с 2000 см−3 в торе Ио до примерно 0,2 см−3 на расстоянии в 35 _R_J[22]. В средней магнитосфере, на расстоянии более чем в 20 _R_J от Юпитера, коротация постепенно прекращается, и плазма вращается медленнее, чем планета[6]. В конечном счёте, на расстоянии в более чем 40 _R_J (во внешней магнитосфере) плазма окончательно покидает магнитное поле и уходит в межпланетное пространство через хвост магнитосферы[23]. Двигаясь наружу, холодная и плотная плазма меняется местами с горячей разреженной плазмой (с температурой в 20 кэВ (200 млн K) или выше), двигающейся из внешней магнитосферы[22]. Эта плазма, приближаясь к Юпитеру и сжимаясь, адиабатически нагревается[24], формируя радиационные пояса во внутренней магнитосфере[7].

Магнитный диск

В отличие от магнитного поля Земли, имеющего приблизительно каплеобразную форму, поле Юпитера более сплющено, больше напоминает диск и периодически качается относительно оси[25]. Основной причиной такой дискообразной конфигурации служит центробежная сила, вызываемая коротацией плазмы и магнитного поля, а также тепловым давлением горячей плазмы. Оба явления приводят к растяжению линий магнитного поля, формируя на расстоянии свыше 20 _R_J от планеты сплющенную, блинообразную структуру, известную под названием «магнитный диск»[6][26]. В средней плоскости, примерно вблизи магнитного экватора, этот диск содержит тонкий токовый слой.[18] Линии магнитного поля направлены от Юпитера над этим слоем и к Юпитеру — под ним[13]. Плазма, поступающая от Ио, значительно увеличивает размеры магнитосферы Юпитера, поскольку магнитный диск создаёт дополнительное внутреннее давление, которое уравновешивает давление солнечного ветра[14]. Расстояние от планеты до магнитопаузы в «подсолнечной точке», равное в среднем 75 _R_J, в отсутствие Ио уменьшилось бы до 42 _R_J[6].

Динамика

Коротация и радиальные токи

Перестановочная неустойчивость и пересоединение

Влияние солнечного ветра

Эмиссия

Полярные сияния

Юпитер как пульсар

Взаимодействие с кольцами и лунами

Открытие

Исследования после 1970-х годов

Примечания

  1. ↑ Северный и южный полюса земного магнитного диполя не следует путать с Северным и Южным магнитными полюсами Земли, лежащими, соответственно, вблизи северного и южного географических полюсов.
  2. ↑ Магнитный момент пропорционален произведению экваториальной индукции поля на куб радиуса планеты, который для Юпитера в 11 раз больше радиуса Земли.
  3. ↑ Так, азимутальная ориентация диполя изменилась менее чем на 0,01°.[3]

Источники

  1. ↑ Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок Smith не указан текст
  2. ↑ Blanc, 2005, p. 238 (Table III).
  3. ↑ 1 2 3 4 5 Khurana, 2004, pp. 3-5
  4. ↑ 1 2 3 Russel, 1993, p. 694.
  5. ↑ Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок Zarka375 не указан текст
  6. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Khurana, 2004, pp. 1-3.
  7. ↑ 1 2 3 4 Khurana, 2004, pp. 5-7.
  8. ↑ Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок Bolton не указан текст
  9. ↑ Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок Bhardwaj342 не указан текст
  10. ↑ Khurana, 2004, pp. 12-13.
  11. ↑ 1 2 3 Kivelson, 2005, pp. 303—313.
  12. ↑ 1 2 Russel, 1993, pp. 715—717.
  13. ↑ 1 2 3 Russell, 2001, pp. 1015—1016.
  14. ↑ 1 2 Krupp, 2004, pp. 15-16.
  15. ↑ Russel, 1993, pp. 725—727.
  16. ↑ 1 2 3 Khurana, 2004, pp. 17-18.
  17. ↑ Khurana, 2004, pp. 6-7
  18. ↑ 1 2 Krupp, 2004, pp. 3-4.
  19. ↑ 1 2 Krupp, 2004, pp. 4-7.
  20. ↑ Krupp, 2004, pp. 1-3.
  21. ↑ Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок Khurana13 не указан текст
  22. ↑ 1 2 Khurana, 2004, pp. 10-12.
  23. ↑ Russell, 2001, pp. 1024—1025.
  24. ↑ Khurana, 2004, pp. 20-21.
  25. ↑ Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок depths не указан текст
  26. ↑ Russell, 2001, pp. 1021—1024.

Цитируемые источники

Рекомендуется к прочтению