8.Межпланетное магнитное поле. Солнечный ветер.Магнитосфера Земли. Радиационные пояса земли

Движение заряженных частиц направляется магнитным полем. Для того чтобы проследить, как заряженные частицы, входящие в состав солнечного ветра, двигаются от Солнца к Земле, надо прежде всего рассмотреть свойства преодолеваемого ими пространства (межпланетного пространства). Основное свойство его — это наличие в этом пространстве магнитного поля.

То, что магнитное поле межпланетного пространства имеет секторную структуру, очень важно для возникновения и протекания магнитных бурь на Земле и даже для формирования погоды. Измерения с помощью ракет показали, что скорость солнечного ветра и плотность частиц систематически изменяются. На границе секторов эти параметры резко увеличиваются. В конце второго дня после прохождения границы сектора плотность плазмы очень быстро увеличивается, а затем через два или три дня начинает медленно уменьшаться. Скорость солнечного ветра медленно уменьшается на второй или третий день после достижения максимума.

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР – это поток заряженных частиц (плазмы), увлекающий за собой силовые линии магнитных полей Солнца и обтекающий магнитосферу Земли. Солнечный ветер – это поток полностью ионизованного водородного газа, называемого обычно полностью ионизованной водородной плазмой в силу примерно одинаковой плотности электронов и протонов (условие квазинейтральности), который с ускорением движется от Солнца. В районе орбиты Земли (на одной астрономической единице или, на 1 АЕ от Солнца) его скорость достигает среднего значения VE » 400–500 км/сек при температуре протонов TE » 100 000К и несколько большей температуре электронов (индекс «Е» здесь и в дальнейшем относится к орбите Земли). При таких температурах скорость на 1 АЕ существенно превосходит скорость звука, т.е. поток солнечного ветра в районе орбиты Земли является сверхзвуковым (или гиперзвуковым). Измеренная концентрация протонов (или электронов) достаточно мала и составляет величину nE » 10–20 частиц в кубическом сантиметре. Кроме протонов и электронов, в межпланетном космическом пространстве были обнаружены альфа-частицы (порядка нескольких процентов от концентрации протонов), небольшое количество более тяжелых частиц, а также межпланетное магнитное поле, средняя величина индукции которого оказалась на орбите Земли порядка нескольких гамм (1g = 10–5 гаусс).

Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе магнитные бури и полярные сияния.

Внешнее магнитное поле Земли - магнитосфера - распространяется в космическом пространстве более чем на 20 земных диаметров и надежно ограждает нашу планету от мощного потока космических частиц. Наиболее же ярким проявлением магнитосферы являются магнитные бури - быстрые хаотические колебания всех компонентов геомагнитного поля. СТРОЕНИЕ МАГНИТОСФЕРЫ: (1) Солнечный ветер, (2) фронт ударной волны, (3) межпланетное магнитное поле, (4) хвостовая часть магнитосферы, (5) магнитопауза (граница магнитосферы), (6) ночная сторона магнитопаузы, (7) дневная сторона магнитопаузы, (8) точка пересечения силовых линий, (9) ионосфера, (10) захваченные силовыми линиями частицы, (11) сфера плазмы, (12) овал полярных сияний.

Радиационные пояса Земли, внутренние области земной магнитосферы, в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы (протоны, электроны, альфа-частицы), обладающие кинетической энергией от десятков кэв до сотен Мэв (в разных областях Радиационные пояса Земли энергия частиц различна, см. ст. Земля, раздел Строение Земли). Выходу заряженных частиц из Радиационные пояса Земли мешает особая конфигурация силовых линий геомагнитного поля, создающего для заряженных частиц магнитную ловушку. Захваченные в магнитную ловушку Земли частицы под действием Лоренца силы совершают сложное движение, которое можно представить как колебательное движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля из Северного полушария в Южное и обратно с одновременным более медленным перемещением (долготным дрейфом) вокруг Земли.

Когда частица движется по спирали в сторону увеличения магнитного поля (приближаясь к Земле), радиус спирали и её шаг уменьшаются. Вектор скорости частицы, оставаясь неизменным по величине, приближается к плоскости, перпендикулярной направлению поля. Наконец, в некоторой точке (её называют зеркальной) происходит «отражение» частицы. Она начинает двигаться в обратном направлении — к сопряжённой зеркальной точке в др. полушарии. Одно колебание вдоль силовой линии из Северного полушария в Южное протон с энергией ~ 100 Мэв совершает за время ~ 0,3 сек. Время нахождения («жизни») такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет (~ 3×109 сек), за это время он может совершить до 1010 колебаний.