МАГНИТОСФЕ́РА

МАГНИТОСФЕ́РА Зем­ли, за­пол­нен­ная плаз­мой по­лость, об­ра­зую­щая­ся в по­то­ке сол­неч­но­го вет­ра при его взаи­мо­дей­ст­вии с гео­маг­нит­ным по­лем. Об­на­ру­же­на экс­пе­ри­мен­таль­но в 1958 в ре­зуль­та­те из­ме­ре­ний, про­ве­дён­ных на ИСЗ «Explo­rer-1» (США). Тер­мин «М.» ввёл в 1959 амер. ас­тро­ном Т. Голд, обо­зна­чив им око­ло­зем­ное про­стран­ст­во вы­ше ио­но­сфе­ры, в ко­то­ром гео­маг­нит­ное по­ле осу­ще­ст­в­ля­ет до­ми­ни­рую­щий кон­троль над дви­же­ни­ем га­за и бы­ст­рых за­ря­жен­ных час­тиц. Голд счи­тал, что М. рас­про­стра­ня­ет­ся до рас­стоя­ния ок. 10 зем­ных ра­диу­сов от цен­тра Зем­ли (позд­нее бы­ло ус­та­нов­ле­но, что это рас­стоя­ние зна­чи­тель­но боль­ше).

Наи­боль­ший вклад в маг­нит­ное по­ле Зем­ли вно­сит его ди­поль­ная со­став­ляю­щая, соз­да­вае­мая то­ко­вы­ми ис­точ­ни­ка­ми, рас­по­ло­жен­ны­ми глу­бо­ко под по­верх­но­стью пла­не­ты (см. Зем­ной маг­не­тизм). По­ток час­тиц сол­неч­но­го вет­ра, взаи­мо­дей­ст­вуя с маг­нит­ным по­лем Зем­ли, из­ме­ня­ет его ди­поль­ную кон­фи­гу­ра­цию, соз­да­вая внут­ри по­то­ка по­лость. Пер­вое оп­ре­де­ле­ние фор­мы и по­ло­же­ния этой по­лос­ти, на­зван­ной М., бы­ло вы­пол­не­но в 1964 по дан­ным ИСЗ «IMP-1» («Inter­planetary Monitoring Platform», США).

Строение магнитосферы и приграничные области

Рис. 1. Схема магнитосферы Земли в плоскости, проходящей через магнитные полюсы Земли и линию Земля – Солнце. Линиями со стрелками обозначены силовые линии магнитного поля.

Спут­ни­ко­вые из­ме­ре­ния со­ста­ва, плот­но­сти и энер­гии час­тиц, дви­жу­щих­ся в око­ло­зем­ном кос­мич. про­стран­ст­ве, а так­же из­ме­ре­ния маг­нит­но­го и элек­трич. по­лей по­зво­ли­ли вы­де­лить отд. об­лас­ти М., от­ли­чаю­щие­ся ря­дом осо­бен­но­стей (рис. 1).

Сред­няя ско­рость сол­неч­но­го вет­ра вбли­зи ор­би­ты Зем­ли (ок. 400 км/с) при­мер­но в 5 раз пре­вы­ша­ет ско­рость маг­ни­тоз­ву­ко­вых волн. По­это­му пе­ред М. с её днев­ной сто­ро­ны по­сто­ян­но су­ще­ству­ет ото­шед­шая удар­ная вол­на (на­зы­вае­мая так­же го­лов­ной удар­ной вол­ной), за­мед­ляю­щая и от­кло­няю­щая по­ток сол­неч­но­го вет­ра. То­ко­вый слой, яв­ляю­щий­ся гра­ни­цей М., на­зы­ва­ют маг­ни­то­пау­зой. Его по­ло­же­ние оп­ре­де­ля­ет­ся ба­лан­сом ди­на­мич. дав­ле­ния со сто­ро­ны сол­неч­но­го вет­ра и маг­нит­но­го дав­ле­ния со сто­ро­ны маг­нит­но­го по­ля Зем­ли. Тол­щи­на маг­ни­то­пау­зы из­ме­ня­ет­ся от 100 км до 3000 км и со­став­ля­ет в ср. 400–800 км. Вслед­ст­вие из­ме­не­ния па­ра­мет­ров сол­неч­но­го вет­ра маг­ни­то­пау­за из­ме­ня­ет по­ло­же­ние в про­стран­ст­ве, пе­ре­ме­ща­ясь со ско­ро­стя­ми 10–300 км/с (пре­им. 20–40 км/с). Ди­на­мич. дав­ле­ние сол­неч­но­го вет­ра умень­ша­ет­ся при уда­ле­нии от Солн­ца. В ре­зуль­та­те с ноч­ной сто­ро­ны Зем­ли фор­ми­ру­ет­ся вы­тя­ну­тая ко­ме­то­об­раз­ная полость – хвост М., про­тя­жён­ность ко­то­рой со­став­ля­ет бо­лее 1,5 млн. км. В М., ог­ра­ни­чен­ной маг­ни­то­пау­зой, при­ня­то вы­де­лять внут­рен­нюю и хво­сто­вую час­ти.

М. не изо­ли­ро­ва­на от сол­неч­но­го вет­ра. По­это­му че­рез её гра­ни­цу по­сто­ян­но по­сту­па­ют элек­тро­маг­нит­ная энер­гия и ве­ще­ст­во, в ре­зуль­та­те че­го в М. при­сут­ст­ву­ют то­ко­вые сис­те­мы и круп­но­мас­штаб­ное элек­трич. по­ле. В пре­об­ра­зо­ва­нии энер­гии сол­неч­но­го вет­ра в энер­гию то­ко­вых сис­тем М. и элек­тро­маг­нит­но­го по­ля Зем­ли осо­бую роль иг­ра­ют фи­зич. про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в по­гра­нич­ных об­лас­тях М. К та­ким об­лас­тям от­но­сят­ся: ото­шед­шая удар­ная вол­на, маг­ни­тос­лой (об­ласть про­стран­ст­ва ме­ж­ду удар­ной вол­ной и маг­ни­то­пау­зой) и са­ма маг­ни­то­пау­за. В маг­ни­то­пау­зе вы­де­ля­ют осо­бые об­лас­ти: касп (во­рон­ка, че­рез ко­то­рую час­ти­цы сол­неч­но­го вет­ра про­ни­ка­ют в М.), тур­бу­лент­ный по­гра­нич­ный слой (с днев­ной сто­ро­ны) и по­гра­нич­ный слой на гра­ни­це хво­стовой час­ти М. Эти об­лас­ти ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ким уров­нем элек­тро­маг­нит­ной тур­бу­лент­но­сти и про­ис­хо­дя­щим в них пе­ре­со­еди­не­ни­ем маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний меж­пла­нет­но­го маг­нит­но­го по­ля с маг­нит­ным по­лем М. За счёт энер­гии, вы­сво­бо­ж­даю­щей­ся в ре­зуль­та­те та­ко­го пе­ре­со­еди­не­ния, про­ис­хо­дит ус­ко­ре­ние плаз­мы и её на­грев. Кон­цеп­ция пе­ре­со­еди­не­ния по­зво­ля­ет объ­яс­нить наи­боль­шее чис­ло яв­ле­ний, экс­пе­ри­мен­таль­но на­блю­дае­мых в маг­ни­то­сфе­ре.

Фи­зич. про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в ука­зан­ных пе­ри­фе­рий­ных об­лас­тях око­ло­зем­но­го про­стран­ст­ва, обес­пе­чи­ва­ют по­сту­п­ле­ние энер­гии во внутр. об­лас­ти М. Энер­гия, по­сту­паю­щая внутрь М., воз­рас­та­ет при по­яв­ле­нии вбли­зи ор­би­ты Зем­ли вы­со­ко­ско­ро­ст­ных час­тиц меж­пла­нет­ной сре­ды. По­сту­п­ле­ние энер­гии за­ви­сит так­же от ори­ен­та­ции век­то­ра на­пря­жён­но­сти меж­пла­нет­но­го маг­нит­но­го по­ля: чем боль­ше со­став­ляю­щая век­то­ра, на­прав­лен­ная пер­пен­ди­ку­ляр­но к плос­ко­сти эк­лип­ти­ки в сто­ро­ну Юж. по­лу­ша­рия, тем боль­ше энер­гии по­сту­па­ет в М. От­клик М. на ди­на­ми­ку из­ме­не­ния па­ра­мет­ров сол­неч­но­го вет­ра и меж­пла­нет­но­го маг­нит­но­го по­ля но­сит не­ли­ней­ный ха­рак­тер. Ко­ли­че­ст­вен­ное опи­са­ние та­ко­го от­кли­ка осуществ­ля­ет­ся на ос­но­ве ин­дек­сов гео­маг­нит­ной ак­тивно­сти, которые определяются в хо­де изме­ре­ний, про­во­ди­мых ми­ро­вой се­тью маг­нит­ных об­сер­ва­то­рий.

При по­вы­шен­ном уров­не по­сту­п­ле­ния энер­гии в М. в её хво­сто­вой час­ти воз­рас­та­ет энер­гия маг­нит­но­го по­ля, ко­торая за­тем транс­фор­ми­ру­ет­ся в ки­не­тич. энер­гию элек­тро­нов и ио­нов. Та­кой про­цесс но­сит взрыв­ной ха­рак­тер. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ет маг­ни­то­сфер­но-ио­но­сфер­ное воз­му­ще­ние, на­зы­вае­мое маг­ни­то­сфер­ной суб­бу­рей. При этом в об­лас­ти вы­со­ких ши­рот обо­их по­лу­ша­рий пла­не­ты рез­ко (в неск. раз) воз­рас­та­ет си­ла то­ка в маг­ни­то­сфер­но-ио­но­сфер­ных то­ко­вых сис­те­мах, из­ме­ня­ет­ся их гео­мет­рия, а так­же про­ис­хо­дят вы­сы­па­ния в верх­нюю ат­мо­сфе­ру за­ря­жен­ных час­тиц вы­со­кой энер­гии, что вы­зы­ва­ет по­ляр­ные сия­ния. Вре­менной мас­штаб од­ной изо­ли­ро­ван­ной маг­ни­то­сфер­ной суб­бу­ри со­став­ля­ет 1–3 ч, взрыв­ной фа­зы суб­бу­ри – 15–30 мин. Ес­ли на Солн­це про­ис­хо­дит ко­ро­наль­ный вы­брос мас­сы, вы­со­ко­ско­ро­ст­ные по­то­ки сол­неч­ной плаз­мы обес­пе­чи­ва­ют по­вы­шен­ное по­сту­п­ле­ние энер­гии внутрь М. в те­че­ние нескольких ча­сов. В этом слу­чае про­цесс ге­не­ра­ции суб­бурь идёт не­пре­рыв­но на про­тя­же­нии дли­тель­но­го вре­ме­ни; соз­да­ёт­ся маг­ни­то­сфер­ное воз­му­ще­ние, на­зы­вае­мое маг­нит­ной бу­рей. Про­дол­жи­тель­ность ср. маг­ни­то­сфер­ной бу­ри (вклю­чаю­щей маг­нит­ную бу­рю, по­ляр­ные сия­ния, ио­но­сфер­ные воз­му­ще­ния и др.) со­став­ля­ет ок. 30 ч, за этот пе­риод мо­жет про­ис­хо­дить неск. суб­бурь (до 10 суб­бурь во вре­мя дли­тель­ных маг­ни­то­сфер­ных бурь).

Внутренняя и хвостовая части магнитосферы

Во внутр. части М. выделяют плаз­мо­сфе­ру, ра­диа­ци­он­ные поя­са Зем­ли и коль­це­вой ток.

Плаз­мо­сфе­ра яв­ля­ет­ся про­дол­же­ни­ем ио­но­сфе­ры на боль­шие вы­со­ты: на­чи­нает­ся с выс. ок. 1000 км над по­верх­ностью Зем­ли и про­сти­ра­ет­ся до рас­стоя­ний в 4–6 ра­диу­сов Зем­ли. В этой об­лас­ти внутр. М. пре­об­ла­да­ет хо­лод­ная плаз­ма, за­хва­чен­ная маг­нит­ным по­лем Зем­ли. Плот­ность плаз­мы со­став­ля­ет 100–1000 см^–3, энер­гия час­тиц – ме­нее 1–2 эВ. В плаз­мо­сфе­ре пре­об­ла­да­ют ионы во­до­ро­да, 10–20% со­став­ля­ют ио­ны ге­лия, 5–10% – ио­ны ки­сло­ро­да.

Ра­ди­ац. поя­са Зем­ли со­сто­ят в осн. из элек­тро­нов и про­то­нов, неск. про­цен­тов от об­ще­го чис­ла час­тиц в поя­сах со­став­ля­ют бо­лее тя­жё­лые за­ря­жен­ные час­ти­цы. Час­ти­цы в этих поя­сах име­ют энер­гию от де­сят­ков кэВ до со­тен МэВ.

Коль­це­вой ток те­чёт во­круг пла­не­ты на рас­стоя­ни­ях 3–6 ра­диу­сов Зем­ли в при­эк­ва­то­ри­аль­ной об­лас­ти и на­прав­лен на за­пад. Ток соз­да­ёт­ся дви­же­ни­ем ио­нов с энер­ги­ей 1–300 кэВ. В от­ли­чие от ра­ди­ац. поя­сов, ко­то­рые поч­ти це­ли­ком со­сто­ят из про­то­нов и элек­тро­нов сол­неч­но­го вет­ра, коль­це­вой ток обо­га­щён ио­на­ми ки­сло­ро­да, азо­та и др. хи­мич. эле­мен­тов, рас­про­стра­нён­ных в ио­но­сфе­ре. По­то­ки час­тиц коль­це­во­го то­ка во вре­мя маг­ни­то­сфер­ных воз­му­ще­ний воз­рас­та­ют в 10–30 раз, то­гда как по­то­ки ио­нов в ра­ди­ац. поя­сах в та­кие пе­рио­ды умень­ша­ют­ся.

Хво­сто­вая часть М. со­сто­ит из двух по­ло­вин – се­вер­ной и юж­ной до­лей. В центр. об­лас­ти хво­ста те­чёт элек­трич. ток, на­прав­лен­ный с ут­рен­ней сто­ро­ны М. на её ве­чер­нюю сто­ро­ну. Этот ток под­дер­жи­ва­ет про­ти­во­по­лож­но на­прав­лен­ные маг­нит­ные по­ля в до­лях хво­сто­вой час­ти М. Ин­дук­ция маг­нит­ных по­лей со­став­ля­ет ок. 20–30 нТл. Ра­ди­ус маг­ни­то­сфер­но­го хво­ста в его по­пе­реч­ном се­че­нии име­ет тен­ден­цию к рос­ту с уда­ле­ни­ем от Зем­ли и дос­ти­га­ет при­мер­но 25–30 ра­диу­сов Зем­ли на рас­стоя­нии ок. 200 её ра­диу­сов.

В хво­сто­вой час­ти М. рас­по­ло­жен ак­тив­ный плаз­мен­ный слой (вклю­чаю­щий ней­траль­ный то­ко­вый слой с вы­со­ким уров­нем элек­тро­маг­нит­ной тур­бу­лент­но­сти). Этот слой обес­пе­чи­ва­ет ре­гу­ляр­ные вы­сы­па­ния за­ря­жен­ных час­тиц в зо­не по­ляр­ных сия­ний и фор­ми­ру­ет ра­ди­ац. поя­са Зем­ли во внутр. маг­ни­то­сфе­ре.

Токовые системы магнитосферы

Рис. 2. Области магнитосферы Земли и магнитосферные токовые системы.

Маг­нит­ное по­ле, соз­да­вае­мое то­ко­вы­ми сис­те­ма­ми М., вме­сте с гл. маг­нит­ным по­лем Зем­ли оп­ре­де­ля­ет струк­ту­ру плаз­мен­ных об­ра­зо­ва­ний в око­ло­зем­ном кос­мич. про­стран­ст­ве и ха­рак­те­ри­зу­ет гео­маг­нит­ную ак­тив­ность. Осн. маг­ни­то­сфер­ные то­ковые сис­те­мы (рис. 2): по­верх­но­ст­ные то­ки на маг­ни­то­пау­зе, то­ко­вая сис­те­ма хво­ста маг­ни­то­сфе­ры, коль­це­вой ток и про­доль­ные то­ки, те­ку­щие вдоль си­ло­вых ли­ний гео­маг­нит­но­го по­ля. По­след­ние об­ра­зу­ют вы­со­ко­ши­рот­ные трёх­мер­ные маг­ни­то­сфер­но-ио­но­сфер­ные то­ко­вые сис­те­мы, ко­то­рые вклю­ча­ют в се­бя три зо­ны то­ков. Пер­вая зо­на – это зо­наль­ные то­ки на при­по­люс­ной гра­ни­це ав­ро­раль­ной зо­ны (зо­ны по­ляр­ных сия­ний), ко­то­рые вте­ка­ют в ио­но­сфе­ру на ут­рен­ней сто­ро­не этой зо­ны, а вы­те­ка­ют из ио­но­сфе­ры на её ве­чер­ней сто­ро­не. Вто­рая зо­на – зо­наль­ные то­ки на эк­ва­то­ри­аль­ной гра­ни­це ав­ро­раль­ной зо­ны, ко­то­рые, на­обо­рот, вте­ка­ют в ио­но­сфе­ру на ве­чер­ней сто­ро­не этой зо­ны, а вы­те­ка­ют на её ут­рен­ней сто­ро­не. Тре­тья зо­на – это то­ки в по­ляр­ной шап­ке, ко­то­рые на­прав­ле­ны в ио­но­сфе­ру на её ве­чер­ней сто­ро­не и вы­те­ка­ют из неё на ут­рен­ней сто­ро­не. Сум­мар­ный ток в этих трёх сис­те­мах в спо­кой­ной М. име­ет ве­ли­чи­ну ок. 500 тыс. А, в пе­рио­ды маг­ни­то­сфер­ных воз­му­ще­ний он воз­рас­та­ет в неск. раз.

Маг­ни­то­сфе­ра Зем­ли яв­ля­ет­ся слож­ной и чрез­вы­чай­но не­од­но­род­ной плаз­мен­ной сис­те­мой. В ней мо­гут ге­не­ри­ро­вать­ся и рас­про­стра­нять­ся раз­но­об­раз­ные ти­пы элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний, ре­ги­ст­ри­руе­мые ап­па­ра­ту­рой, ус­та­нав­ли­вае­мой на ИСЗ. Спут­ни­ко­вые на­блю­де­ния по­зво­ли­ли вы­явить круп­но­мас­штаб­ную струк­ту­ру М. и да­ли воз­мож­ность по­стро­ить пред­ва­рит. мо­де­ли фи­зич. про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в око­ло­зем­ной сре­де.