Магнитосфера Юпитера

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Магнитосфера Юпитера
Jovian magnetosphere vs solar wind.svg
Открытие
Первооткрыватель Пионер-10
Дата открытия Декабрь 1973[1]
Радиус Юпитера 71 492 км
Магнитный момент 1,56·1020 ·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 RJ[3][4][5]
Дистанция магнитопаузы 50-100 RJ
Длина хвоста магнитосферы более чем 7000 RJ
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
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 процессе 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.

Структура[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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]. Расстояние между магнитопаузой и центром планеты составляет от 45 до 100 RJ (где RJ = 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 RJ 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 RJ 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 RJ 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 RJ) и внешней (далее 40 RJ) магнитосфере магнитное поле отклоняется от дипольной структуры и серьёзно возмущается воздействием плазменного слоя (см. ниже раздел Магнитный диск)[6].

Роль Ио[править | править вики-текст]

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 RJ[22]. В средней магнитосфере, на расстоянии более чем в 20 RJ от Юпитера, коротация постепенно прекращается, и плазма вращается медленнее, чем планета[6]. В конечном счёте, на расстоянии в более чем 40 RJ (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[править | править вики-текст]

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 RJ 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 RJ, в отсутствие Ио уменьшилось бы до 43 RJ[6].

Динамика[править | править вики-текст]

Коротация и радиальные токи[править | править вики-текст]

Перестановочная неустойчивость и пересоединение[править | править вики-текст]

Влияние солнечного ветра[править | править вики-текст]

Эмиссия[править | править вики-текст]

Полярные сияния[править | править вики-текст]

Взаимодействие с кольцами и лунами[править | править вики-текст]

Открытие[править | править вики-текст]

Исследования после 1970-х годов[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  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[править | править вики-текст]

  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[править | править вики-текст]

Рекомендуется к прочтению[править | править вики-текст]