Magnetosfæren - Magnetosphere

En gjengivelse av magnetfeltlinjene til jordens magnetosfære.

I astronomi og planetvitenskap er en magnetosfære et romområde rundt et astronomisk objekt der ladede partikler påvirkes av objektets magnetfelt . Den er skapt av en stjerne eller planet med en aktiv indre dynamo .

I rommiljøet nær et planetarisk legeme ligner magnetfeltet en magnetisk dipol . Lenger ute kan feltlinjer forvrenges vesentlig av strømmen av elektrisk ledende plasma , slik det sendes ut fra solen (dvs. solvinden ) eller en stjerne i nærheten. Planeter som har aktive magnetosfærer, som jorden, er i stand til å dempe eller blokkere virkningene av solstråling eller kosmisk stråling , som også beskytter alle levende organismer mot potensielt skadelige og farlige konsekvenser. Dette studeres under de spesialiserte vitenskapelige emnene plasma fysikk , romfysikk og aeronomi .

Historie

Studiet av Jordens magnetosfære begynte i 1600, da William Gilbert oppdaget at magnetfeltet på jordoverflaten lignet det på en terrella , en liten, magnetisert sfære. I 1940, Walter M. Elsasser foreslått modell av dynamoteori , som tillegger jordens magnetfelt til bevegelse av jordens jern ytre kjerne . Gjennom bruk av magnetometre kunne forskere studere variasjonene i Jordens magnetfelt som funksjoner av både tid og breddegrad og lengdegrad.

Fra slutten av 1940 -tallet ble raketter brukt til å studere kosmiske stråler . I 1958 ble Explorer 1 , den første av Explorer -serien med romoppdrag, lansert for å studere intensiteten til kosmiske stråler over atmosfæren og måle svingningene i denne aktiviteten. Dette oppdraget observerte eksistensen av Van Allen -strålingsbeltet (som ligger i det indre området av jordens magnetosfære), med oppfølgingen av Explorer 3 senere samme år som definitivt beviste at det eksisterte. I løpet av 1958 foreslo Eugene Parker ideen om solvinden , med begrepet 'magnetosfære' som ble foreslått av Thomas Gold i 1959 for å forklare hvordan solvinden interagerte med jordens magnetfelt. Det senere oppdraget til Explorer 12 i 1961 ledet av Cahill og Amazeen-observasjonen i 1963 av en plutselig nedgang i magnetfeltstyrken nær meridianen ved middagstid, ble senere kalt magnetopause . I 1983 observerte International Cometary Explorer magnetotail, eller det fjerne magnetfeltet.

Struktur og oppførsel

Magnetosfærer er avhengige av flere variabler: typen astronomisk objekt, arten av kilder til plasma og momentum, perioden for objektets spinn, arten av aksen som objektet snurrer om, aksen til den magnetiske dipolen og størrelsen og retning av strømmen av solvind .

Planetavstanden der magnetosfæren tåler solvindens trykk kalles Chapman – Ferraro -avstanden. Dette er nyttig modellert av formelen der representerer planetens radius, representerer magnetfeltet på overflaten av planeten ved ekvator og representerer hastigheten til solvinden:

En magnetosfære er klassifisert som "iboende" når , eller når den primære motstanden mot strømmen av solvind er magnetfeltet til objektet. Merkur , Jorden, Jupiter , Ganymedes , Saturn , Uranus og Neptun viser for eksempel inneboende magnetosfærer. En magnetosfære er klassifisert som "indusert" når , eller når solvinden ikke blir motarbeidet av objektets magnetfelt. I dette tilfellet samhandler solvinden med atmosfæren eller ionosfæren på planeten (eller overflaten på planeten, hvis planeten ikke har noen atmosfære). Venus har et indusert magnetfelt, noe som betyr at fordi Venus ser ut til å ikke ha noen indre dynamo -effekt , er det eneste magnetfeltet som er tilstede det som dannes av solvindens vikling rundt den fysiske hindringen til Venus (se også Venus induserte magnetosfære ). Når , planeten selv og dens magnetfelt bidrar begge. Det er mulig at Mars er av denne typen.

Struktur

En kunstners gjengivelse av strukturen i en magnetosfære: 1) Sløyfe. 2) Magnetskede. 3) Magnetopause. 4) Magnetosfære. 5) Nordlig halelapp. 6) Sørlig halelapp. 7) Plasmasphere.

Bue sjokk

Infrarødt bilde og kunstnerens konsept om baugsjokket rundt R Hydrae

Baugsjokket danner det ytterste laget av magnetosfæren; grensen mellom magnetosfæren og omgivelsesmediet. For stjerner er dette vanligvis grensen mellom stjernevind og interstellar medium ; for planeter, reduseres hastigheten på solvinden der når den nærmer seg magnetopausen.

Magnetskede

Magnetosheden er området i magnetosfæren mellom baugsjokket og magnetopausen. Den er hovedsakelig dannet av sjokkert solvind, selv om den inneholder en liten mengde plasma fra magnetosfæren. Det er et område som oppviser høy partikkelenergi fluks , hvor retningen og størrelsen av det magnetiske feltet varierer uberegnelig. Dette er forårsaket av innsamling av solvindgass som effektivt har gjennomgått termiskisering . Den fungerer som en pute som overfører trykket fra solvindens strøm og barrieren av magnetfeltet fra objektet.

Magnetopause

Magnetopausen er området i magnetosfæren der trykket fra planetmagnetfeltet balanseres med trykket fra solvinden. Det er konvergensen mellom den sjokkerte solvinden fra magnetosheden med objektets magnetfelt og plasma fra magnetosfæren. Fordi begge sider av denne konvergensen inneholder magnetisert plasma, er interaksjonene mellom dem komplekse. Strukturen til magnetopausen avhenger av Mach -nummeret og beta av plasmaet, så vel som magnetfeltet. Magnetopausen endrer størrelse og form ettersom trykket fra solvinden svinger.

Magnethale

Overfor det komprimerte magnetfeltet er magnetotailen, hvor magnetosfæren strekker seg langt utover det astronomiske objektet. Den inneholder to lapper, referert til som de nordlige og sørlige halelappene. Magnetfeltlinjer i den nordlige halelappen peker mot objektet mens de i den sørlige halelappen peker bort. Halelappene er nesten tomme, med få ladede partikler motsatt strømmen av solvinden. De to lober er atskilt med et plasmaskikt, et område der magnetfeltet er svakere, og tettheten av ladede partikler er høyere.

Jordens magnetosfære

Kunstnerens gjengivelse av Jordens magnetosfære
Diagram over Jordens magnetosfære

Over jordens ekvator blir magnetfeltlinjene nesten horisontale og går deretter tilbake for å koble til igjen på høye breddegrader. I store høyder blir magnetfeltet imidlertid betydelig forvrengt av solvinden og solmagnetfeltet. På jordens dag komprimeres magnetfeltet betydelig av solvinden til en avstand på omtrent 65 000 kilometer (40 000 mi). Jordens buesjokk er omtrent 17 kilometer (11 mi) tykt og ligger omtrent 90 000 kilometer (56 000 mi) fra jorden. Magnetopausen eksisterer i en avstand på flere hundre kilometer over jordens overflate. Jordens magnetopause er blitt sammenlignet med en sil fordi den lar solvindpartikler komme inn. Kelvin – Helmholtz ustabilitet oppstår når store virvler av plasma beveger seg langs kanten av magnetosfæren med en annen hastighet enn magnetosfæren, noe som får plasmaet til å skli forbi. Dette resulterer i magnetisk tilkobling , og etter hvert som magnetfeltlinjene brytes og kobles til igjen, kan solvindpartikler komme inn i magnetosfæren. På jordens nattside strekker seg magnetfeltet ut i magnethalen, som på lengden overstiger 6.300.000 kilometer (3.900.000 mi). Jordens magnetotail er den primære kilden til polar aurora . NASA -forskere har også antydet at Jordens magnetotail kan forårsake "støvstormer" på månen ved å skape en potensiell forskjell mellom dagsiden og nattsiden.

Andre gjenstander

Mange astronomiske objekter genererer og vedlikeholder magnetosfærer. I solsystemet inkluderer dette solen, kvikksølv , Jupiter , Saturn , Uranus , Neptun og Ganymedes . Den Jupiters magnetosfære er den største planetmagnetosfæren i solsystemet, strekker seg opp til 7.000.000 kilometer (4300000 mi) på dagside og nesten til bane Saturn på nattside. Jupiters magnetosfære er sterkere enn jordens med en størrelsesorden , og dens magnetiske øyeblikk er omtrent 18 000 ganger større. Venus , Mars og Pluto har derimot ikke noe magnetfelt. Dette kan ha hatt betydelige effekter på deres geologiske historie. Det er teoretisert at Venus og Mars kan ha mistet sitt opprinnelige vann til fotodissosiasjon og solvinden. En sterk magnetosfære bremser denne prosessen sterkt.

Se også

Referanser