Magnetosfære partikkelbevegelse - Magnetosphere particle motion
De ioner og elektroner i en plasma som samvirker med jordens magnetfelt generelt følge de magnetiske feltlinjer . Disse representerer kraften som en nordmagnetisk pol ville oppleve på et gitt punkt. (Tettere linjer indikerer en sterkere kraft.) Plasmer viser mer kompleks andreordens atferd, studert som en del av magnetohydrodynamikk .
I den "lukkede" modellen av magnetosfæren er magnetopausegrensen mellom magnetosfæren og solvinden skissert av feltlinjer. Ikke mye plasma kan krysse en så stiv grense. De eneste "svake punktene" er de to polære kuttene, punktene der feltlinjer som lukkes ved middagstid (-z akse GSM) skilles fra de som lukkes ved midnatt (+ z akse GSM); ved slike punkter er feltintensiteten på grensen null, og utgjør ingen barriere for inngangen til plasma. (Denne enkle definisjonen antar et symmetriplan mid-midnatt, men lukkede felt som mangler slik symmetri, må også ha kviser ved setning med fast punkt .)
Mengden solenergi og energi som kommer inn i den faktiske magnetosfæren, avhenger av hvor langt den avviker fra en slik "lukket" konfigurasjon, dvs. i hvilken grad feltplanlinjer for interplanetarisk magnetfelt klarer å krysse grensen. Som diskutert nærmere nedenfor, avhenger den grad veldig av retningen til det interplanetære magnetfeltet, spesielt av dets skråning mot sør eller nord.
Fangst av plasma , f.eks. Av ringstrømmen , følger også strukturen til feltlinjer. En partikkel som samhandler med dette B-feltet opplever en Lorentz-kraft som er ansvarlig for mange av partikkelbevegelsene i magnetosfæren. Videre kanaliseres også Birkeland-strømmer og varmestrøm av slike linjer - lett langs dem, blokkert i vinkelrett retning. Faktisk er feltlinjer i magnetosfæren blitt sammenlignet med kornet i en tømmerstokk, som definerer en "enkel" retning langs hvilken den lett gir vei.
Bevegelse av ladede partikler
Det enkleste magnetfeltet B er et konstant - rette parallelle feltlinjer og konstant feltintensitet. I et slikt felt, hvis et ion eller elektron går vinkelrett på feltlinjene, kan det vises å bevege seg i en sirkel (feltet trenger bare å være konstant i regionen som dekker sirkelen). Dersom Q er ladningen til partikkelen, m massen, v dens hastighet og R g radien av sirkelen ( "treghetsradius" ), alt man trenger å gjøre er varsel om at sentripetalkraften mv 2 / R g må være lik den magnetiske tving qvB. Man får
R g = mv / (qB)
Hvis begynnelseshastigheten til partikkelen har en annen retning, trenger man bare å løse den til en komponent v ⊥ vinkelrett på B og en komponent v // parallell med B, og erstatte v i formelen ovenfor med v ⊥ .
Hvis W ⊥ = mv ⊥ 2- / 2 er energien forbundet med den vinkelrette bevegelse i elektronvolt (alle beregningene her er ikke-relativistiske), i et felt av B nT (Nanotesla), da er R g i kilometer er
For protoner R g = (144 / B) √ W ⊥
For elektroner R g = (3,37 / B) √ W ⊥
Hastigheten parallelt med feltet v // påvirkes ikke av feltet, fordi det ikke eksisterer magnetisk kraft i den retningen. Den hastigheten forblir bare konstant (så lenge feltet gjør det), og å legge de to bevegelsene sammen gir en spiral rundt en sentral styrende feltlinje. Hvis feltet kurver eller endres, blir bevegelsen modifisert, men den generelle karakteren av å spiralisere rundt en sentral feltlinje vedvarer: derav navnet " styrende senterbevegelse ."
Fordi magnetkraften er vinkelrett på hastigheten, utfører den ikke noe arbeid og krever ingen energi - den gir heller ikke noe. Dermed kan magnetfelt (som jordens) i stor grad påvirke partikkelbevegelse i dem, men trenger ingen energiinngang for å opprettholde effekten.
Magnetisk speiling og magnetisk drift
Avstanden mellom feltlinjer er en indikator på magnetfeltets relative styrke. Hvor magnetfeltlinjer konvergerer, blir feltet sterkere, og hvor de divergerer, svakere.
Nå kan det vises at i bevegelse av gyraterende partikler, forblir det "magnetiske øyeblikket" μ = W ⊥ / B (eller relativistisk, p ⊥ 2 / 2mγB) nesten konstant. Den "nesten" kvalifiseringen skiller den fra sanne bevegelseskonstanter, for eksempel energi, og reduserer den til bare en "adiabatisk invariant." For de fleste plasmaer i magnetosfæren er avviket fra bestandighet ubetydelig.
Konserveringen av μ er enormt viktig (i laboratorieplasmer så vel som i rommet). Anta at feltlinje føring av en partikkel, hvor aksen for sin spiralbane, tilhører en konvergerende bunt av linjene, slik at partikkel ledes inn i et stadig større B. For å holde μ konstant, W ⊥ må også vokse.
Imidlertid, som nevnt tidligere, forblir den totale energien til en partikkel i et "rent magnetisk" felt konstant. Det som derfor skjer er at energi konverteres, fra den delen som er forbundet med den parallelle bevegelsen v // til den vinkelrette delen. Når v // avtar, øker vinkelen mellom v og B, til den når 90 °. På det tidspunktet W ⊥ inneholder all tilgjengelig energi, kan det vokse mer og lenger tid i sterkere feltet kan forekomme.
Resultatet er kjent som magnetisk speiling . Partikkelen gyrater kort vinkelrett på dens ledende feltlinje, og trekker seg deretter tilbake til det svakere feltet, og spiralen avvikles igjen i prosessen. Det kan bemerkes at slik bevegelse først ble avledet av Henri Poincaré i 1895, for en ladet partikkel i feltet til en magnetisk monopol, hvis feltlinjer alle er rette og konvergerer til et punkt. Bevaringen av μ ble først pekt av Alfvén omtrent 50 år senere, og forbindelsen til adiabatisk invariant ble først opprettet etterpå.
Magnetisk speiling muliggjør "fangst" i dipollignende feltlinjer nær jorden av partikler i strålingsbeltet og i ringstrømmen. På alle slike linjer er feltet mye sterkere i endene nær Jorden, sammenlignet med styrken når det krysser ekvatorialplanet. Forutsatt at slike partikler på en eller annen måte blir plassert i ekvatorialområdet til det feltet, forblir de fleste av dem fanget, fordi hver gang deres bevegelse langs feltlinjen bringer dem inn i det sterke feltområdet, "blir de speilet" og spretter frem og tilbake mellom halvkuler. Bare partikler hvis bevegelse er veldig nær parallell med feltlinjen, med nesten null μ, unngår speiling - og disse blir raskt absorbert av atmosfæren og tapt. Tapet deres etterlater et bunt av retninger rundt feltlinjen som er tom for partikler - "tapskeglen".
I tillegg til å gire rundt sine ledende feltlinjer og hoppe frem og tilbake mellom speilpunkter, driver fangede partikler også sakte rundt jorden, og bytter førende feltlinjer, men holder seg omtrent på samme avstand (en annen adiabatisk invariant er involvert, "den andre invarianten") . Denne bevegelsen ble nevnt tidligere i forbindelse med ringstrømmen.
En årsak til drift er at intensiteten til B øker når jorden nærmer seg. Den treghets rundt det styrende feltlinje er derfor ikke en perfekt sirkel, men kurvene litt mer tett på siden nærmere Jorden, hvor den større B gir en mindre R g . Denne endringen i krumning får ioner til å bevege seg sidelengs, mens elektroner, som gyrerer i motsatt forstand, beveger seg sidelengs i motsatt retning. Nettoresultatet, som allerede nevnt, produserer ringstrømmen, selv om tilleggseffekter (som ikke-ensartet fordeling av plasmadensitet) også påvirker resultatet.
Plasma fontene
På 1980-tallet ble det oppdaget en "plasmafontene" av hydrogen, helium og oksygenioner som strømmer fra jordens nordpol.
Se også
Referanser
- ^ Piddington, JH (1979). "The Closed Model of the Earth's Magnetosphere". Journal of Geophysical Research . 84 (A1): 93–100. Bibcode : 1979JGR .... 84 ... 93P . doi : 10.1029 / ja084ia01p00093 .
- ^ Plasma fontene Kilde , pressemelding: Solar Wind klemmer noe av jordens atmosfære ut i rommet
Eksterne linker
- " 3D Earth Magnetic Field Charged-Particle Simulator " Tool dedikert til 3d-simulering av ladede partikler i magnetosfæren .. [VRML Plug-in Required]