Путеводитель по магнитосфере Земли

19.03.2024
0
10 мин
91
Путеводитель по магнитосфере Земли

Здравствуйте, друзья!

Магнитное поле Земли дает нам слой в космосе, называемый магнитосферой. Вот некоторые ключевые точки магнитосферы:

  • Основная роль магнитосферы заключается в том, что она отражает наиболее вредные солнечные лучи, защищая нас от Солнца;
  • Без магнитосферы оно лишило бы Землю ее защитных слоев, таких как озоновый слой;
  • Магнитосфера влияет на ориентацию по компасу, северное сияние и космическую погоду;
  • Магнитное поле Земли может нарушить работу GPS, сетей связи и электросетей;
  • Земля — не единственное небесное тело, имеющее магнитосферу. Они есть и у звезд, лун и планет.

Давайте изучим магнитосферу более подробно.

Глава 1. Что такое магнитосфера?

Анатомия магнитосферы

Мы делим магнитосферу на отдельные части.

Части магнитосферы

Вот некоторые определения структуры магнитосферы:

  1. Головная ударная волна — это самый внешний слой магнитосферы;
  2. Магнитослой — область между магнитопаузой и головной ударной волной;
  3. Магнитопауза – это место, где магнитное поле Земли находится в балансе с приходящим солнечным ветром;
  4. Магнитосфера простирается на 1000 Земель со стороны хвоста магнитосферы;
  5. Северная хвостовая доля находится со стороны хвоста магнитосферы, где силовые линии магнитного поля направлены к Земле;
  6. Южная хвостовая доля находится со стороны хвоста магнитосферы, где силовые линии магнитного поля направлены в сторону от Земли;
  7. Плазмасфера – это внутренняя часть магнитосферы, состоящая из низкоэнергетического электрически заряженного газа (плазмы);
  8. Полярные каспы направляют солнечные ветры вниз, как две дыры в магнитосфере на полюсах.

Магнитный хвост — это ночная часть магнитного поля, не сжимаемая солнечными ветрами.

Двойной пузырь магнитосферы

Как выглядит магнитосфера?

Многие люди представляют магнитосферу как пузырь вокруг Земли.

Но это больше похоже на два неровных пузыря, расколовшихся на полюсах.

Солнечные ветры сжимают магнитосферу с дневной стороны.

Но в направлении ночной стороны она имеет форму капли, выходящей наружу гораздо дальше.

Полюса Земли подобны воронке, в которой линии магнитного поля касаются Земли.

Эта воронка позволяет частицам высокой энергии от Солнца мчаться к ионосфере Земли.

В результате мы можем увидеть впечатляющие проявления света, известное как северное сияние.

Линии поля за Луной

Острие магнитосферы

Как далеко простирается магнитосфера?

Магнитосфера имеет две стороны. Она имеет обращенную к Солнцу сторону и ночную сторону (магнитный хвост).

На обращенной к Солнцу стороне магнитосфера колеблется на расстоянии 65 000 километров, что в 6–10 раз превышает радиус Земли.

Но на ночной стороне магнитосфера простирается на 6 300 000 километров, что в 60 раз превышает радиус Земли.

Магнитосфера также принадлежит атмосфере Земли.

Если вы посмотрите на слои атмосферы Земли, то увидите значительное перекрытие между ионосферой и магнитосферой.

Фактически ионосфера — это всего лишь внутренняя граница магнитосферы.

Глава 2. Что делает магнитосфера?

1. Обитаемость

Магнитосфера позволяет жизни существовать на поверхности Земли.

Без нее Земля подверглась бы воздействию космической и солнечной радиации Солнца.

Магнитные поля изгибают частицы.

Если у вас есть опасные высокоскоростные частицы из космоса, магнитосфера отклоняет их, как щит от космического излучения.

Вот почему у нас до сих пор есть атмосфера, окруженная озоновым слоем.

Это ключ к обитаемой жизни. Подобно пузырю, окружающему Землю, магнитосфера защищает нас от ярости Солнца.

Без магнитосферы солнечная бомбардировка может лишить Землю ее защитных слоев – озонового слоя, который защищает ее от ультрафиолетовых лучей.

Из космоса магнитосфера резонирует с силовыми линиями северного и южного магнитных полюсов.

2. Северное сияние

Солнечная буря Северное сияние

Северное сияние (aurora borealis) — световое зрелище, вызванное захваченной плазмой в ионосфере.

Во время магнитных бурь полярное сияние переливается оттенками розового, фиолетового, зеленого и синего.

Каждый цвет переливается в зависимости от количества кислорода и азота в атмосфере.

На небе они выглядят как занавески, в зависимости от того, где в магнитосфере расположены электроны.

Северное сияние танцует яркими цветами на северном небе.

Это не только научное чудо, но оно имеет историческое значение в мифологии различных культур по всему миру.

3. Компасы указывают на магнитный север

Компасы указывают на магнитный север

Земля – это один большой магнит.

Когда вы достаете компас, стрелка реагирует на магнетизм Земли.

Он делает это, выравниваясь по силовым линиям в магнитосфере.

Как вы уже узнали, эти силовые линии находятся на вершине, где они сходятся на полюсах.

Вот почему компасы всегда указывают на магнитный север.

Сейчас магнитный север находится где-то посередине Северного Ледовитого океана.

Но с течением времени магнитный север не всегда указывал в одном и том же направлении.

Фактически, он может проходить более 10 километров в год.

4. Миграция птиц

Магнитное поле

Птицы используют линии магнитного поля, чтобы ориентироваться.

Этот термин описывается как «магниторецепция», которая дает способность воспринимать направление, как компас.

Ученые полагают, что эту способность обеспечивает особый белок в глазах птиц.

Оказывается, шестым чувством обладают не только птицы.

Но волки, пчелы и черви также могут ориентироваться с помощью магнитного поля Земли.

Эта удивительная способность ощущать магнитное поле Земли известна как магниторецепция и продолжает интриговать исследователей.

5. Смена полюсов

Магнитный Север

В истории Земли компасы не всегда указывали на север.

Они изменились с севера на юг. Это означает, что магнитное поле Земли со временем изменилось.

В среднем магнитный север Земли меняет полярность каждые 250 000 лет.

Но они не меняются через регулярные промежутки времени. Напротив, это очень непредсказуемо.

За последние 3 миллиона лет магнитный полюс менял полярность 12 раз.

Глядя на богатые железом породы, мы можем увидеть историю смены полюсов.

6. Космическая погода

Солнце постоянно выделяет плазму в виде солнечных ветров.

Но иногда оно дает мощный всплеск.

Мы называем это корональным выбросом массы.

Эти солнечные вспышки сначала поражают магнитосферу и вызывают северное сияние.

Если они достаточно мощные, они могут даже беспокоить спутники в космосе и электрические сети.

Эти нарушения встречаются редко.

Но магнитосфера является ключом к пониманию космической погоды.

Если вы разбираетесь в космической погоде, вы сможете понять, как она влияет на нас.

Наука о космической погоде

Глава 3. Почему у Земли есть магнитосфера?

Внутри Земли

Магнитное поле Земли создается электрическими токами, текущими в ядре.

Если вы посмотрите глубоко внутрь Земли, она не совсем твердая.

Ядро почти полностью состоит из железа и никеля.

Но внешнее ядро на самом деле жидкое.

Мы знаем это из использования сейсмической томографии.

Поскольку Земля вращается, вращается и ее жидкое железо.

Именно плавное движение жидкости делает ее электропроводной.

Поскольку твердое внутреннее ядро нагревает внешний слой жидкости, оно создает конвекционные потоки.

Это создает геодинамо, которое генерирует магнитное поле Земли.

Геодинамо

Внешняя жидкость ядра

Геодинамо — это процесс, посредством которого любое небесное тело может генерировать магнитное поле.

Но не только Земля производит геодинамо.

Например, звезды, планеты и спутники могут иметь магнитные поля.

Любое геодинамо включает в себя вращающуюся жидкость.

Это потому, что внутреннее ядро вращается быстрее, чем мантия, а материал слегка заряжен электрически.

Именно это активное перемешивание обеспечивает процесс конвекции.

Эти конвекционные потоки не только влияют на тепловой поток внутри планеты, но и создаваемое ими магнитное поле играет важную роль в возникновении жизни на планете Земля.

Это дает нам слой в космосе, называемый магнитосферой.

Глава 4. Что такое магнитное пересоединение?

Приходящий солнечный ветер

Солнце

Корональные выбросы массы (КВМ) Солнца выбрасывают огромное количество плазмы в Солнечную систему.

Поскольку Солнце такое большое, эта плазма или заряженные частицы занимают большую часть нашей Солнечной системы.

Фактически, плазма составляет около 99,9% Вселенной.

Когда плазма попадает в магнитосферу в нормальных условиях, линии магнитного поля Земли практически не затрагиваются.

Это создает разрыв, через который энергия может проникнуть в наше убежище.

Эти разломы открываются и закрываются ежедневно или даже ежечасно.

Большинство из них малы и недолговечны.

Другие обширны и устойчивы.

В целом магнитосфера постоянно перестраивается в зависимости от количества приходящего солнечного ветра.

Магнитное пересоединение

Но иногда плазма, испускаемая Солнцем, может разрушить магнитное поле Земли.

Это заставляет магнитное поле Земли перестраиваться в другую структуру, называемую магнитным пересоединением.

Когда разломы открываются, Земля поглощает поступающую энергию солнечных ветров.

Она взрывным образом высвобождает эту энергию с помощью геомагнитных бурь.

Магнитное пересоединение может вызвать огромное количество кинетической энергии, влияющей на космическую погоду и системы связи на Земле.

Магнитосферная многомасштабная миссия

магнитосферная многомасштабная миссия

Миссия НАСА «Магнитосферная многомасштабная (MMS — Magnetospheric Multiscale)» надеется выяснить физику магнитного пересоединения.

Находясь на орбите в магнитосфере, MMS пытается запечатлеть магнитное пересоединение в реальном времени, как оно происходит.

Вместо того, чтобы смотреть снаружи, MMS будет измерять магнитное пересоединение четырехсателлитного тетраэдрического образования по мере его возникновения.

В частности, каждый спутник будет измерять магнитное поле и движение частиц во время магнитного пересоединения.

Цель состоит в том, чтобы лучше понять, что вызывает ускорение частиц, и предсказать закономерности космической погоды на основе магнитного пересоединения.

Глава 5. Взгляд на Солнечную систему

Земля — не единственное небесное тело, имеющее магнитосферу.

Она есть и у звезд, лун и планет.

Давайте исследуем различные магнитосферы в нашей Солнечной системе.

Магнитосфера Солнечной системы

Меркурий

У Меркурия есть магнитосфера. Но она примерно в 1/100 раз мощнее Земли.

Планета Меркурий имеет очень большое железное ядро.

Поскольку оно частично жидкое, жидкость вращается, создавая слабое магнитное поле.

Но Меркурий не вращается быстро. Вот почему у Меркурия такая слабая магнитосфера.

Венера

Если вы посмотрите на свойства планеты Венера, то увидите, что по размеру, форме и плотности они очень похожи на Землю.

Венера и Земля настолько похожи, что Венеру называют близнецом Земли.

Но одно ключевое отличие состоит в том, что у Венеры нет магнитосферы.

Это потому, что Венера вращается так медленно, что у нее недостаточно движения жидкости, чтобы создать собственную магнитосферу.

И поскольку ее магнитосфера была слишком слабой, именно поэтому ее атмосфера потеряла много воды.

Наша Луна

Вы увидите два ответа на вопрос, есть ли у нашей Луны магнитное поле.

Во-первых, Луна потеряла магнитосферу 3,5 миллиарда лет назад.

Второй ответ заключается в том, что на нашей Луне все еще есть локализованная мини-магнитосфера.

Ученые знают, что это правда, потому что они измеряют, насколько солнечный ветер отклоняется.

Поскольку оно настолько мало, это открывает вопрос о том, могут ли другие небесные тела иметь локализованную магнитосферу, о которой мы пока не знаем.

Марс

Несмотря на наш интерес к жизни на других планетах, у Марса нет магнитосферы, способной защититься от солнечной радиации.

Возможно, это потому, что ядро Марса затвердело и предотвратило внутреннюю динамо-машину.

Считается, что планета Марс потеряла свою магнитосферу 4,2 миллиарда лет назад.

Затем солнечный ветер унес большую часть атмосферы Марса, он потерял много воды и стал бесплодной планетой, которую мы видим сегодня.

Юпитер

Юпитер имеет самую сильную магнитосферу в нашей Солнечной системе.

Возможно, она больше магнитосферы Солнца, простирающейся до Сатурна.

Несмотря на то, что планета Юпитер состоит в основном из газа, ее магнитосфера, вероятно, образуется в результате быстрого вращения.

Один полный оборот на Юпитере длится 9 часов.

Если вы заглянете внутрь Юпитера, то увидите, что там есть металлический водород, который действует как жидкость.

Это движение жидкости и создает магнитное поле на Юпитере.

Тогда каждый спутник Юпитера защищен от сильного магнитного поля Юпитера.

Спутник Юпитера Ганимед

Спутник Юпитера Ганимед обладает собственным магнитным полем.

Оно не такое большое, как другие магнитосферы.

Но это магнитосфера внутри магнитосферы Юпитера.

Возможно, это связано с солеными океанами под поверхностью, которые генерируют магнитное поле.

Скорее всего, это не железное ядро, потому что Ганимед не вращается очень быстро.

Сатурн

Сатурн имеет магнитосферу и генерирует ее аналогично Юпитеру.

Жидкий металлический водород внутри планеты Сатурн движется плавно.

Вращение Сатурна составляет около 10 часов, поэтому это вращение создает окружающую его магнитосферу.

Спутник Сатурна Титан

Титан — еще одно место, представляющее интерес для ученых, поскольку у него плотная атмосфера.

Он не генерирует собственную магнитосферу.

Но считается, что его покровительствует Сатурн.

Вот почему Титан все еще может выдерживать плотную атмосферу с жизненно важной защитой от солнечных ветров.

Уран

Уран имеет магнитное поле.

Но оно не генерируется жидким металлическим водородом, как у Юпитера и Сатурна.

Вместо этого оно может генерироваться конвекционными потоками в соленом океане внизу.

Планета Уран — замороженная газообразная планета с расплавленным ядром.

Его орбита необычна.

Он вращается на боку, обращенном к Солнцу.

Итак, его магнитные полюса не расположены близко к географическим полюсам.

Они прыгают с места на место.

Иногда он может иметь даже 4 полюса.

Несмотря на более медленное вращение, этого достаточно для создания магнитного поля.

Нептун

Нептун похож на Уран.

Его ось находится вне плоскости вращения и имеет непредсказуемое магнитное поле.

Подобно Урану, он не генерирует магнитное поле из глубины своего ядра.

Вместо этого оно находится примерно на одну треть ниже, где вращаются соленые льды из метана, аммиака и воды.

Эти движения жидкостей создают конвекционные потоки и магнитосферу на планете Нептун.

Путеводитель по магнитосфере

Магнитное пересоединение

Наша планета состоит из множества различных слоев, и одним из этих слоев является магнитосфера Земли.

Магнитосфера Земли представляет собой сферическую электромагнитную оболочку, которая окружает Землю и путешествует в космосе, защищая нас от солнечного ветра и космического излучения.

Магнитосфера — это невидимый и хрупкий слой энергетических частиц, который окружает Землю в форме пузыря.

На магнитосферу могут влиять солнечные бури, которые вызывают сильные электромагнитные силы в атмосфере.

Эти штормы могут привести к сбоям в работе коммуникаций и электросетей и даже способствовать изменениям нашего климата.

Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.

До скорых встреч! Заходите!

Средний балл: 0