Кіріспе

Плазманың Жердің магнит өрісімен өзара әрекеттесетін иондары мен электрондары әдетте оның магнит өрісі сызықтары бойынша қозғалады. Бұл – кез келген нүктеде солтүстік магниттік полюстің сезінетін күшінің көрсеткіші. (Тығыз сызықтар күшті күшті білдіреді.) Плазмалар күрделі екінші реттік қасиеттерді көрсетеді, олар магнитогидродинамиканың бір бөлігі ретінде зерттеледі. Осылайша, магнитосфераның «жабық» моделінде магнитосфера мен күн желi арасындағы магнитопауза шекарасы магнит өрісі сызықтарымен белгіленеді. Плазманың көп бөлігі мұндай берік шекарадан өте алмайды. Оның жалғыз «әлсіз нүктелері» – екі полярлық кусп, яғни түскі уақытта (z ось GSM) жабылатын магнит өрісі сызықтары түн ортасында ( +z ось GSM) жабылатын сызықтардан бөлінетін нүктелер. Мұндай нүктелерде шекарадағы өріс қарқындылығы нөлге тең, бұл плазманың енуіне кедергі жасамаиды. (Бұл қарапайым анықтама күндіз және түн ортасындағы симметрия жазықтығын қарастырады, бірақ мұндай симметриясы жоқ жабық өрістерде де, тұрақты нүкте теоремасы бойынша кусптар болуы керек.) Нақты магнитосфераға енетін күн желi энергиясы мен плазманың мөлшері оның осы «жабық» конфигурациядан қаншалықты алшақтауына, яғни планетаралық магнит өрісі сызықтарының шекарадан қаншалықты өте алатынына байланысты. Төменде талқыланғандай, бұл дәреже планетаралық магнит өрісінің бағытына, әсіресе оның оңтүстікке немесе солтүстікке қарай бұрылуына тікелей байланысты. Плазманың, мысалы, сақина тогының тұтқындалуы да магнит өрісі сызықтарының құрылымын қаперістетеді. Бұл магнит өрісімен (B) әрекеттесетін бөлшектер Лоренц күшін сезінеді, ол магнитосферадағы бөлшектердің көптеген қозғалыстарына жауап береді. Сонымен қатар, Биркеланд тогы мен жылу ағыны да осындай сызықтар арқылы бағытталады – олар бойынша оңай, ал перпендикуляр бағыттарда тоқтатылады. Шындығында, магнитосферадағы магнит өрісі сызықтарын ағаш кесіндісіндегі жылжымалы талшықтармен салыстыруға болады, олар оңай берілетін бағытты анықтайды.

Магниттік айналану және магниттік ауытқу

Магниттік өрістің салыстырмалы күшін көрсететін белгі – өріс сызықтары арасындағы арақашықтық. Магниттік өріс сызықтары жиналатын жерде өріс күшейеді, ал олар бөлінетін жерде әлсірейді. Енді айналмалы бөлшектердің қозғалысында "магниттік момент" μ = W⊥/B (немесе салыстырмалы түрде, p⊥²/2mγB) өте тұрақты болатынын көрсетуге болады. "Өте тұрақты" деген сөз оны энергия сияқты нақты қозғалыс тұрақтыларынан бөліп, жай ғана "адиабатикалық инвариант" деуге алып келеді. Магнетосферадағы плазманың көпшілігі үшін тұрақтылықтан ауытқу еленбейді. μ-нің сақталуы өте маңызды (зертханалық плазмада да, ғарышта да). Егер бөлшекті бағыттайтын өріс сызығы, оның спиральдық жолының осі, сызықтардың жиналатын жиынтығына жататын болса, бөлшек күшейе беретін B өрісіне жетеді. μ тұрақты болу үшін W⊥ да өсуі керек. Бірақ бұрын айтқандай, "тек магниттік" өрістегі бөлшектің жалпы энергиясы тұрақты болып қалады. Сондықтан энергия параллель қозғалыс v//-ға байланысты бөліктен перпендикуляр бөлігіне ауысады. v// азайған сайын v мен B арасындағы бұрыш 90°-қа дейін өседі. Осы кезде W⊥ барлық энергияны қамтиды, одан әрі өсе алмайды және күшті өріске енуіне де мүмкіндік жоқ. Бұл құбылыс магниттік айналу деп аталады. Бөлшек қысқа уақытқа бағыттайтын өріс сызығына перпендикуляр айналып, содан кейін әлсіз өріске кері қайтады, спираль да осы процесте бұрылады. Мұндай қозғалысты алғаш 1895 жылы Анри Пуанкаре магниттік монополь өрісіндегі зарядталған бөлшек үшін шығарған, оның өріс сызықтары түзу және бір нүктеге жиналады. μ-нің сақталуын Альфвен шамамен 50 жылдан кейін ғана көрсетті, ал адиабатикалық инвариантпен байланысы кейін ғана орнатылды. Магниттік айналу сәулелену белдеуіндегі және сақиналық токтардағы бөлшектердің Жерге жақын диполь тәрізді өріс сызықтарында "ұсталып қалуына" мүмкіндік береді. Барлық осындай сызықтарда өріс экваторлық жазықтықты кесіп өтетін жерге қарағанда Жерге жақын шеттерінде әлдеқайда күшті болады. Егер мұндай бөлшектер сол өрістің экваторлық аймағына орналасса, олардың көпшілігі тұтқында қалады, себебі өріс сызығы бойымен қозғалу оларды күшті өріс аймағына жеткізген сайын, олар "айналып" екі жарты шар арасында серпиді. Тек қозғалысы өріс сызығына өте жақын, μ шамасы нөлге жуық бөлшектер ғана айналудан аулақ болады, олар атмосфераға тез сіңіріліп, жоғалады. Олардың жоғалуы өріс сызығының айналасында бөлшектерден бос бағыттар жиынтығын қалдырады – "жоғалу конусы". Бөлшектер бағыттайтын өріс сызықтарымен айналып, айналу нүктелері арасында серпитін басқаратын қозғалысқа қоса, тұтқындалған бөлшектер Жерді айналып, бағыттайтын өріс сызықтарын ауыстырып, бірақ шамамен бірдей қашықтықта қалады (басқа бір адиабатикалық инвариант қатысады, "екінші инвариант"). Бұл қозғалыс бұрын сақиналық токқа байланысты айтылған болатын. Дрейфтің бір себебі – Жерге жақындаған сайын B өрісінің қарқындылығының артуы. Сондықтан бағыттайтын өріс сызығының айналасындағы айналу толық шеңбер емес, Жерге жақын жағында сәл тығыз қисық болады, мұнда үлкен B кішкентай Rg береді. Бұл қисықтықтың өзгеруі иондарды бүйірінен жылжытады, ал кері бағытта айналатын электрондарды кері бағытта жылжытады. Нәтижесінде, жоғарыда айтылғандай, сақиналық ток пайда болады, бірақ қосымша әсерлер (плазма тығыздығының біркелкі емес таралуы сияқты) да нәтижеге әсер етеді.

Плазмалық фонтан

1980 жылдары Жердің Солтүстік полюсінен сутек, гелий және оттегі иондарынан тұратын "плазмалық фонтан" ағыны табылды.