Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
The ions and electrons of a plasma interacting with the Earth's magnetic field generally follow its magnetic field lines. These represent the force that a north magnetic pole would experience at any given point. (Denser lines indicate a stronger force.) Plasmas exhibit more complex second order behaviors, studied as part of magnetohydrodynamics. Thus in the "closed" model of the magnetosphere, the magnetopause boundary between the magnetosphere and the solar wind is outlined by field lines. Not much plasma can cross such a stiff boundary. Its only "weak points" are the two polar cusps, the points where field lines closing at noon ( z axis GSM) get separated from those closing at midnight (+z axis GSM); at such points the field intensity on the boundary is zero, posing no barrier to the entry of plasma. (This simple definition assumes a noon midnight plane of symmetry, but closed fields lacking such symmetry also must have cusps, by the fixed point theorem.) The amount of solar wind energy and plasma entering the actual magnetosphere depends on how far it departs from such a "closed" configuration, i. e. the extent to which Interplanetary Magnetic Field field lines manage to cross the boundary. As discussed further below, that extent depends very much on the direction of the Interplanetary Magnetic Field, in particular on its southward or northward slant. Trapping of plasma, e. g. of the ring current, also follows the structure of field lines. A particle interacting with this B field experiences a Lorentz Force which is responsible for many of the particle motion in the magnetosphere. Furthermore, Birkeland currents and heat flow are also channeled by such lines — easy along them, blocked in perpendicular directions. Indeed, field lines in the magnetosphere have been likened to the grain in a log of wood, which defines an "easy" direction along which it easily gives way.
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.
The spacing between field lines is an indicator of the relative strength of the magnetic field. Where magnetic field lines converge the field grows stronger, and where they diverge, weaker. Now, it can be shown that in the motion of gyrating particles, the "magnetic moment" μ = W⊥/B (or relativistically, p⊥2/2mγB) stays very nearly constant. The "very nearly" qualifier sets it apart from true constants of motion, such as energy, reducing it to merely an "adiabatic invariant." For most plasmas in the magnetosphere, the deviation from constancy is negligible. The conservation of μ is tremendously important (in laboratory plasmas as well as in space). Suppose the field line guiding a particle, the axis of its spiral path, belongs to a converging bundle of lines, so that the particle is led into an increasingly larger B. To keep μ constant, W⊥ must also grow. However, as noted before, the total energy of a particle in a "purely magnetic" field remains constant. What therefore happens is that energy is converted, from the part associated with the parallel motion v// to the perpendicular part. As v// decreases, the angle between v and B then increases, until it reaches 90°. At that point W⊥ contains all the available energy, it can grow no more and no further advance into the stronger field can occur. The result is known as magnetic mirroring. The particle briefly gyrates perpendicular to its guiding field line, and then retreats back to the weaker field, the spiral unwinding again in the process. It may be noted that such motion was first derived by Henri Poincaré in 1895, for a charged particle in the field of a magnetic monopole, whose field lines are all straight and converge to a point. The conservation of μ was only pointed by Alfvén about 50 years later, and the connection to adiabatic invariant was only made afterwards. Magnetic mirroring makes possible the "trapping" in the dipole like field lines near Earth of particles in the radiation belt and in the ring current. On all such lines the field is much stronger at their ends near Earth, compared to its strength when it crosses the equatorial plane. Assuming such particles are somehow placed in the equatorial region of that field, most of them stay trapped, because every time their motion along the field line brings them into the strong field region, they "get mirrored" and bounce back and forth between hemispheres. Only particles whose motion is very close to parallel to the field line, with near zero μ, avoid mirroring—and these are quickly absorbed by the atmosphere and lost. Their loss leaves a bundle of directions around the field line which is empty of particles—the "loss cone". In addition to gyrating around their guiding field lines and bouncing back and forth between mirror points, trapped particles also drift slowly around Earth, switching guiding field lines but staying at approximately the same distance (another adiabatic invariant is involved, "the second invariant"). This motion was mentioned earlier in connection with the ring current. One reason for the drift is that the intensity of B increases as Earth is approached. The gyration around the guiding field line is therefore not a perfect circle, but curves a little more tightly on the side closer to the Earth, where the larger B gives a smaller Rg. This change in curvature makes ions advance sideways, while electrons, which gyrate in the opposite sense, advance sideways in the opposite direction. The net result, as already noted, produces the ring current, though additional effects (like non uniform distribution of plasma density) also affect the result.
Плазмалық фонтан
1980 жылдары Жердің Солтүстік полюсінен сутек, гелий және оттегі иондарынан тұратын "плазмалық фонтан" ағыны табылды.
In the 1980s, a "plasma fountain" of hydrogen, helium, and oxygen ions was discovered flowing from the Earth's North Pole.