Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Ионы и электроны плазмы, взаимодействующие с магнитным полем Земли, обычно движутся вдоль линий магнитного поля. Эти линии представляют собой силу, которую испытывал бы северный магнитный полюс в любой заданной точке. (Более плотные линии указывают на большую силу.) Плазма демонстрирует более сложные эффекты второго порядка, изучаемые в рамках магнитогидродинамики. Таким образом, в "закрытой" модели магнитосферы граница магнитопаузы между магнитосферой и солнечным ветром определяется линиями магнитного поля. Сквозь такую прочную границу может проникнуть немного плазмы. Ее единственными "слабыми местами" являются два полярных куспида – точки, где линии поля, замыкающиеся в полдень (ось z GSM), разделяются с линиями поля, замыкающимися в полночь (+z ось GSM); в этих точках напряженность поля на границе равна нулю, что не создает препятствий для проникновения плазмы. (Это упрощенное определение предполагает плоскость симметрии полдень-полночь, но закрытые поля, лишенные такой симметрии, также должны иметь куспиды согласно теореме о неподвижной точке.) Количество энергии солнечного ветра и плазмы, проникающих в реальную магнитосферу, зависит от степени отклонения от такой "закрытой" конфигурации, то есть от того, насколько линии межпланетного магнитного поля (ММП) пересекают границу. Как будет обсуждаться ниже, эта степень в значительной мере зависит от направления ММП, в частности от его наклона к югу или к северу. Удержание плазмы, например, плазмы кольцевого тока, также подчиняется структуре линий магнитного поля. Частица, взаимодействующая с этим магнитным полем, испытывает силу Лоренца, которая обуславливает большую часть движения частиц в магнитосфере. Более того, токи Биркэланда и тепловой поток также направляются вдоль этих линий – легко вдоль них, но блокируются в перпендикулярных направлениях. Действительно, линии магнитного поля в магнитосфере можно сравнить с волокнами в бревне, которые определяют "легкое" направление, вдоль которого древесина легко раскалывается.
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.
Магнитное зеркальное отражение и магнитное дрейф
Расстояние между линиями поля является индикатором относительной силы магнитного поля. Там, где линии магнитного поля сходятся, поле усиливается, а там, где они расходятся – ослабевает. Можно показать, что при движении вращающихся частиц "магнитный момент" μ = W⊥/B (или релятивистски, p⊥²/2mγB) остаётся почти постоянным. Уточнение "почти" отличает его от истинных интегралов движения, таких как энергия, понижая его до уровня "адиабатического инварианта". Для большинства плазм в магнитосфере отклонение от постоянства пренебрежимо мало. Сохранение μ чрезвычайно важно (как в лабораторных плазмах, так и в космическом пространстве). Предположим, линия поля, направляющая частицу, ось её спиральной траектории, принадлежит к сходящемуся пучку линий, так что частица движется в область с всё возрастающим B. Чтобы μ оставался постоянным, W⊥ также должен возрастать. Однако, как отмечалось ранее, полная энергия частицы в "чисто магнитном" поле остаётся постоянной. Следовательно, происходит преобразование энергии из компоненты, связанной с параллельным движением v//, в перпендикулярную компоненту. По мере уменьшения v// угол между v и B увеличивается, пока не достигнет 90°. В этот момент W⊥ содержит всю доступную энергию, он больше не может расти, и дальнейшее продвижение в более сильное поле невозможно. Этот результат известен как магнитное зеркальное отражение. Частица кратковременно вращается перпендикулярно направляющей линии поля, а затем отступает обратно в область более слабого поля, при этом спираль снова раскручивается. Стоит отметить, что такое движение впервые было выведено Анри Пуанкаре в 1895 году для заряженной частицы в поле магнитного монополя, линии поля которого прямые и сходятся в одной точке. Сохранение μ было отмечено Альфвеном лишь примерно через 50 лет, а связь с адиабатическим инвариантом была установлена позднее. Магнитное зеркальное отражение обеспечивает "захват" частиц в дипольных линиях поля вблизи Земли в радиационных поясах и в кольцевом токе. На всех таких линиях поле значительно сильнее на их концах вблизи Земли, чем при пересечении экваториальной плоскости. Если предположить, что такие частицы каким-то образом помещены в экваториальную область этого поля, большинство из них останутся в ловушке, поскольку каждый раз, когда их движение вдоль линии поля приводит их в область сильного поля, они "отражаются" и движутся колебательно между полушариями. Только частицы, движение которых близко к параллельному линии поля, с μ близким к нулю, избегают зеркального отражения – и они быстро поглощаются атмосферой и теряются. Их потеря оставляет пучок направлений вокруг линии поля, свободный от частиц – "конус потерь". Помимо вращения вокруг направляющих линий поля и колебательного движения между зеркальными точками, захваченные частицы также медленно дрейфуют вокруг Земли, переключая направляющие линии поля, но оставаясь примерно на том же расстоянии (задействован ещё один адиабатический инвариант – "второй инвариант"). Это движение упоминалось ранее в связи с кольцевым током. Одна из причин дрейфа заключается в том, что напряжённость B увеличивается по мере приближения к Земле. Поэтому вращение вокруг направляющей линии поля не является идеальной окружностью, а немного сильнее искривляется на стороне, ближайшей к Земле, где большее B даёт меньший Rg. Это изменение кривизны заставляет ионы смещаться вбок, а электроны, вращающиеся в противоположном направлении, смещаться вбок в противоположном направлении. Результирующий эффект, как уже отмечалось, создаёт кольцевой ток, хотя на результат также влияют дополнительные факторы (например, неоднородное распределение плотности плазмы).
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.
Фонтан плазмы
В 1980-х годах был обнаружен "плазменный фонтан", состоящий из ионов водорода, гелия и кислорода, истекающий из Северного полюса Земли.
In the 1980s, a "plasma fountain" of hydrogen, helium, and oxygen ions was discovered flowing from the Earth's North Pole.