CC BY
4
УДК 524.3; 524.4; 524.58
DOI 10.29003/m3051.0514-7468.2022_44_3/370-376
СТЕНД «МАГНИТОСФЕРА» В ЭКСПОЗИЦИИ МУЗЕЯ ЗЕМЛЕВЕДЕНИЯ «ЗЕМЛЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ»
М.А. Винник, О.П. Иванов, А.А. Коснырева, В.М. Чаругин*
На стенде экспозиции Музея землеведения МГУ «Земля во Вселенной» демонстрируются специфика структуры и особенности динамики сложной системы магнитосферы Земли. Рассмотрены процессы, протекающие в магнитосфере.
Ключевые слова: магнитосфера, магнитопауза, радиационные пояса ван Аллена, плазмоид, солнечный ветер, магнитные бури, мониторинг магнитосферы.
Ссылка для цитирования: Винник М.А., Иванов О.П., Коснырева А.А., Чаругин В.М. Стенд «Магнитосфера» в экспозиции Музея землеведения «Земля во Вселенной» // Жизнь Земли. Т. 44, № 3. С. 370-376. DOI: 10.29003/m3051.0514-7468.2022_44_3/370-376.
Поступила 05.03.2022 / Принята к публикации 03.08.2022
«THE MAGNETOSPHERE»: A POSTER AT THE EXHIBITION «EARTH IN THE UNIVERSE» IN THE EARTH SCIENCE MUSEUM
M.A. Vinnik, Dr. Sci (Pedagogic)1, O.P. Ivanov, PhD1, A.A. Kosnyreva1, V.M. Charugin, Dr. Sci (Physics and Mathematics)2 1 Lomonosov Moscow State University (Earth Science Museum) 2 Moscow Pedagogical State University
The poster at the exhibition «Earth in the Universe» in the Earth Science Museum demonstrates specific features of the structure and dynamics of the complex system of Earth's magnetosphere. Processes occurring in the magnetosphere are considered.
Keywords: magnetosphere, magnetopause, van Allen radiation belt, plasmoid, solar wind, magnetic storms, magnetosphere monitoring.
For citation: Vinnik, M.A., Ivanov, O.P., Kosnyreva, A.A., Charugin, V.M., «"The Magnetosphere": A Poster at the Exhibition "Earth within the Universe" in the Earth Science Museum», Zhizn Zemli [Life of the Earth] 44, no 3, 370-376 (2022) (in Russ., abstract in Engl.). DOI: 10.29003/m3051.0514-7468.2022_44_3/370-376.
Введение. Стенд «Магнитосфера» предназначен для иллюстративной демонстрации основных сведений по строению и динамике магнитосферы Земли в экспозиции «Земля во Вселенной». Он состоит из ряда тематических информационных блоков: вверху расположена информация о структуре магнитосферы, ниже представлен блок «Процессы в магнитосфере», ещё ниже - блок «Воздействие на магнитосферу солнечной активности», слева от него - блок «Средства мониторинга магнитосферы», справа -«Мониторинг магнитосферы» (рис. 1).
Структура магнитосферы. В верхней части стенда располагается блок, посвящён-ный структуре магнитосферы (рис. 2).
В центре блока изображена схема структуры сложной системы магнитосферы Земли, на которой показаны все её подсистемы: солнечный ветер, фронт ударной волны, хвост
* Винник Михаил Анатольевич - д.пед.н., в.н.с., vin_nik@mail.ru; Иванов Олег Петрович - к.г.-м.н., в.н.с., ivanovop2007@yandex.ru; Коснырева Анастасия Александровна - н.с., Музей землеведения МГУ; Чаругин Виктор Максимович - д.ф.-м.н., проф., Московский педагогический государственный университет.
370
Жизнь Земли 44(3) 2022 370-376
МАГНИТОСФЕРА — сложная подсистема Земли, свойства которой и асимметричная форма определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц от Солнца
Рис. 1. Вид стенда «Магнитосфера» в экспозиции «Земля во Вселенной». Fig. 1. View of the poster «Magnetosphere» at the exposition «Earth in the Universe».
магнитосферы, магнитопауза (граница магнитосферы), радиационные пояса, кольцевой ток, плазменный слой, плазмоид.
Магнитосфера - внешняя защитная оболочка Земли, представляющая собой геомагнитное поле, деформированное солнечным ветром. Магнитосфера является препятствием для плазмы солнечного ветра, увлекающей за собою солнечное магнитное поле. При сверхзвуковом обтекании магнитосферы Земли солнечным ветром в её лобовой части
Рис. 2. Структура магнитосферы. Fig. 2. Structure of the magnetosphere.
(в подсолнечной области) на расстоянии около 10-12 R образуется стоячая ударная волна. В антисолнечном направлении силовые линии магнитосферы вытягиваются в форме «хвоста», который можно проследить до расстояния около 1000 R. Внешняя граница магнитосферы называется магнитопаузой и может иметь толщину 100-200 км. Магнитопауза экранирует полость магнитосферы и затрудняет доступ в неё заряженных частиц, её положение зависит от плотности потока частиц солнечного ветра. Хвост магнитосферы состоит из плазменного слоя и тонкого нейтрального слоя, расположенного в его середине. Граница плазмосферы перекрывается радиационными поясами Земли.
Форма магнитосферы определяется балансом динамического давления солнечного ветра и ударов корональных плазменных потоков, с одной стороны, и давлением магнитного поля Земли,- с другой.
В левой верхней части блока располагается схема формирования постоянного магнитного поля Земли и форма магнитных силовых линий в модели магнитного гидродинамо. Ниже показана модель протоносферы - водородной короны Земли.
В правой нижней части блока представлена схема радиационных поясов Земли. Радиационный пояс - область околоземного пространства с интенсивными потоками энергичных заряженных частиц, представляющий собой тороид, который делится на внешний радиационный пояс Земли (высота до 40 000 км), внутренний радиационный пояс (высота до 15 000 км), магнитные силовые линии и пояс, образованный высокоэнергетическими частицами.
Во внутреннем радиационном поясе Земли с помощью прибора Pamela («Ресурс-ДК1», РФ) обнаружен антипротонный пояс (правый верхний рисунок).
Процессы в магнитосфере. Ниже расположен блок, посвящённый процессам, происходящим в магнитосфере Земли (рис. 3).
Возникающее в пограничных областях магнитосферы 3емли электрическое поле, обусловленное пересоединением и вязким трением, приводит к появлению продольных электрических токов, текущих вдоль магнитных силовых линий. Эти токи замыкаются через высокопроводящую ионосферу, втекая в неё на утренней стороне и вытекая на вечерней. Ионосфера в этой цепи является нагрузкой, т.е. в магнитосфере действует магнитогидродинамический генератор, преобразующий кинетическую энергию плазмы солнечного ветра в энергию магнитосферно-ионосферных токов (верхний левый рисунок)'.
1 Earth's magnetosphere (http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/3808/МАГНИТОСФЕРА).
Рис. 3. Процессы в магнитосфере. Fig. 3. Processes in the magnetosphere.
Приносимый солнечным ветром поток электронов и протонов, достигая магнитосферы, начинает взаимодействовать с магнитным полем Земли. Электроны захватываются геомагнитным полем, и далее с большими скоростями движутся по спиральным траекториям вокруг силовых магнитных линий поля. Линии, постепенно «сгущаясь», подходят к земной поверхности в приполярных областях. Туда-то и устремляются закручивающиеся вокруг силовых линий электроны. Но достигнуть поверхности Земли они всё же не могут, т.к. по мере перемещения вдоль магнитных силовых линий поля и приближения к земной поверхности электроны попадают в область всё более сильного поля (левый средний рисунок).
Ниже располагаются данные моделирования фиксации кислородными ионами откликов магнитосферы на ударную волну плазмы.
На втором верхнем рисунке показана схема динамики магнитосферы при образовании плазмоида. Межпланетное поле направлено на юг, магнитные поля на дневной магнитопаузе антипараллельны, так что возникает нейтральная линия. На большом удалении от Земли может существовать дальняя нейтральная линия. Благодаря образованию новой, околоземной нейтральной линии, позволяющей магнитному потоку разомкнутых линий быстро пересоединяться, происходит быстрая трансформация запасённой в геомагнитном хвосте магнитной энергии в энергию плазменных потоков. Крупный плазменный сгусток, плазмоид, сформировавшийся между двумя нейтральными линиями, вобравший в себя большой поток пересоединившихся силовых линий, выталкивается из магнитосферы. Таким образом магнитосфера возвращается к исходному, спокойному состоянию, с относительно небольшим количеством магнитной энергии, запасённым в хвосте2.
2 Magnetosphere (http://nuclphys.sinp.msu.ru/magn/magn1.htm).
Рис. 4. Воздействие на магнитосферу солнечной активности. Fig. 4. Solar activity effect on the magnetosphere.
На третьем верхнем рисунке показано, как под действием силы Лоренца сортируются заряженные частицы. При пересечении магнитопау-зы электроны отклоняются к вечерней стороне, а протоны - к утренней. После того как магнитное поле Земли разделило электроны и протоны, направив их по разным путям, их движение на границе магнитосферы стало электрическим током, направленным с утренней стороны через подсолнечную точку на вечернюю сторону.
На четвёртом верхнем рисунке показана схема передачи энергии солнечного ветра в хвост магнитосферы за счёт взаимодействия плазмы (розовое) с магнитным полем.
На правом нижнем рисунке изображены данные спутника «Themis» о воздействии магнитной бури на озоновый слой Земли. В месте столкновения потока заряженных частиц с магнитосферой озоновый слой резко уменьшается.
Воздействие на магнитосферу солнечной активности. Центральный тематический блок посвящён процессу воздействия солнечной активности на магнитосферу Земли (рис. 4).
Солнечный ветер и выбросы солнечного вещества могут вызвать магнитную бурю на Земле. Их воздействие на магнитосферу приводит к тому, что магнитное поле Земли беспорядочно изменяется, в результате чего возникает магнитная буря. Наиболее сильные магнитные бури приходятся на период роста и спада солнечной активности. Самая внешняя оболочка Земли -магнитосфера - первой встречает удар солнечного воздействия на Землю (верхний рисунок).
Во время солнечной бури к Земле выбрасываются потоки солнечной корпускулярной радиации. Эти потоки достигают орбиты нашей планеты за полтора - двое суток и, наталкиваясь на магнитосферу Земли, поджимают её с дневной стороны. Дальше поток солнечной плазмы обтекает магнитосферу Земли, создавая на её границе электрические токи. Кроме того, солнечная плазма проникает в хвост магнитосферы. Эти облака плазмы сильно искажают магнитосферу. В крайнем случае, при очень сильной солнечной буре, возможно даже проникновение магнитопаузы в радиационные пояса Земли и их уничтожение (третий рисунок).
Солнечная плазма обладает собственным магнитным полем, и распространяясь к нашей планете порождает возмущения в магнитном поле Земли. Если поле плазмы направлено в противоположную сторону от магнитного поля Земли, они могут соединиться или может произойти разрыв, высвобождающий магнитную энергию, которая ускоряет заряженные частицы, порождая таким образом яркое полярное сияние и сильные электрические токи (четвёртый рисунок).
Радиационные пояса Земли, в особен- _
ности внешний, - система динамическая, их параметры (интенсивность, положение границ и максимума) могут существенно меняться в зависимости от состояния межпланетной среды и от геомагнитной воз-мущённости. Внешний пояс релятивистских электронов может испытывать весьма значительные пространственно-временные вариации - на два порядка и более по интенсивности потока (нижний рисунок)3.
Средства мониторинга магнитосферы. Левый тематический блок посвящён средствам мониторинга магнитосферы (рис. 5).
На верхнем рисунке блока демонстрируются четыре одинаковых спутника MMS, запущенные NASA. Спутники будут летать на эллиптической орбите, образовав специальную пирамиду, где в каждой вершине будет находиться космический аппарат MMS. Такое расположение космических аппаратов MMS позволит им наблюдать трёхмерную структуру магнитного пересоединения. Эта структура должна помочь определить, где на самом деле происходит последнее.
Ниже представлен российский спутник «Карнопус-B», предназначенный для глобального мониторинга верхних сфер Земли.
Ещё ниже изображены основные параметры околоземной межпланетной среды: скорость и плотность солнечного ветра, конвекция в высокоширотной ионосфере, Bz и By компоненты.
Мониторинг магнитосферы. Правый тематический блок посвящён мониторингу магнитосферы (рис. 6).
Вверху блока показана схема мониторинга межпланетного пространства в реальном времени (зелёным цветом отмечены
СРЕДСТВА МОНИТОРИНГА МАГНИТОСФЕРЫ
NASA планирует вывод на одну орбиту 4-х спутников для изучения процессов перезамыкания в магнитосфере
(hHi>:Vn9№Sj942,f uitipiyacis/images'paiseo'riewsiaoi Q/ogriOSOSS/O.jDg>
Рис. 5. Средства мониторинга магнитосферы. Fig. 5. Monitoring means for the magnetosphere.
3 Variations of the Earth's outer radiation belt during geomagnetic disturbances (http://f120-bal.ru/doc/37621/ index.html).
Для исследования радиационных поясов 30.08.2012 г. NASA запустила два зонда RSBP, которые осуществили записи звучания магнитосферы в диапазонеО - 10 кГц
(http:/^logs.rompij 1йпя.ru/wp-cnn№nt/up 1о12/10/Radiatinrt belis.jpg)
АСЕ SISW (Estimated} UPC & SWiPttl
Begin: 2012-06-06 l8;00;DtlUTC
выбросы корональной массы, прибывающие на Землю), по данным спутников «STEREO». Миссия «STEREO» направлена на изучение корональных выбросов массы и стереоскопического эффекта, позволяющего определять положение источников выброса на Солнце и траекторию их движения.
Запущенные 30 августа 2012 г. спутники-близнецы Radiation Belt Storm Probe (RBSP) зафиксировали записи радиоволн диапазона слуха, испускаемых магнитосферой Земли. Радиоволны, которые имеют частоту 0-10 кГц, испускаются энергетическими частицами в пределах магнитосферы Земли, что в свою очередь затрагивает радиационные пояса (второй рисунок блока).
Ниже демонстрируется изображение мониторинга магнитной активности в магнитосфере.
Благодарности и источники финансирования. Исследование выполнено в рамках тем госзаданий AAAA-A16-116042710030-7 «Музееведение и образование музейными средствами в области наук о Земле и жизни», а также AAAA-A16-116042010088-5 «Эволюция геодинамических обстановок и глобальные природные процессы».
Мониторинг магнитной активности в магнитосфере
siorrrKind-auiwas-exp&ctedf)
Рис. 6. Мониторинг магнитосферы. Fig. 6. Monitoring of the magnetosphere.
