Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Плазма. Автор неизвестен - файл n1.doc


Плазма. Автор неизвестен
скачать (805.6 kb.)

Доступные файлы (1):

n1.doc1130kb.15.01.2004 22:37скачать

Загрузка...

n1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Плазма [1]
Почти все вещество Вселенной находится в состоянии плазмы. Плазма – это газ, у которого атомы полностью или частично ионизованы. Причины ионизации могут быть разные: высокая температура, электрический разряд в газе, воздействие излучения. Звёзды – плазменные шары, нагревающиеся реакциями термоядерного синтеза до очень высоких температур; в недрах звёзд температура порядка 107 … 108 К.

Земля имеет плазменную оболочку – ионосферу. Ионизация здесь в основном обусловлена солнечным излучением. Молния, электрическая дуга, пламя – это плазма.

Если степень ионизации плазмы достаточно высока, она хорошо проводит электрический ток. Внутри звёзд вещество ионизовано полностью, и проводимость его велика, не меньше, чем меди или серебра при комнатной температуре. Такое хорошо проводящее тело само генерирует магнитное поле из-за сложных движений его вещества. Это и конвекция, и дифференциальное вращение, когда угловая скорость вращения различна для разных слоёв – область экватора вращается быстрее, чем полярные области.

Плазма в математической модели считается проводящей жидкостью. Её изучением занимается новая наука магнитная гидродинамика. (Её основал Г.Альвен (Швеция) в шестидесятых годах ХХ века. В 1970 г. он получил за её разработку Нобелевскую премию). Альвен рассматривал плазму состоящей из двух жидкостей – электронной и ионной.

И заряженные и нейтральные частицы участвуют в различных движениях - и дрейф их в поле, и ларморово вращение, и тепловое движение и т.д.

Рассмотрим следующую упрощённую модель: бесконечно протяжённое, изотропно проводящее (т.е. одинаково во всех направлениях) жидкое или газообразное вещество пронизано однородным магнитным полем индукции Вz . (Рис.1). Толщина слоя L. Жидкость в слое движется со скоростью Vx = const. Поперёк слоя (в направлении оси У) индуцируется электрическое поле :



Рис.1

; ;

Так как слой в этом направлении бесконечен, возникает электрический ток jу :


( т.к. Bz < 0), - удельная электропроводность среды.

Ток jy создаёт своё магнитное поле вдоль оси Х, . Расчёт по закону полного тока даёт его величину на поверхности слоя (при z = ) .

Интересно сравнить индуцированное магнитное поле с внешним:



Эта безразмерная величина в реальных условиях меньше, т.к. меньше ток j. Но она всегда пропорциональна произведению , где L – какой-нибудь характерный размер системы.

Величина = Rm - магнитное число Рейнольдса (гидродинамическое число Рейнольдса

Re = – критерий для перехода ламинарного течения в турбулентное; здесь d – плотность жидкости, - её вязкость, V – её скорость, усреднённая по сечению потока).

Из-за наличия поля магнитные силовые линии внутри слоя приобретают вид парабол (Рис.2).



Рис.2

Для фотосферы Солнца (видимой верхней его оболочки) Rm . Изгиб силовых линий при этом так велик, что угол между магнитной силовой линией и осью Х около границ слоя () составляет всего .

Действительное движение плазмы таково, что магнитное поле оказывается параллельным скорости её движения Vx (при больших Rm). Магнитные силовые линии «вморожены» в плазму. Это значит, что магнитный поток жёстко связан с проводящей средой. Он распределён по «силовым трубкам», «стенки» которых – магнитные силовые линии. В каждой силовой трубке находится постоянная порция вещества, вслед за которой и движется магнитная силовая трубка.

Структура течений внутри любой звезды достаточно сложна. Неравномерный нагрев, конвекция, дифференциальное вращение. Действие сил Кориолиса приводит к тому, что на северном полушарии преобладает левовинтовое движение, на южном – правовинтовое. Силовые линии магнитного поля внутри бурлящего звёздного вещества подобны морским водорослям в бурном потоке, изгибающимся, навивающимся друг на друга, растягивающимся и сокращающимся.

Итак, в телах с однородно распределёнными электропроводностью и магнитной проницаемостью происходит самовозбуждение магнитного поля. Большие размеры, интенсивное движение, достаточная проводимость дают большое магнитное число Рейнольдса – это условие для того, чтобы магнитные силовые линии оказались «вмороженными» в плазму. Магнитное поле космических тел имеет магнитогидродинамическое происхождение.

Какими должны быть движения плазмы, чтобы любое сколь угодно малое начальное магнитное поле усиливалось в результате этих движений?

Есть разные модели. В любом случае генерирование магнитного поля выгодно энергетически. Превращение части механической энергии звезды в энергию магнитного поля увеличивает устойчивость движения.

Назовём три модели.

  1. Вращающийся цилиндр, как винт, перемещается вдоль своей оси.

  2. Взаимоподдерживающиеся торы (Рис.3). По первому кольцу течёт ток, пропорциональный . Он поддерживает поле второго тора. И наоборот.



Рис.3

  1. Два параллельных тора. Круговое движение плазмы происходит в тонком поверхностном слое каждого тора вокруг сечения трубки. Направления вращения у торов противоположны: у одного - внутрь, у другого – наружу.

В любом случае должна быть винтовая асимметрия движения жидкости. Во всех моделях торы, цилиндры находятся в неограниченной проводящей среде и имеют с ней идеальный контакт.

Космическое тело может иметь две главные разновидности магнитных полей – подобно полю диполя (полоидальное) (Рис.4,а ) и тороидальное (его силовые линии идут вокруг оси тела, как географические параллели (Рис.4,б). Один вид может переходить в другой.
а)

б)

Рис.4


В плазме могут распространяться гидромагнитные волны (альвеновские волны). Это – колебание магнитной силовой линии, распространяющееся вдоль неё (как в длинном свободном шнуре). Волна возможна, только если силовая линия «вморожена» в плазму.

Скорость распространения возбуждения (т.е. волны) ,

где d - плотность среды. Магнитное поле должно быть достаточно сильным.

В плазме совершаются очень сложные физические процессы. Если + и - заряды слегка раздвинуть и отпустить, они начнут колебаться с частотой fпл - плазменная частота. Радиоволны с f > fпл

не отражаются от ионосферы, а проходят через неё.

,

где ne – концентрация электронов в плазме, q и me - заряд и масса электрона, соответственно.

В плазме возможен электрический дрейф: если есть и электрическое и магнитное поле, то она вся в целом перемещается со скоростью

,

причём, при постоянстве электрической силы постоянна скорость, а не ускорение.

В неоднородном магнитном поле частицы дрейфуют перпендикулярно градиенту ; это – магнитный дрейф. В результате заряженная частица принимает участие в трёх движениях:

- вращение по ларморовской окружности со скоростью , где - угол между

направлениями и ;

  • перемещение центра этой окружности вдоль силовой линии магнитного поля со скоростью , на которую магнитное поле не влияет;

  • дрейф центра ларморовской окружности перпендикулярно и .

Поэтому заряженные частицы, например, в магнитном поле Земли описывают сложные траектории. Если облаку плазмы удалось оторваться от основного вещества, оно увлекает с собой магнитное поле (т.к. оно «вморожено» в плазму).

Итак, плазма обладает специфическими свойствами:

  1. она в целом электронейтральна, но обладает электропроводностью;

  2. при наличии магнитного поля она сосуществует с ним:

- оно ограничивает подвижность плазмы (вдоль поля частицы движутся свободно, поперёк – труднее),

  • плазма увлекает магнитное поле с собой при отрыве от основной массы плазменного вещества;

  1. в плазме возможен электрический дрейф,

  2. в ней возможен магнитный дрейф;

  3. плазма поглощает электромагнитные колебания определённой частоты (плазменная частота).

  4. в ней могут распространяться гидромагнитные волны.



Магнитное поле Солнца [2]



По современным представлениям, Солнце состоит примерно на три четверти из водорода, на одну четверть из гелия и содержит порядка 2% более тяжёлых элементов. Оно имеет следующее строение (Рис.5).


Рис.5

1. В центре его находится раскалённое ядро, температура которого 14…16 миллионов кельвинов;

радиус ядра составляет примерно одну четверть от всего радиуса Солнца; давление газа в нём

атмосфер; плотность кг/ м3 , в 10 раз больше плотности твёрдого свинца.

Эти условия достаточны для протекания в ядре термоядерных реакций синтеза. В результате выделяется огромная энергия, главным образом, в виде - излучения. При термоядерных реакциях образуются нейтрино, обладающие фантастической проникающей способностью, т.к. не испытывают электромагнитного воздействия. Они движутся со скоростью света и достигают Земли за 8,3 минуты.

2. Затем – конвективная зона, имеющая вид ячеек Бенара. Здесь вещество - как бурно кипящая жидкость. Наблюдается несколько ярусов ячеек (Рис.6).


Рис.6

3. Яркая светящаяся поверхность Солнца, видимая невооружённым глазом, - фотосфера, температура её порядка 6000 К. Из фотосферы вырываются яркие струи – факелы. Время их жизни порядка нескольких часов, температура 7000 К. Фотосфера абсолютно непрозрачна. Внешние ячейки конвективной зоны выносят в неё вещество и энергию.

4. Над фотосферой располагается хромосфера – достаточно плотный и тонкий слой, он виден во время солнечного затмения как ореол.

  1. Затем – корона, разреженная, неоднородная горячая область, Т = 1…2 млн К. Она простирается

до расстояний в несколько солнечных радиусов. В ней время от времени взлетают протуберанцы. Они бывают спокойными, активными и взрывными. Взрывные могут покидать солнечную атмосферу. Высота их достигает 1,5 млн км, скорость до 300 км/ с. Случались выбросы в течение нескольких минут со скоростью 1000 км/ с (Рис.7).



Рис.7
Вещество Солнца – плазма. Солнце вращается вокруг своей оси в ту же сторону, в которую движутся по своим орбитам планеты солнечной системы, но быстрее: период его вращения равен 28 земным суткам. Ему присуще дифференциальное вращение: угловая скорость больше к экватору, меньше в приполярных областях.

Итак, конвекция, электропроводность, дифференциальное вращение в общем магнитном поле Солнца приводит к возникновению локальных токов, а значит, и магнитных полей. Это выражается в солнечной активности.

Дифференциальное вращение плазмы Солнца приводит к «наматыванию» силовых линий магнитного поля на его поверхность, как ниток на клубок. Наибольшая их густота оказывается вблизи экватора. Общая структура силовых линий усложняется. Наконец, она становится неустойчивой, силовые линии разрываются. Их структура снова становится простейшей, дипольной, но положение полюсов поменялось – произошла инверсия магнитного поля. Если изначально северный магнитный полюс был наверху, то в результате инверсии он окажется внизу. Это – простейшая модель 11-летнего цикла активности Солнца (с учётом смены полярности – 22-летнего) (Рис.8). На рис.8,а цифры означают количество оборотов. Вращение Солнца увлекает за собой силовые линии магнитного поля. На рис.8,б – картина после многих оборотов. На рис.8,в – разрыв средней силовой линии, переполюсовка магнитного поля.



Рис.8

Вспышки происходят там, где резко меняется направление магнитного поля. Разрыв – вспышка. Это – одна разновидность солнечной активности.

Согласно принятой гипотезе процессы на Солнце происходят следующим образом. Представим себе тор. Вокруг его продольной оси вращаются свободные электроны. Вдоль продольной оси тора возникает магнитное поле в форме магнитной трубки, заключающей в себе плазму тора .

Так как магнитные силовые линии «вморожены» в плазму, то такая структура очень устойчива. Заполненные плазмой магнитные трубки могут возникать в конвективной зоне. Затем они меняют форму, перекручиваются и т.п. В конце концов они выносятся на поверхность Солнца, в фотосферу, где температура порядка 6000 К.

Для магнитной трубки энергетически выгодно располагаться не в плоскости фотосферы, а поперёк, перпендикулярно ей. Возникают магнитные арки, концы которых закреплены в фотосфере, а вершины простираются в корону. Характерная высота арки h ~ 10…100 тысяч километров, поперечное сечение d ~ 1000…5000 км (Рис.9).

Рис.9
Движение частиц в арках поперёк силовых линий магнитного поля затруднено, поэтому в том месте, где «нога» арки погружается в фотосферу, при той же продольной скорости частиц поперечная составляющая скорости подавлена. В результате внутренние части области входа арки в фотосферу холоднее, темнее окружающей плазмы. Температура там порядка 4500 К. Это – солнечные пятна. Понятно, почему они возникают парами.

Движение вещества часто приводит к тому, что вблизи арки или прямо под ней всплывает ещё одна арка, затем ещё и ещё. Магнитные поля короны запутываются, в них накапливается потенциальная энергия. При благоприятных условиях магнитные поля трубок «пересоединяются». Структура становится проще, выделяется энергия, она передаётся электронам в виде их кинетической энергии. Электроны ускоряются до десятков тысяч эВ и высыпаются в хромосферу, ионизируя вещество. При его рекомбинации происходят вспышки на Солнце. Значит, выбрасываются электроны и энергия во всех диапазонах длин волн – от радиоволн до - квантов.

Наиболее продолжительные и энергичные вспышки сопровождаются выбросом вещества из короны. Это уже протоны. Траектория потока протонов определяется формой «открытых» магнитных полей Солнца, простирающихся на огромные расстояния и образующих «коридоры», по которым движутся потоки частиц. Эти коридоры спирально закручены из-за вращения Солнца.

Спиральные коридоры от Солнца в окружающее пространство существуют довольно долго – сутки, недели и дольше. Начинаются они на Cолнце «открытыми магнитными конфигурациями»: исходящие из них силовые линии не замыкаются нигде на поверхности Солнца, а уходят прочь от него. Над этими областями плотность плазмы ниже, чем вокруг них, так как открытые магнитные конфигурации не удерживают плазму, а лишь препятствуют её поперечному распространению. Это – зияющие окна, через которые плазма уходит прочь от Солнца, образуя солнечный ветер. Такие источники солнечного ветра называются корональными дырами.

Вспышки на Солнце длятся несколько минут. Электроны солнечной плазмы ускоряются до энергий в сотни МэВ (1 МэВ = 106 эВ), протоны и ядра – до десятков ГэВ (1 ГэВ = 109 эВ). Это – солнечные космические лучи.

Плазма солнечной атмосферы пронизана магнитными полями сложной, постоянно меняющейся формы. Постоянно идёт перераспределение энергии – плазма способна преобразовывать энергию магнитного поля в тепловую и кинетическую, в потоки излучений и быстрых частиц.

Пусть в каком-то участке атмосферы Солнца происходит изменение магнитного поля, например, в результате всплывания новой группы солнечных пятен. Плазма приходит в движение, «вмороженные» в неё силовые линии переносятся вместе с веществом. Среди них при определённых условиях возникают особые линии, вблизи которых в результате течений плазмы магнитная энергия может накапливаться. Силовые линии сгущаются, в их окрестности концентрируется в относительно малых объёмах электрический ток.

Простейший пример – так называемая нулевая линия, на которой напряжённость магнитного поля равна нулю (см., например, рис.8,б). Силовые линии концентрируются вблизи неё, одновременно вытягиваясь вдоль неё. Нулевая линия постепенно преобразуется в токовый слой. В нём сосредоточен электрический ток и вблизи накапливается избыточная магнитная энергия. У Солнца нулевая линия располагается ниже экватора.

Наступает критическое состояние, слой становится неустойчивым – происходит его разрыв. Это – вспышка, трансформация магнитной энергии в другие виды.

Процесс, который формирует и разрушает токовый слой – магнитное пересоединение в плазме противоположно направленных силовых линий магнитного поля, ранее разделённых токовым слоем.

Все процессы на Солнце влияют на состояние планет, в частности Земли.

Магнитное поле Земли



Земля – большой магнит. Её магнитное поле имеет и внутреннее и внешнее происхождение и непрерывно изменяется во времени – от часа к часу, из года в год.

[3] Собственное магнитное поле меняется медленно. Это изменение называется постоянным, вековым (вековые вариации). Источник быстрых вариаций – электрические токи в верхних слоях атмосферы – ионосфере.

  1. Собственное магнитное поле Земли


Для того, чтобы представить себе происхождение собственного магнитного поля Земли, рассмотрим современные представления о её строении.

[4] В центре нашей планеты находится твёрдое ядро, состоящее из железа и никеля. Оно окружено внешним ядром – жидким металлическим слоем (расплавленные железо и никель). Затем идёт нижняя мантия из силикатного вещества, жидкая верхняя мантия и самый верхний слой – кора. Под континентами есть гигантские жёсткие плиты, плавающие в верхней мантии. Основных плит – 10. Конвекция вещества верхней мантии перемещает плиты со скоростью нескольких сантиметров в год. Они сталкиваются, трутся краями, подплывают краями друг под друга, разъезжаются. Результат – перемещение континентов, рождение вулканов, извержения вулканов, землетрясения.

Цикличность образования новых пород на планете определяется положением Солнца в Галактике. Период этого цикла – 400 … 500 млн лет. Между бурными перестройками идёт спокойное, ритмичное существование – ровный геологический пульс Земли.

[3] Собственное магнитное поле Земли по своему происхождению аналогично солнечному. В жидком внешнем ядре расплавленный металл бурлит, образуя мощные турбулентные вихри (гипотеза предложена Л.И.Френкелем в 1948 г.). Небольшое количество радиоактивных веществ, содержащихся в ядре, поддерживает это движение, так как энергия радиоактивного распада создаёт градиент температур. В слабом первичном магнитном поле любого происхождения индуцируются электрические токи. Эти замкнутые вихревые токи создают своё магнитное поле, которое усиливает первичное поле.

Конвекционные вихревые токи разбиваются на ячейки (Бенара). Индукция возникающего магнитного поля: ~ , где N – количество ячеек.

Собственное магнитное поле Земли аналогично полю магнитного диполя - витка с током. [2] Оценим величину кольцевого тока, текущего в плоскости экватора на расстоянии R = 5000 км от центра Земли, если он создаёт вблизи полюса магнитное поле индукцией В = 10-4 Тл (Рис.10).



Рис.10
Индукция магнитного поля на оси кругового тока I на расстоянии h от центра кольца радиуса R

и

В нашем случае R = 5000 км = , h = rЗ – радиус Земли, h = , поэтому

А
Реально вихревое кольцо наклонено к экватору, поэтому магнитная ось не совпадает с осью вращения Земли. Северный магнитный полюс находится со стороны южного полюса оси вращения Земли.

Качественно силовые линии поля показаны на рис.11. Они выходят из северного магнитного полюса и входят в южный, но не уходят на бесконечность, как у диполя, а обрываются и зависят от времени года (обсудим позже).



Рис.11

Графически магнитное поле Земли изображают с помощью изолиний – линий, соединяющих точки земной поверхности с одинаковыми значениями напряжённости поля Н. Поверхность Земли разбивается изолиниями на ряд областей почти круглой формы, в центре которых магнитная стрелка, подвешенная за центр тяжести, устанавливается вертикально, как будто в центре этой области есть вертикально расположенный магнит. В одних областях он обращён вверх северным концом, в других – южным. Это – магнитные аномалии. Крупных аномалий на Земле 6, одна из них – вблизи Антарктиды – распадается на две. Наиболее интенсивная и правильная по форме – Восточно-Азиатская (Восточно-Сибирская) магнитная аномалия. В западной Африке расположена противоположная по знаку аномалия.

Центр области изолиний является источником силовых линий. Причина аномалий – залегание под их центрами громадных намагниченных масс или мощных вихревых токов.

Вековые вариации имеют период в несколько сотен лет.

[5] Вся планетная система взаимосвязана. Земля резонирует на изменения магнитного состояния Юпитера, Урана. Наиболее мощных магнитных аномалий на Земле четыре. На Юпитере – тоже четыре. У Земли и Юпитера совпадают магнитные оси.

Сейчас идёт инверсия магнитного поля – переполюсовка - и на Юпитере, и на Уране, и на Земле. Южный магнитный полюс Земли (он со стороны северного полюса оси вращения) смещается по направлению к Сибири на 16…17 км в год (обычный дрейф составляет 2…3 см в год). Одновременно с 1986 года (начала очередного солнечного цикла) расширяется полярная щель: обычный угол её раствора составляет 30…60 , а к 1996 году она увеличилась до 450 . (Полярная щель – угол раскрытия силовых линий магнитного поля в районе магнитного полюса). Наращивается мощность Восточно-Сибирской магнитной аномалии, т.е. вертикальная составляющая напряжённости Н увеличивается на 28…32 нТл в год.

Состояние природы новое, все живые существа реагируют на него. Наша кровеносная система – магнитная антенна. Больше всего магниточувствительных элементов находится в крови. Раньше других почувствовали усиление магнитного поля новорожденные. В Красноярске стали рождаться дети с пониженным количеством железа в крови. Кровь при новом его содержании выполняет свои функции при росте и организации сознания ребёнка. Когда врачи забили тревогу и стали вводить детям железо, они начали болеть.

Итак, собственное магнитное поле Земли создаётся вихревыми токами в ядре планеты (геомагнитное поле). Как влияют на него внешние причины, прежде всего Солнце?


  1. Магнитосфера Земли


[6] Земля окружена магнитосферой – областью, занятой геомагнитным полем. Если бы не было внешнего влияния, оно имело бы характер поля магнитного диполя – магнитосфера простиралась бы до бесконечности.

Но межпланетное пространство заполнено потоком горячей плазмы от Солнца – солнечным ветром. Характерная скорость движения плазменных выбросов порядка 1000 км/ с, поэтому они летят до орбиты Земли примерно 50 часов:

часов.

Концентрация протонов и электронов в них от нескольких единиц до нескольких десятков в 1 см3 .

Вместе с плазмой выносится и солнечное магнитное поле, силовые линии которого за счёт вращения Солнца принимают форму спиралей.

Солнечный ветер определяет структуру и динамику магнитосферы Земли. Силовые линии межпланетного магнитного поля, «вмороженные» в его плазму, переносятся вместе с нею, обволакивая магнитосферу. Солнечный ветер ограничивает её размеры. Со стороны Солнца (на дневной стороне) она простирается на 100 тыс. км, а с противоположной стороны вытянута значительно дальше, образуя длинный геомагнитный хвост (Рис.12).
Рис.12

Итак, земная магнитосфера – это магнитное поле Земли, деформированное солнечным ветром. Земля окружена магнитной оболочкой, отражающей заряженные частицы, идущие от Солнца и из космоса (космические лучи – неизменные во времени и изотропные в пространстве потоки стабильных частиц: протонов, электронов, позитронов, частиц, квантов).

Поверхность, отделяющая магнитосферу от солнечного ветра, называется магнитопаузой. Она находится там, где сила давления солнечного ветра на магнитное поле Земли Рм уравновешивается силой сопротивления геомагнитного поля. Чем больше Рм , тем ближе к Земле граница. На ночной стороне солнечный ветер дует в сторону от Земли. Расстояние до неё с дневной стороны 8…14 земных радиусов, с ночной – магнитный хвост в несколько сотен RЗ .

Перед магнитопаузой расположен фронт ударной волны, возникающей вследствие обтекания магнитосферы сверхзвуковым потоком солнечного ветра (Рис.13)



Рис.13

От фронта ударной волны вдоль силовых линий в обратном направлении движется поток отражённых частиц (причина пока неизвестна). Неустойчивость этого потока возбуждает магнитогидродинамические волны (МГД-волны, на рис.14 – волнистые линии). Это – наблюдаемые на дневной стороне Земли пульсации магнитного поля с периодами от долей секунды до нескольких минут.

[3] Магнитосфера содержит плазму и энергичные протоны и электроны радиационных поясов (см. ниже). Ближе к Земле, на высотах от 100 до 300 км, находится ионосфера – слои частично ионизованного воздуха. Ионизируют его ультрафиолетовое и корпускулярное излучения Солнца.

На высотах 100 … 120 км (слой Е) ионосфера состоит из молекул азота N2 и кислорода О2 . Выше 120 км начинается диссоциация кислорода (слой F), и в составе ионосферы начинает преобладать атомарный кислород О. Поэтому принято считать, что слой Е состоит из ионизированного азота N2 и ионизированного кислорода О2 , а слой F – из ионизированных О и N2 . Выше начинается диссоциация азота и начинает играть роль атомарный азот N.

Для ионизации молекул или атомов кислорода и азота требуется энергия (ионизационный потенциал). Они получают её от Солнца в корпускулярном и волновом виде. Роль корпускул (частиц) незначительна, проявляется лишь при повышенной солнечной деятельности. В спокойные дни основную энергию дают ультрафиолетовые волны с от 850 до 1000 ангстрем.

Одновременно происходит и рекомбинация ионов, и тем быстрее, чем плотнее атмосфера. На высоте примерно 100 км равновесие устанавливается быстро, поэтому плотность ионизации (число свободных электронов в 1 см3 ) является функцией высоты Солнца. На больших высотах из-за малой плотности атмосферы рекомбинация запаздывает.

Ионосфера возникает потому, что на этих высотах интенсивность солнечного излучения ещё достаточна для ионизации, а концентрация нейтральных частиц уже достаточно велика. Так как плотность атмосферы уменьшается с высотой, а ионизирующее излучение не может проникать в низкие слои, то на некоторой высоте должна образовываться максимальная плотность ионизации, что приводит к слоистой структуре ионосферы. (Наличие нескольких слоёв объясняется сложным составом атмосферы и различным распределением по высоте различных элементов.)

Время жизни ионов и электронов до их рекомбинации различно на разных высотах: на высоте 100 км это минуты, а 400 км – уже часы. Освещённость поверхности Земли меняется в течение суток. На высоте 100 км за ночь рекомбинируют все ионы и электроны, на 200…400 км – не успевают.

В магнитосфере Земли есть радиационные пояса – две разграниченные области с сильно повышенной интенсивностью космического ионизирующего излучения (см. рис.12). Здесь магнитное поле Земли захватывает и удерживает заряженные частицы. Внутренний радиационный пояс содержит, в основном, протоны высоких энергий. Внешний – электроны солнечного происхождения. В радиационных поясах частицы под действием магнитного поля движутся по сложным траекториям из северного полушария в южное и обратно.

Солнечный ветер и магнитосфера изменчивы, так как непостоянна солнечная активность. С магнитными возмущениями – магнитными бурями - связаны полярные сияния на Земле. Значит, причины общие – энергия, излучаемая Солнцем.

Вычислим, сколько энергии требуется на образование магнитных бурь. Плотность энергии магнитного поля , приращение её при изменении Н на dH :

.

Средняя плотность энергии для одной определённой магнитной бури, за которой вели наблюдение, была dw = 10-6 Дж / м3 . Сколько энергии во время магнитной бури содержит сфера, включающая в себя и Землю и пространство вокруг неё? Её объём примем равным м3 . Тогда в ней содержится энергия Дж. Продолжительность магнитной бури составляла 28 часов. Значит, её мощность была
Дж/ с.

Энергия, получаемая от Солнца Землёй, равна Дж/ с, т.е. на образование магнитных бурь требуется ничтожная часть общей энергии, получаемой от Солнца:
%

Полярные сияния происходят в основном в высоких широтах, вблизи магнитного полюса. Направление их лучей совпадает с направлением силовых линий магнитного поля Земли. Значит, их причина – движение зарядов в высоких слоях атмосферы под действием магнитного поля Земли; магнитная сила Лоренца придаёт ему вращательный характер. Линии, по которым могут двигаться заряженные частицы в магнитном поле Земли (силовые линии), соприкасаются с Землёй лишь в ограниченной части её поверхности, вблизи северного и южного магнитных полюсов. Частицы движутся по спиралям к Земле, могут отражаться то на юге, то на севере; обойдут Землю и вернутся, – т.е. магнитное поле Земли захватывает их. Но частицы могут высыпаться в атмосферу Земли – происходит ионизация воздуха и полярное сияние. Это, в основном, свечение атомарного кислорода и молекулярного азота, из которых состоит ионосфера.

Форма полярных сияний различна; в них есть длины волн и в видимой, и в ультрафиолетовой и в инфракрасной областях спектра.

Мощные магнитные бури, полярные сияния, усиление радиационных поясов – это всё влияние Солнца на магнитосферу.

Литература:


  1. Ю.А.Бирзвалн. Знание.Физика. Магнитная гидродинамика. №2, 1979

  2. В.К.Воронов, М.В.Гречнева, Р.З.Сагдеев. Основы современного естествознания.М.,В.Ш.1999

  3. Б.М.Яновский. Земной магнетизм. М.ГИТТЛ, 1953

  4. Доклад Ю.А.Шуколюкова на кафедре экспериментальной физики 3 декабря 2003 г.

  5. Конференция в Новосибирске в 1997 г.

  6. А.В.Гульельми. Новый взгляд на происхождение геомагнитных пульсаций. Природа, №4,1985



Скачать файл (805.6 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации