Магнитосферы планет

1. Введение
2. Магнитосфера Земли
3. Сравнительная характеристика и особенности планетных магнитосфер

1. Введение

М. п. представляют собой каверны (полости), формирующиеся в сверхзвуковом потоке горячей замагниченной плазмы солнечного ветра (СВ) благодаря его взаимодействию с магн. полем планет. Только в самом грубом приближении можно считать, что магн. поле планеты полностью вытесняет плазму СВ из такой каверны. На самом деле как межпланетная, так и ионосферная плазма находят свои пути проникновения в магнитосферу (М). Помимо этого, в магнитных ловушках, образуемых магн. полем планет, могут удерживаться частицы, ускоренные до очень больших энергий. Взаимодействие различных потоков плазмы между собой и их движение поперёк магн. поля приводят к генерации электрич. полей и токов, широкого спектра плазменных колебаний, эл.-магн. излучения и к ускорению частиц. Часть эл.-магн. излучения в радиодиапазоне может выходить из М, делая планету своеобразным радиоисточником для внеш. наблюдателя. М чутко реагирует на изменение параметров внеш. плазменного потока - СВ - и редко находится в состоянии покоя. Она способна накапливать энергию и затем высвобождать её взрывным образом.

Благодаря полётам автоматич. КА к планетам М различного вида обнаружены у шести планет, орбиты к-рых расположены в пределах от 0,3 а. е. (Меркурий) до 10 а. е. (Сатурн). На этом расстоянии параметры СВ меняются на неск. порядков. Также на неск. порядков отличаются магнитные поля на поверхности этих планет. Тем не менее М. п. сохраняют много общих черт.

Считая М Земли своеобразным эталоном, к-рый используется для сравнительного описания М др. планет, мы рассмотрим её отдельно.

2. Магнитосфера Земли

Общая структура.
Из-за идеальной проводимости плазмы СВ магн. силовые линии земного диполя но могут проникнуть в натекающий СВ (см. Магнитогидродинамика) и образуют в первом приближении пустую магн. полость около Земли, называемую М. В этом же приближении форма М (рис. 1) определяется балансом динамич. давления СВ и давления магн. поля Земли. Так, в подсолнечной точке (точка на прямой, соединяющей центр Земли с Солнцем) границы М - магнитопаузы - баланс давлений определяется выражением:
, (1)
где М'_З - дипольный магн. момент Земли, D_З - расстояние от центра Земли до подсолнечной точки, называемое иногда радиусом Чепмена-Ферраро, n, v - концентрация протонов и скорость СВ, m_p - масса протона. Магн. поле на внутр. стороне границы равно удвоенной величине магн. поля Земли благодаря вкладу поверхностных токов в плазме СВ, полностью экранирующих в нём это поле. Динамич. давление СВ также удваивается благодаря его идеальному отражению от границы. При типичных параметрах СВ (табл. 1) D_З=9-11 R_З (6400 км - радиус Земли).

М представляет собой тупое препятствие для сверхзвукового СВ. и перед ней на расстоянии 13-17 R_З от центра Земли образуется отошедшая бесстолкновительная ударная волна (на рис. 1 показана ближайшей к Солнцу поверхностью), отклоняющая поток солнечной плазмы, к-рый затем обтекает М. Передача энергии и импульса СВ в М происходит лишь благодаря диссипатпвпым процессам, а в отсутствие последних плазма и поля внутри М находятся и статич. равновесии.

Табл. 1. Плазма в окрестности Земли

Область	Концентрация частиц, см-3	Температура ионов, эВ	Температура электронов, эВ	Скорость потока, км/с	Магнитное поле B, 10-5 Гс
Солнечный ветер	5-20	10-20	20-40	350-1000	5-15
Плазменная мантия	0,1-5	100-200	26-40	100-200	20-30
Плазменный слой	0,1-1,0	500-5000	200-2000	0-1000	10-20
Кольцевой ток	5-20	104-105	103	-	100-500
Плазмосфера	102-103	0,3-1	0,3-1	-	102-104
Ионосфера	104-106	0,1-0,2	0,1-0,2	-

Рис. 1. Пространственное распределение плазмы, магнитных полей и электрических токов в земной магнитосфере. Светлыми широкими стрелками показаны токи на магнитопаузе и в плазменном слое, кольцевой и продольные токи. Тёмными стрелками показано направление врашения плазмосферы совместно с Землёй. Указано также направление конвекции в хвосте магнитосферы. Область, отмеченная точками, - плазма, создающая кольцевой ток.

Несмотря на то, что плотность энергии межпланетного магн. поля (магн. поле, вмороженное в плазму СВ) составляет всего 1% от плотности кинетич. энергии СВ на орбите Земли, процессы пересоединения межпланетных и земных магн. силовых линий в существенной мере определяют структуру и динамику М. Пересоединение должно происходить в небольшой области на границе М, где oблагодаря развитию плазменных неустойчивостей возрастает сопротивление плазмы и нарушается вмороженность магн. силовых линий в плазму. Это позволяет межпланетным и земным магн. силовым линиям "разорваться" и "пересоединиться" между собой (см., напр., рис. 2). Наиболее благоприятной для протекания этих процессов явл. ситуация, когда межпланетное магн. поле (ММП) имеет значит. южный компонент, т.е. антипараллельно земному магн. полю в подсолнечной точке магнитопаузы (именно этому случаю соответствует рис. 2). СВ увлекает пересоединённые силовые линии магн. поля Земли, к-рые затем образуют протяжённый магн. шлейф - хвост магнитосферы. При этом часть плазмы СВ затекает в М, как это должно быть при гидродинамич. обтекании тел, и формирует плазменную мантню(пограннчный слой) М. Диаметр хвоста , а напряжённость магнитного поля в нём Э. Следовательно, в ближайшей к Земле () части хвоста запас энергии ~ 10²³ эрг. В приближении идеальной проводимости СВ межпланетное электрич. поле Е, соответствующее движению плазмы со скоростью и поперёк магн. поля B, равно Е ~ vB/c. Наблюдения и теория пересоединения показывают, что только небольшая доля 0,1 силовых линий ММП, падающих на М, пересоединяется с земными силовыми линиями, благодаря чему внутрь М "передаётся" электрич. поле 1 мВ/м, соответствующее разности потенциалов между крайними пересоеднненными силовыми линиями ММП. Т.о., перепад потенциала электрич. поля поперёк хвоста М 10-100 кВ. Энергию, поступающую в М из СВ на дневной магнитопаузе, можно оценить как поток вектора Пойнтинга через площадь этой границы:
Вт
СВ, вытягивая пересоединившиеся магнитные силовые линии в хвост М, продолжает совершать работу против сил натяжения магнитных силовых линий.

Рис. 2. Конфигурация магнитного поля и конвекция плазмы в вертикальном сечении (перпендикулярно плоскости эклиптики) магнитосферы Земли. Направления течения солнечного ветра вне магнитосферы и конвекции (дрейфа) внутримагнитосферной плазмы вместе с вмороженными магнитными силовыми линиями показаны стрелками.

Затекающая в М плазма на расстояниях от Земли порядка 100 R_З достигает плоскости, разделяющей северную и южную половины хвоста с противоположными направлениями поля в них. Под действием сжатия с обеих сторон здесь магн. силовые линии двух половин хвоста пересоединяются. В области пересоединения формируется нейтральная линия, на к-рой магн. поле обращается в ноль. Со стороны Земли пересоединённые магн. силовые линии образуют магн. ловушку (геомагнитная ловушка), в к-рой удерживаются частицы плазменного слоя (область в хвосте М, занятая плазмой). Под действием натяжения магн. силовых линий происходит конвекция (дрейф) этой плазмы к Земле. Магн. силовые линии, дрейфующие вместе с частицами плазменного слоя, в конце концов обтекают Землю с обеих сторон и возвращаются к дневной магнитопаузе. В стационарных условиях темп удаления пересоединённого магн. потока с дневной магнитопаузы в хвост М должен равняться темпу его возвращения из хвоста на дневную магнитопаузу. Иными словами, стационарная конвекция требует равенства темпов пересоединения на дневной и ночной сторонах М. Полный цикл конвекции при типичных параметрах СВ составляет 3-6 ч. При этом в М. инжектируется энергия ~ 10¹⁷-10¹⁸ эрг/с, в основном в форме горячей плазмы. Эта энергия расходуется на высыпание частиц в область полярных сияний, джоулев нагрев ионосферы и формирование кольцевого тока (см. ниже). Заметим, что аномальная вязкость между межпланетной и магнитосферной плазмой даёт в среднем сравнимый (с эффектом пересоединения) вклад в стационарную конвекцию замкнутых магн. силовых линий в М и связанную с ней инжекцию энергии в М.

Рассмотрим более подробно процессы, происходящие внутри М. Геомагнитная ловушка явл. разновидностью т.н. ловушек с магн. зеркалами. Движение отдельных частиц в ловушке слагается в первом приближении из вращения (см. Лоренца сила) вокруг магн. силовой линии и движения вдоль магн. поля со скоростью v_||. Сохранение первого адиабатического инварианта - магн. момента частицы (m - масса частицы, - перпендикулярный магн. полю компонент её скорости) обеспечивает удержание большинства частиц благодаря их отражению от магн. зеркал - областей усиленного магн. поля. При этом частицы с большим отношением параллельного и перпендикулярного компонентов скорости (соответствующая область в пространстве скоростей наз. конусом потерь) свободно проходят через магн. зеркала в атмосферу. В следующем приближении под действием внеш. силы F частица с зарядом q медленно (по сравнению с вращением и колебанием между магн. зеркалами) дрейфует поперёк магн. поля со скоростью . В частности, под действием электрич. поля (F=qE) в хвосте М частицы дрейфуют но направлению к Земле. В процессе такого медленного электрич. дрейфа наряду с первым адиабатич. инвариантом сохраняется также и второй адиабатический инвариант ( - ср. скорость частицы вдоль магн. поля, L - длина силовых линий между точками отражения), связанный с квазипериодич. колебаниями частиц между магн. зеркалами. Нетрудно заметить, что при дрейфе в сторону Земли увеличивается напряженность магн. поля и уменьшается длина замкнутых силовых линий. Вследствие сохранения адиабатич. инвариантов и I₂ при этом увеличивается кинетич. энергия поперечного и продольного движений, так что энергия частиц плазменного слоя достигает значений порядка 10 кэВ для ионов и 1 кэВ для электронов. Из-за действия центробежной силы (R_K - радиус кривизны магн. силовых линий) и силы выталкивания "диамагнитных" частиц, из области сильного поля ( - градиент магн. поля) возникают центробежный и магн. дрейфы частиц, к-рые из-за разного направления дрейфа электронов и ионов создают ток поперёк хвоста М (рис. 1). Этот ток поддерживает противоположное направление магн. поля в обеих половинах хвоста, а вне плазменного слоя замыкается токами по магнитопаузе. Работа магнитосферного электрич. поля над этим током положительна и идет на упомянутый нагрев плазмы в плазменном слое. Эффективность нагрева 10%, т.к. энергия частиц оказывается на порядок ниже максимально возможной энергии кэВ. Следует отметить, что в процессе дрейфа поперечные составляющие скорости частиц увеличиваются быстрее продольных и распределение плазмы по скоростям становится анизотропным. Это приводит к возбуждению колебаний плазмы типа свистящих атмосфериков (свисты) от грозовых разрядов. Благодаря рассеянию частиц на этих колебаниях (см. Плазменная турбулентность) их скорости могут попасть в "конус потерь". Именно таким образом большинство частиц плазменного слоя высыпается в процессе конвекции плазмы в атмосферу Земли. Поэтому плазменный слой обрывается на расстоянии , где характерное время потерь частиц через магн. зеркала уменьшается до характерного времени конвекции. Частицы, высыпающиеся из плазменного слоя в атмосферу, вызывают там диффузное полярное сияние. Небольшая доля частиц плазменного слоя может ускориться до энергии 20-50 кэВ, соответствующей полному перепаду потенциала электрич. поля поперёк хвоста М. Эти частицы проникают глубже в дипольное магн. поле Земли и могут длительное время удерживаться в магн. ловушке. Центробежный и магн. дрейфы частиц с такой большой энергией значительно больше электрич. дрейфа в магнитосферном электрич. поле. Эти дрейфы в дипольном магн. поле направлены по азимуту, так что после инжекции из хвоста М сгусток плазмы обходит Землю и образует плазменное кольцо. Благодаря тому что ионы и электроны, имеющие разный знак заряда, дрейфуют в противоположные стороны, по плазме течёт кольцевой электрич. ток, вызывающий понижение (депрессию) магн. поля на Земле. Поскольку наличие такого тока давно было установлено по наземным магнитограммам, за этим компонентом плазменного населения М закрепилось старое название - кольцевой ток. Обнаружение в дальнейшем с помощью измерений с борта ИСЗ области устойчивого удержания ещё более энергичных частиц в геомагн. ловушке привело к появлению более общего названия - зона захваченной радиации. Это понятие включает в себя и кольцевой ток.

Рис. 3. Области втекания (вытекания) электрических токов вдоль магнитных силовых линии в ионосферу (из ионосферы), по данным, полученным с американского спутника "ТРИАД" (Т. Иидзима и Т. Потемра, 1976 г.).

Важным элементом электродинамич. структуры М явл. т.н. продольные токи, т.е. электрич. токи вдоль магн. силовых линий, обусловленные эдс в хвосте М и замыкающиеся через проводящую ионосферу Земли. На рис. 3 показано распределение продольных токов, втекающих в полярную ионосферу (и вытекающих из неё), в угловых геомагн. координатах, полученное по измерениям магн. поля продольных токов в период, когда М относительно спокойна. Это распределение, за исключением небольших областей около локальных полудня и полуночи, явл. антисимметричным относительно линии полдень-полночь и состоит из двух концентрич. поясов. В более близком к полюсу поясе, связанном с плазменным слоем в хвосте М, токи втекают в ионосферу на восточной (утренней) стороне и вытекают из неё на западной (вечерней) стороне. Это соответствует направлению электрич. поля в плазменном слое поперёк М, т.е. из плоскости рис. 2. В поясе, к-рый ближе к экватору, направление токов явл. обратным и соответствует замыканию через ионосферу дрейфовых токов, возникающих благодаря диамагнитному и центробежному дрейфам при инжекции частиц в кольцевой ток со стороны хвоста М и направленных в инжектируемом сгустке плазмы с его восточного края на западный. Зона втекания и вытекания продольных токов прибл. соответствует овалу полярных сияний в периоды слабых возмущений. Овал образуется благодаря высыпанию частиц из плазменного слоя, охватывающего Землю с утренней и вечерней сторон в процессе конвекции, и проникновению частиц СВ через дневные полярные каспы. Каспы представляют собой щели между замкнутыми и разомкнутыми магн. силовыми линиями, в к-рые может затекать СВ. Растекание продольных токов по проводящей ионосфере создаёт характерную картину распределения электрич. полей и токовых струй (электроджетов), к-рые могут быть найдены независимо по магн. измерениям на наземных ионосферных станциях (см. Верхняя атмосфера).

Вблизи Земли, на расстояниях до 4-5 R_З силовые линии дипольного магн. поля и находящаяся на них холодная плазма ионосферного происхождения вращаются вместе с Землёй, образуя плазмосферу Земли. Кроме того, в ловушке, создаваемой магн. полем Земли, эффективно удерживается небольшая группа очень энергичных частиц, образующих радиационные пояса. Инжекция частиц в радиац. пояса может происходить благодаря быстрой конвекции во время магнитосферных суббурь (см. ниже), а их ускорение обязано резонансу между азимутальным дрейфом вокруг Земли в неоднородном магн. поле и возмущениями крупномасштабного электрич. поля во время суббурь. Этот процесс ускорения идёт с сохранением первого и второго адиабатич. инвариантов. Поэтому диффузия частиц из хвоста М к Земле под действием стохастич. возмущений электрич. поля сопровождается набором энергии.

Магнитосферные суббури.

Рис. 4. Схематическая картина изменения структуры магнитного поля во время магнитосферных суббурь вследствие развития неустойчивости плазменного слоя.

Описанная выше картина М Земли в существенной мере базируется на предположении о стационарной конвекции плазмы и вмороженных в неё магн. силовых линий. На самом же деле состояние М явл. крайне изменчивым, что связано с изменчивостью величины и направления ММП, а следовательно, и темпа передачи энергии внутрь М благодаря процессам пересоединения магн. силовых линий. Когда ММП в течение неск. часов имеет преимущественно северное направление, то М переходит в состояние с минимумом энергии и явл. относительно спокойной. Если теперь ММП повернётся в южном направлении и сохранит такое направление в течение достаточно длит. периода (порядка часа), то увеличение темпа пересоединения ММП и земного магн. поля на дневной магнитопаузе приведёт к быстрому накоплению энергии М (в основном в виде энергии магн. поля в увеличивающемся хвосте М Земли). Это накопление энергии рано или поздно кончается развитием своеобразной глобальной неустойчивости М - магнитосферной суббурей, - приводящей к перестройке конфигурации М, в процессе к-рой происходит диссипация накопленной энергии. Поскольку резервуаром энергии явл. хвост М, то и развитие неустойчивости связано с неравновесностью распределений плазмы и магн. поля в хвосте М, заключающейся в наличии токового слоя, разделяющего обе половины хвоста с противоположными направлениями магнитного поля.

Последовательность событий во время магнитосферной суббури хорошо установлена и может быть описана в терминах пересоединения магн. силовых линий в хвосте М вследствие разрывной неустойчивости токового слоя (см. Неустойчивости плазмы). Накопление энергии в хвосте М начинается, когда на дневной части магнитопаузы выполнены условия для эффективного пересоединения межпланетных и земных магн. силовых линий с последующим перебросом их в хвост М. Хотя все необходимые и достаточные условия для этого до конца не выяснены, установлено, по крайней мере, что южное направление ММП оказывается в этом смысле крайне благоприятным. Теория и эксперимент показывают, что М практически мгновенно реагирует на такое изменение направления ММП и пересоединение на её дневной стороне начинается сразу же. В то же время состояние хвоста М обладает конечным запасом устойчивости по отношению к увеличению магн. потока в обеих его половинах. Поэтому нек-рое время темп пересоединения на дневной магнитопаузе превышает темп пересоединения в хвосте М, что приводит к накоплению энергии в хвосте М в виде энергии магн. поля. Эта стадия накопления энергии заканчивается развитием упомянутой разрывной неустойчивости распределённого тока либо благодаря постепенной эволюции состояния плазменного слоя от устойчивого к неустойчивому, либо под действием возмущений ММП. При этом миним. время реакции М на изменение граничных условий в области дневной магнитопаузы определяется временем распространения магнитогидродинамич. возмущений с дневной стороны в хвост и временем инерции хвоста М как электродинамич. системы, включающей в себя индуктивность продольных токов, сопротивление ионосферы и электрич. ёмкость плазменного слоя. Это характерное время оказывается порядка 20-60 мин. Макроскопич. следствием развития разрывной неустойчивости токового слоя явл. формирование нейтральной линии в ближней к Земле части плазменного слоя на расстоянии 10-20 R_З. На рис. 4 для простоты изображена ситуация, когда наряду со старой нейтральной линией (см. рис. 2) образуется только одна новая, около к-рой возникает течение плазмы (стрелки), характерное для пересоединения: к нейтральной линии с северной и южной сторон и от нейтральной линии к Земле и в хвост М. Измеренные скорости течения к Земле достигают значений порядка альвеновской (см. Альвеновские волны) в плазменном слое, т.е. ~ 1000 км/с. В момент, когда пересоединится последняя замкнутая силовая линия, проходящая через старую нейтральную линию в далёком хвосте М, часть плазменного слоя между нейтральными линиями перестаёт быть связанной с Землёй общими силовыми линиями. В результате магн. силовые линии, выходящие в межпланетную плазму и движущиеся с ней, охватывают сгусток плазмы и выбрасывают его через хвост в межпланетное пространство (рис. 4, в). Однако для восстановления баланса темпов пересоединения на дневной и ночной сторонах М пересоединение в хвосте М должно продолжаться для того, чтобы вернуть на дневную сторону накопленную часть открытых магн. силовых линий. Плазменный слой, ограничиваемый новой нейтральной линией, начинает перемещаться в хвост и в конце концов занимает старое положение. Развитие во времени (t) неустойчивости, приводящей к пересоединению, происходит взрывным образом, т.е. по закону 1/(t-t₀) с характерным временем 5-10 мин. Благодаря этому вдоль нейтральной линии индуцируются большие локализованные электрич. поля, способные ускорить небольшую долю частиц до энергий ~ 1 МэВ. Эти частицы могут покидать М и выходить в межпланетное пространство. Момент взрывного развития пересоединения связывается с фазой развития суббури и характеризуется на Земле интенсификацией полярных сияний в атмосфере и электроджетов в ионосфере. При этом сначала дуги полярных сияний возникают в области локальной полуночи, а затем быстро распространяются к западу и в сторону экватора. Эти явления обусловлены увеличением продольных токов благодаря инжекции плазменных сгустков из плазменного слоя в кольцевой ток и ответвлению части хвостового тока в ионосферу, а также повышенным высыпанием частиц из плазменного слоя вблизи новой нейтральной линии и из его части, расположенной ближе к Земле от этой линии. Типичный размер дуг полярных сияний 1-20 км в направлении север-юг и км в направлении восток- запад. Именно из области этих дуг вытекают сильные продольные токи, от 10% до 50% которых обусловлены высыпающимися электронами в форме электронных пучков с энергией 1-10 кэВ, что соответствует потоку энергии 10^-1-10^-2 Вт/м² при макс. плотности этих токов 10 мкА/м². Полный ток, втекающий и вытекающий в ионосферу, при этом оказывается ~ 10⁶ A.

Ускорение высыпающихся из М электронов связывается с возникновением благодаря развитию токовых не-устойчивостей специфич. плазменных структур - двойных электрич. слоев, расположенных над дугами полярных сияний на высоте (1-2) R_З или плазменной турбулентности, создающей аномальное сопротивление плазмы. Благодаря существованию в этих структурах локализованного продольного электрич. поля общий перепад потенциала вдоль магн. силовых линий достигает 1-10 кВ. Электроны, ускоряясь в этом поле, бомбардируют атмосферу и вызывают в ней дискретные полярные сияния. Ионы же, наоборот, вытягиваются этим полем из ионосферы и инжектируются в плазменный слой, откуда могут как попадать в кольцевой ток и радиац. пояса, так и выбрасываться в межпланетное пространство через хвост М. Т.о., ионосфера наряду с СВ явл. источником магнитосферных частиц. Взаимодействие ускоренных пучков электронов с ионосферной плазмой приводит к генерации т.н. километрового излучения (т.е. 1 км) в диапазоне электронных циклотронных частот на этих высотах, т.е. ~ 10²-10³ кГц, аналогичного декаметровому радиоизлучению М Юпитера (см. ниже). Полная мощность километрового излучения достигает 10⁸-10⁹ Вт, что составляет 0,1-1% от полной мощности диссипации энергии во время магнитосферной суббури. Фаза восстановления соответствует возвращению состояния хвоста М к равновесному и характеризуется ослаблением указанных явлений в атмосфере и ионосфере и возвращением овала полярных сияний к исходному положению.

3. Сравнительная характеристика и особенности планетных магнитосфер

М. п. можно охарактеризовать теми же осн. параметрами, что и земную М, т.е. размером D, перепадом электрич. потенциала поперёк хвоста М , определяющим типичную энергию магнитосферной плазмы, и темпом передачи энергии СВ в М Р, характеризующим мощность внутримагнитосферных явлений. При этом удобно записать соответствующие величины в виде законов подобия, в к-рые входит магн. момент планеты М' и её гелиоцентрич. расстояние r в а.е. Принимая во внимание, что плотность СВ падает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца, из (1) получим:
. (2)
Оценка двух др. параметров и Р имеет смысл лишь для планет-гигантов, орбиты к-рых лежат в области , где ММП падает как ~ 1/r:
. (3)

Магн. моменты планеты земной группы малы. Магн. поля Меркурия и Марса останавливают СВ лишь на небольшом расстоянии от поверхности планеты (табл. 2). При малом размере их М за время конвекции плазмы не успевает происходить значительное увеличение её энергии, а радиационные пояса не могут удерживаться достаточно длительное время в магнитном поле этих планет.

Табл. 2. Основные параметры планетных магнитосфер

	Меркурий	Земля	Марс	Юпитер	Сатурн
Гелиоцентрпч. расстояние r, а.е.	0,39	1	1,53	5,05	9,63
Радиус R, 103 км	2,43	6,38	3,4	71,6	60,0
Дипольный магнитный момент М', Гссм2
Радиус Чепмена-Ферраро D	1,6 RМерк	10 RЗ	1,4 RМ	100 RЮ	20 RС
Перепад электростатич. потенциала поперёк магнитосферы , кВ	-	10-100	-	100-1000	20-200
Мощность диссипации энергии Р, Вт	-		-		1012

На взаимодействие СВ с магн. полем Марса существенное влияние оказывают плотные атмосфера и ионосфера планеты, т.к. в периоды мощного СВ магнитопауза опускается до ионосферных высот. Это приводит к интенсивному обмену массой между атмосферой и М планеты благодаря увлечению ионосферных ионов СВ вдоль магнитопаузы.

В случае Венеры СВ останавливается в подсолнечной области планеты давлением ионосферной плазмы, прочно связанной с атмосферой из-за частых соударений частиц. При этом ММП играет роль посредника, передающего давление СВ на ионосферу планеты.

Магн. поля на поверхности планет-гигантов сравнимы с земным или превосходят его. Поэтому законы подобия (2) и (3) предсказывают большие размеры их М, высокие темп-ры магнитосферной плазмы и большие мощности диссипации внутримагнитосферной энергии во время суббурь. В наибольшей степени это относится к Юпитеру, колоссальные размеры М к-рого (~ 10 млн. км) определяют существенные особенности её структуры и динамики. Одним из отличий М Юпитера явл. совместное вращение внутримагнитосферной плазмы вместо с Юпитером почти до её границы - магнитопаузы. Это объясняется большим значением магн. поля на поверхности планеты [B = 4,2 Гс), относительно малым периодом вращения (10 ч) и способностью плотной атмосферы передавать достаточный вращательный момент не только ионосфере, но и вмороженным в нее магн. силовым линиям вместе с находящейся на них магнитосферной плазмой. Возникающие в результате центробежные силы вытягивают магн. силовые линии в магнитоплазмодиск (рис. 5). Др. особенностью М Юпитера явл. сильное взаимодействие его спутника Ио с магнитосферной плазмой. При движении этого спутника по кеплеровской орбите со скоростью v_к= 17,3 км/с поперёк дипольного магн. поля Юпитера Гс (вращающегося совместно с планетой со скоростью 75 км/с) поперёк спутника наводится разность потенциалов 400 кВ (d - диаметр спутника). Замыкание токов, текущих по поверхности или в ионосфере спутника, через ионосферу планеты с помощью продольных токов создаёт условия для генерации известного декаметрового радиоизлучения Юпитера. Только непосредств. измерения с борта КА "Вояджер-1 и -2" (1980-81, США) позволили в полной мере выяснить роль Ио для М Юпитера.

Рис. 5. Пространственное распределение плазмы и магнитных полей в магнитосфере Юпитера по данным измерений на космических аппаратах "Вояджер-1 и -2". Светлыми широкими стрелками показаны направление обтекания магнитосферы солнечным ветром, направление совместного вращения внутримагнитосферной плазмы с Юпитером, а также условно указаны пути выхода энергичных частиц из магнитосферы (Ф. Скарф и др., 1981 г.).

Так, выяснилось, что благодаря вулканич. деятельности на Ио и взаимодействию его плотной атмосферы с магнитосферной плазмой в М выбрасывается ежесекундно более 1 т вещества, гл. обр. серы и кислорода (осн. составляющих атмосферы). Это вещество, ионизуясь и распределяясь вдоль орбиты Ио, образует плазменный тор Ио с поперечным размером порядка радиуса Юпитера км, концентрацией частиц см^-3, ионной темп-рой 50 эВ и электронной темп-рой 10 эВ. Вовлечение такого количества ( атомов/с) поступающего в тор и ионизуемого вещества в совместное вращение с Юпитером требует протекания поперёк тора (вдоль радиуса) тока ~ 10⁶ А, замыкающегося через ионосферу планеты. Полная мощность этого магнитогидродпнамич. ускорителя плазмы оценивается как Вт (m_S - масса атома серы). Часть энергии движения поступающих ионов относительно вращающегося с Юпитером плазменного тора передаётся электронам посредством соударений и плазменных неустойчивостей и затем расходуется на возбуждение УФ-свечения тора мощностью ~ 10¹² Вт. Другая часть энергии диссипирует в атмосфере Юпитера, порождая полярные сияния и радиоизлучение в декаметровом и километровом диапазонах длин волн, соответствующих возбуждению в ионосфере Юпитера колебаний плазмы с частотами, близкими к электронной циклотронной и электронной плазменной частотам. Полная мощность радиоизлучения от источников, связанных с Ио и его тором, в диапазоне от 30 кГц до 40 МГц составляет Вт, из них Вт приходится на диапазон километровых волн. После экспериментального обнаружения плазменного тора Ио стало возможным объяснить тонкую дугообразную структуру спектрограмм декаметрового радиоизлучения. Оказалось, что скорость движения Ио сквозь плазменный тор превышает альвеновскую и поэтому возбуждается мощная альвеновская волна, к-рая, распространяясь вдоль силовых линий, многократно отражается от ионосферы Юпитера (рис. 6).

Рис. 6. Схема генерации альвеновских волн (распространяются вдоль магн. силовых линий, соединяющих Ио с Юпитером) спутником Ио, движущимся в плазменном торе со сверхальвеновской скоростью (Ф. Скарф и др., 1981 г.).

Ток, связанныи с этими волнами и генерирующий декаметровое излучение, при этом также оказывается промодулированным с частотой колебаний волн между точками отражения в полярных областях планеты, что и создаёт тонкую структуру спектрограмм. Здесь следует отметить, что уже в одном УФ-диапазоне мощность полярных сияний в этих областях очень высока (~ 10¹⁴ Вт). Это может объясняться повышенным высыпанием ионов с энергиями порядка неск. сотен кэВ, обусловленным их взаимодействием с холодной плазмой тора (подобно тому, как это происходит на Земле при взаимодействии кольцевого тока с плазмосферой).

В остальном М Юпитера похожа на М Земли, являясь более грандиозной и мощной по сравнению с последней в соответствии с законами подобия (2) и (3). Так, в соответствии с оценкой магнитосферного электрич. поля, ускоряющего частицы, темп-ра плазмы в дневной части плазменного слоя оказалась 30 кэВ. М имеет хорошо развитый и протяжённый хвост, являющийся резервуаром энергии магнитосферных суббурь, при к-рых мощность диссипации энергии на два порядка больше, чем при земных суббурях. Можно предполагать, что, как и на Земле, ок. 1% диссипирующей энергии теряется в форме радиоизлучения из областей полярных сияний на частотах, близких к электронной циклотронной частоте в ионосфере, т.е. в декаметровом диапазоне. Благодаря большим размерам и мощным радиац. поясам М Юпитера явл. самым мощным в Солнечной системе источником космических лучей низкой энергии.

М Сатурна неплохо описывается законами подобия (2) и (3), дающими близкие к земным энергетич. параметры (табл. 2), но подобно М Юпитера обладает нек-рыми особенностями. Так, при пролёте "Вояджера" через М Сатурна была найдена модуляция километрового радиоизлучения спутником Дион, а вблизи орбиты Титана, бывшего в момент пролёта внутри М, обнаружен огромный тор нейтрального водорода с концентрацией ~ 10 см^-3, простирающийся до орбиты спутника Рея. Этот тор, по-видимому, явл. довольно значительным источником магнитосферных частиц.

Лит.:
Нишида А., Геомагнитный диагноз магнитосферы, пер. с англ., М., 1980; Юпитер, под ред. Т. Герелса, пер. с англ., т. 3 - Магнитосфера. Радиационные пояса, М., 1979; Долгинов Ш.Ш., Магнетизм планет, М., 1982.

(А.А. Галеев)