Википедија

Magnetosfera

Magnetosfera je područje oko planeta i njihovih prirodnih satelita u kojem je magnetsko polje vretenasto oblikovano međudelovanjem sa Sunčevim vjetrom.[1][2] Magnetosferu ispunjavaju električno naelektrisane čestice iz Sunčevog vetra, kozmičkih zraka, iz atmosfere planeta ili njenih satelita koje međudeluju s magnetskim poljem tela. Zemljinu magnetosferu u smeru Sunca ograničava čeoni udarni talas na udaljenosti 8 do 12 Zemljinih poluprečnika. Magnetosfera počinje oko 1000 kilometara iznad Zemljina tla. Strana magnetosfere naspramna Suncu produžuje se u obliku repa daleko u međuplanetarni prostor. U magnetosferi se nalaze Van Alenovi pojasi pojačanog elektromagnetna zračenja.[3]

Prikaz Zemljine magnetosfere
Prikaz linija magnetnog polja magnetosfere Zemlje .

Osim Zemlje, i čitav niz drugih planeta imaju magnetosferu, kao što su: Merkur, Jupiter, Saturn, Uran i Neptun. Jupiterov mesec Ganimed ima malu magnetosferu – ali je cela smeštena unutar magnetosfere Jupitera, sa složenim međudelovanjem. Jonosfere magnetski slabih planeta Venere i Marsa, delimično odbijaju Sunčev vetar, ali nemaju magnetosferu. U svemirskom okruženju blizu planetarnog tela, magnetno polje podseća na magnetni dipol. Dalje, linije polja mogu biti znatno iskrivljene protokom električno provodljive plazme koja se emituje od Sunca (tj. Sunčevog vetra) ili obližnje zvezde.[4][5]

Istorija fizičke magnetosfere uredi

Zemljina magnetosfera je otkrivena 1958. godine. Pre toga, naučnici su znali da je u prostoru postojala električna struja, jer su solarne erupcije ponekad dovodile do magnetne oluje.[6][7]

Kada je prvi naučni satelit poslat u prvoj polovini 1958 - Eksplorer 1 i 3 iz SAD, Sputnjik 3 iz Sovjetskog Saveza - posmatrali su intenzivan (i neočekivan) zračni pojas oko Zemlje, a zatim u prostoru u kome su se nalazili izmerena je velika količina radioaktivnosti, jedan od van Alenovih kolega je uzviknuo:„Moj Bože, prostor je radioaktivan!“

U 1959. godini Tomas Gold predložio je ime magnetosfera.

Magnetosfera Zemlje uredi

Glavni članak: Magnetsko polje Zemlje

Zemljina magnetosfera je područje svemira čiji je oblik kontrolisan Zemljinim internim magnetskim poljem, sunčevim vetrom i interplanetarnim magnetskim poljem. Smeša slobodnih jona i elektrona, koji potiču iz sunčevog vetra, su, u magnetosferi, ograničeni magnetskim i električnim silama, koje su mnogo jače od gravitacije i sudara. Uprkos njenom nazivu, magnetosfera nema sferični oblik. Na strani koja je okrenuta Suncu, udaljenost do njene granice (koja varira sa jačinom solarnog vetra) je oko 70 000 km (10-12 prečnika Zemlje, koji iznosi R=6371 km; ako nije drugačije napomenuto, sva rastojanja se uzimaju od centra Zemlje). Granica magetosfere („magnetopauza“) je nepravilnog oblika. Sa strane Zemlje na kojoj je noć, magnetosfera ima oblik „magnetskog repa“, približno cilindričnog oblika, poluprečnika, koji je 20-25 puta veći od Zemljinog. Ova oblast ima dužinu oko 200 puta veću od Zemljinog poluprečnika, a mesto na kome se završava nije još uvek poznato.

Spoljni neutralni gas koji okružuje Zemlju, tj. geokorona, sastoji se uglavnom od najlakših atoma, vodonika i helijuma, i nastavlja se na rastojanju od oko 4-5 puta većem od poluprečnika Zemlje. Joni iz vruće plazme iz magnetosfere primaju elektrone tokom procesa sudaranja sa lakim atomima, formirajući na taj način „protok“ brzih atoma. Gornji deo jonosfere, poznat i kao plazmasfera, takođe ima dužinu, koja je 4-5 puta veća od poluprečnika Zemlje. Viši delovi plazmasfere nazivaju se polarni vetar. Polarni vetar predstavlja protok lakih jona, koji se mešaju sa Sunčevim vetrom.[8]

Zemljina magnetosfera pruža zaštitu, bez kojih život ne bi mogao da opstane. Mars, koji ima vrlo slabo magnetsko polje, verovatno je izgubio atmosferu i vodu, zbog direktnog uticaja sunčevog vetra. Za Veneru se misli da je izgubila velik deo vode, zbog svojih tanke atmosfere i zbog direktnog uticaja sunčevog vetra. Zbog veličine Jupiterove magnetosfera, postoji mogućnost slabog međudelovanja sa Zemljinom magnetosferom.

Generalna svojstva uredi

 
Gustine i temperature plazme magnetosfere i ostalih delova svemira[9]

Dva činioca određuju strukturu i ponašanje magnetosfere: zemljino magnetsko polje i sunčev vetar:

  • Zemljino magnetsko polje se stvara u Zemljinom jezgru putem dinamo procesa, koji je povezan s kretanjem tekućeg metala u jezgru, pogonjen unutrašnjim izvorima toplote. Njegov glavni deo na liči na polje magnetizovane šipke („polje dipola”), nagnuto za otprilike 10º, u odnosu na osu rotacije Zemlje. Ali postoje i još složeniji delovi („viši harmonici”), kako je prikazao Karl Fridrih Gaus. Dipolno magnetno polje ima jačinu od oko 30 000 – 60 000 T na površini Zemlje, i njegova snaga slabi s kubom udaljenosti. Tako na primer, na udaljenosti od 1 Rz, od površine Zemlje, je samo 1/8 od vrednosti na površini Zemlje. Viši harmonici slabe još jače, tako da na magnotosferu utiče samo dipolno magnetsko polje.
  • Sunčev vetar je brzo oticanje vruće plazme sa Sunca u svim smerovima. Iznad Sunčevih ekvatora doseže brzinu od 400 km/s, a iznad Sunčevih polova i duplo više. Protok je osnažen sa Sunčevom koronom, koja ima temperature od nekoliko milijuna Kelvina. Sastav Sunčevog vetra naliči na sastav Sunca – oko 95% ima jona i protona, oko 4% jezgara helijuma i 1% teških čestica (C, N, O, Ne, Si, Mg.... sve do Fe) i dovoljno elektrona da plazmu održi neutralnom. Na Zemaljskoj orbiti je gustina oko 6 jona/cm3 i sadrži promenjivo međuplanetarno magnetsko polje jačine 2 do 5 nT.

Plazma iz Sunčevog vetra i plazma u jonosferi Zemlje su odvojene s granicom, magnetopauzom, tako da je Zemaljska plazma ograničena u magnetosferi, okružena protokom Sunčevog vetra. Odvajanje nije kompletno, zahvaljujući drugom procesu, magnetskom ponovnom spajanju – inače bi bilo vrlo teško preneti deo energije sa Sunčevog vetra – ali ipak razdvajanje prevladava.

Dodatna karakteristika magnetosfere je na strani Sunca, oko 13,5 Rz, „prednji udar” (engl. bow shock), a u kojem zapravo nema sudaranja. U tom delu Sunčev vetar ima veliku brzinu, zatim se smanji 2 do 3 puta, da bi se na bokovima brzina ponovo povećala, zbog delovanja preostalog Sunčevog vetra.

Da bi se razumela magnetosfera, treba zamisliti magnetske linije polja, koje određuju smer magnetskog polja u svakoj tačci – koje se šire u blizini magnetskog severnog pola (geografski južni pol) i ponovo se zatvaraju u blizini južnog magnetskog pola (geografski severni pol). Ako se zamisle kao žičani model – onda one vode uhvaćene električno nabijene čestice, koje klize uzduž linija kao kuglice.

Pojasevi radijacije uredi

 
Van Alenovi pojasi zračenja.

Kada su prvi naučni sateliti lansirani 1958. – Explorer 1 i 3 iz SAD, te Sputnik 3 iz Sovjetskog Saveza – neočekivano je zapažen snažni pojas radijacije oko Zemlje, koji zadržava Zemljino magnetsko polje. To je bio unutrašnji pojas radijacije, s energijom od 10 do 100 MeV, koje je kasnije objašnjeno kao „raspadanje neutrona usled refleksije”, drugi razlog su međudelovanja kosmičkih zraka s gornjom atmosferom. Centar tog pojasa radijacije je na ekvatoru oko 1,5 Rz od Zemljinog centra.

Kasnije je viđena grupacija uhvaćenih jona i elektrona, koja je na ekvatoru udaljena 2,5 do 8 Rz, s izlaznom energijom od 1 MeV. Kasnije su je nazvali spoljašnji pojas radijacije, ali ipak glavnina ima niz energija od 65 keV i prepoznata je kao prstenasta struja plazme.

Hvatanje naelektrisanih čestica u magnetsko polje je dosta stabilan proces. To je posebno jako za unutrašnji pojas, zato što je hvatanje neutrona od refleksije prilično spor proces, traje i godinama. Počevši od 1962, SAD su testirale termonuklearno oružje visoko iznad Tihog okeana, na oko 400 km iznad Zemljine površine, i stvoren je veštački visoko energetski pojas elektrona, koji se mogao zapaziti 4 do 5 godina kasnije (danas su ti eksperimenti zabranjeni).

Spoljašnji pojas je manje postojan, jer postoji sudaranje električno nabijenih čestica s atomima geokorone, koje utiče na nestajanje tog pojasa. To znači da postoji izvor koji stalno opskrbljuje taj pojas sa svježom plazmom.

Magnetski rep uredi

Magnetski rep nastaje zbog pritiska Sunčevog vetra na Zemaljsku magnetosferu. On se može izdužiti na velike udaljenosti i do 200 Rz, suprotno od Sunca. Plazma koja se stvara i koja je uhvaćena u magnetski rep, može ometati rad svemirskih letelica, komunikaciju i navigaciju.

Električne struje u svemiru uredi

Magnetsko polje magnetosfere dolazi od Zemljinog magnetskog polja, ali i od električnih struja koje teku plazmom u magnetosferi – plazma deluje kao elektromagnet. Magnetsko polje koje kruži oko te plazme, može izdužiti Zemljino magnetsko polje, puno dalje u svemir, nego što je predviđeno.

Za razliku od klasičnog električnog kruga s otporom, gde električna struja nastaje povećanjem napona, električna struja u magnetosferi više liči na kretanje plazme u magnetnom polju. Elektroni i pozitivni joni, koji su uhvaćeni u dipolnom magnetskom polju Zemlje, teže da se kreću po linijama magnetskog polja, bez dobijanja ili gubljenja energije. Ako se gleda iznad magnetskog severnog pola (geografski južni pol), joni se kreću u smeru kazaljke na satu, a elektroni suprotno od kazaljke na satu, stvarajući električnu struju, poznatu kao prstenasta struja. Znači, za to nije potreban napon – električna struja nastaje kretanjem jona i elektrona u magnetskom polju.[10][11]

 
Šematski prikaz različitih sistema električne struje koji oblikuju Zemljinu magnetosferu.

Svaka takva električna struja će promeniti magnetsko polje. Prstenasta struja će ojačati magnetsko polje sa spolja, povečavajući veličinu magnetosfere. U isto vreme, ona slabi unutrašnje magnetsko polje. Kod magnetskih oluja, prstenastoj struji se dodaje plazma, koja je stvara jačom, a u isto vreme magnetno polje Zemlje slabi za 1 do 2%.

Postoje izuzeci, gde napon pokreće električnu struju. To se dešava s Birkeland strujom, koja teče iz dalekog svemira do polova jonosfere, nastavlja jedan deo jonosfere i zatim se vraća u svemir. Taj električni krug se još uvek proučava.[12][13]

Podela magnetskih polja uredi

 
Magnetsko skupljanje u repu magnetosfere, koje stvara „plasmoid”

Bez obzira da li se razmatra kao uzrok ili posledica magnetosfernog polja, električna struja uvek teče u zatvorenom krugu. Magnetsko polje magnetosfere može se podeliti u 5 različitih delova:

  • Unutrašnje magnetsko polje Zemlje, koja nastaje iz električnih struja u jezgru. Ima oblik dipola, a delomično ga menjaju viši harmonici.[14]
  • Magnetno polje prstenaste struje, koje stvara plazma, uhvaćena u dipolnom magnetskom polju Zemlje, obično na udaljenosti 3 do 8 Rz (manje za vreme grmljavinskih oluja). Ta struja teče otprilike oko magnetskog ekvatora, u smeru kazaljke na satu (ako se gleda sa severnog pola). Postoji i slaba struja koja teče na unutrašnjem delu prstena, zbog opadanja gustine plazme bliže Zemlji
  • Magnetno polje koje razdvaja Zemaljsku plazmu i magnetsko polje unutar magnetosfere. Ta struja teče na magnetopauzi, granici između magnetosfere i Sunčevog vetra. Ona nastaje zbog kretanja električno nabijenih čestica po linijama magnetskog polja, a ne zbog postojanja nekog napona
  • Električna struja u repu magnetosfere, u kojem postoje dve grupe suprotnih magnetskih polja i gušću plazmu u sredini (0,3 do 0,5 jona/cm3 u sredini repa i 0,01-0,02 jona/cm3 na krajevima)
  • Birkeland strujno polje, koje ima grane u jonosferi i prstenastoj struji, koje je povezano i s nastajanjem polarne svetlosti. Za razliku od prethodnih sistema električne struje, ono zahteva stalan unos energije, da omogući grejanje svog puta u jonosferi i ubrzanja elektrona i pozitivnih jona polarne svetlosti.

Prelazna magnetska oluja uredi

Prelazna magnetska oluja se javlja u repu magnetosfere, za vreme jakih magnetskih oluja sa Sunca, kada rep „nabubri” i čini rep nestabilnim, te se menja njegova struktura.

Reference uredi

  1. ^ „Magnetospheres”. NASA Science. NASA. 
  2. ^ Ratcliffe, John Ashworth (1972). An Introduction to the Ionosphere and Magnetosphere . CUP Archive. ISBN 9780521083416. 
  3. ^ Magnetosfera, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  4. ^ „Ionosphere and magnetosphere”. Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica, Inc. 2012. 
  5. ^ Van Allen, James Alfred (2004). Origins of Magnetospheric Physics. Iowa City, Iowa USA: University of Iowa Press. ISBN 9780877459217. OCLC 646887856. 
  6. ^ Axford, W. I., "Discovering the Earth's Magnetosphere[mrtva veza]" (1982) Advances in Space Research, v. 2, Issue 1, p. 11-12.
  7. ^ Van Allen, James A., Origins of Magnetospheric Physics, Smithsonian Institution Press (1983) ISBN 087474-940-9
  8. ^ „Polar Substorm”. NASA Science News. 2009-03-02. Arhivirano iz originala 19. 05. 2011. g. Pristupljeno 2010-12-28. 
  9. ^ After Peratt, A. L., "Advances in Numerical Modeling of Astrophysical and Space Plasmas" (1966) Astrophysics and Space Science, v. 242, Issue 1/2, p. 93-163.
  10. ^ I. A. Daglis; R. M. Thorne; W. Baumjohann; S. Orsini (novembar 1999). „The terrestrial ring current: Origin, formation, and decay”. Reviews of Geophysics. 37. str. 407—438. Bibcode:1999RvGeo..37..407D. doi:10.1029/1999RG900009. 
  11. ^ Ronald T. Merrill (15. 11. 2010). Our Magnetic Earth: The Science of Geomagnetism. University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-52050-6. 
  12. ^ Suzuki, Akira; Naoshi Fukushima (1998). „Space current around the earth obtained with Ampère's law applied to the MAGSAT orbit and data” (PDF). Earth Planets Space. 50 (1): 43—56. Bibcode:1998EP&S...50...43S. S2CID 55733312. doi:10.1186/bf03352085. Arhivirano iz originala (PDF) 13. 08. 2017. g. Pristupljeno 01. 04. 2021. 
  13. ^ Anderson, B. J.; J. b. Gary; T. A. Potemra; R. A. Frahm; J. R. Sharber; J. D. Winningham (1998). „UARS observations of Birkeland currents and Joule heating rates for the November 4, 1993, storm” (PDF). J. Geophys. Res. 103 (A11): 26323—35. Bibcode:1998JGR...10326323A. doi:10.1029/98JA01236. Arhivirano iz originala (PDF) 02. 09. 2021. g. Pristupljeno 01. 04. 2021. 
  14. ^ Finlay, C. C.; Maus, S.; Beggan, C. D.; Bondar, T. N.; Chambodut, A.; Chernova, T. A.; Chulliat, A.; Golovkov, V. P.; Hamilton, B.; Hamoudi, M.; Holme, R.; Hulot, G.; Kuang, W.; Langlais, B.; Lesur, V.; Lowes, F. J.; Lühr, H.; Macmillan, S.; Mandea, M.; McLean, S.; Manoj, C.; Menvielle, M.; Michaelis, I.; Olsen, N.; Rauberg, J.; Rother, M.; Sabaka, T. J.; Tangborn, A.; Tøffner-Clausen, L.; Thébault, E.; Thomson, A. W. P.; Wardinski, I.; Wei, Z.; Zvereva, T. I. (decembar 2010). „International Geomagnetic Reference Field: the eleventh generation”. Geophysical Journal International. 183 (3): 1216—1230. Bibcode:2010GeoJI.183.1216F. doi:10.1111/j.1365-246X.2010.04804.x  . 

Literatura uredi

  • Walt, Martin, Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation, Cambridge University Press (1994) ISBN 978-0521616119
  • Carlowicz, M. and R. Lopez, Storms from the Sun, National Academies Press (2002) ISBN 978-0309076425

Spoljašnje veze uredi

 
Magnetosfera na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Магнетосфера&oldid=27555091”