Магнитосфера Земли, область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. Магнитосфера Земли, значительное космическое пространство вокруг Земли заполненная плазмой полость, образующаяся в потоке солнечного ветра при его взаимодействии с геомагнитным полем. Обнаружена экспериментально в 1958 году в результате измерений, проведённых на искусственных спутниках Земли (ИСЗ) «Explorer-1» (США). Термин «Магнитосфера Земли» ввёл в 1959 году американский астроном Т. Голд, обозначив им околоземное пространство выше ионосферы, в котором геомагнитное поле осуществляет доминирующий контроль над движением газа и быстрых заряженных частиц. Голд считал, что магнитосфера Земли распространяется до расстояния около 10 земных радиусов от центра Земли (позднее было установлено, что это расстояние значительно больше).

Наибольший вклад в магнитное поле Земли вносит его дипольная составляющая, создаваемая токовыми источниками, расположенными глубоко под поверхностью планеты (см. Земной магнетизм). Поток частиц солнечного ветра, взаимодействуя с магнитным полем Земли, изменяет его дипольную конфигурацию, создавая внутри потока полость. Первое определение формы и положения этой полости, названной магнитосферой Земли, было выполнено в 1964 году по данным ИСЗ «IMP-1» («Interplanetary Monitoring Platform», США).

Строение магнитосферы и приграничные области.

Рис. 1. Схема магнитосферы Земли в плоскости, проходящей через магнитные полюсы Земли и линию Земля – Солнце. Линиями со стрелками обозначены силовые линии магнитного поля.

Рис. 1. Схема магнитосферы Земли в плоскости.

Спутниковые измерения состава, плотности и энергии частиц, движущихся в околоземном космическом пространстве, а также измерения магнитного и электрического полей позволили выделить отдельную области магнитосферы Земли, отличающиеся рядом особенностей (рис. 1).

Средняя скорость солнечного ветра вблизи орбиты Земли (около 400 км/с) примерно в 5 раз превышает скорость магнитозвуковых волн. Поэтому перед магнитосферой с её дневной стороны постоянно существует отошедшая ударная волна (называемая также головной ударной волной), замедляющая и отклоняющая поток солнечного ветра. Токовый слой, являющийся границей магнитосферы, называют магнитопаузой. Его положение определяется балансом динамического давления со стороны солнечного ветра и магнитного давления со стороны магнитного поля Земли. Толщина магнитопаузы изменяется от 100 км до 3000 км и составляет в среднем 400–800 км. Вследствие изменения параметров солнечного ветра магнитопауза изменяет положение в пространстве, перемещаясь со скоростями 10–300 км/с (преимущественно 20–40 км/с). Динамическое давление солнечного ветра уменьшается при удалении от Солнца. В результате с ночной стороны Земли формируется вытянутая кометообразная полость – хвост магнитосферы Земли, протяжённость которой составляет более 1,5 млн. км. В магнитосфере Земли, ограниченной магнитопаузой, принято выделять внутреннюю и хвостовую части.

Магнитосфера Земли не изолирована от солнечного ветра. Поэтому через её границу постоянно поступают электромагнитная энергия и вещество, в результате чего в магнитосфере присутствуют токовые системы и крупномасштабное электрическое поле. В преобразовании энергии солнечного ветра в энергию токовых систем магнитосферы и электромагнитного поля Земли особую роль играют физические процессы, происходящие в пограничных областях магнитосферы. К таким областям относятся: отошедшая ударная волна, магнитослой (область пространства между ударной волной и магнитопаузой) и сама магнитопауза. В магнитопаузе выделяют особые области: касп (воронка, через которую частицы солнечного ветра проникают в магнитосферу), турбулентный пограничный слой (с дневной стороны) и пограничный слой на границе хвостовой части магнитосферы Земли. Эти области характеризуются высоким уровнем электромагнитной турбулентности и происходящим в них пересоединением магнитных силовых линий межпланетного магнитного поля с магнитным полем магнитосферы Земли. За счёт энергии, высвобождающейся в результате такого пересоединения, происходит ускорение плазмы и её нагрев. Концепция пересоединения позволяет объяснить наибольшее число явлений, экспериментально наблюдаемых в магнитосфере.

Физические процессы, происходящие в указанных периферийных областях околоземного пространства, обеспечивают поступление энергии во внутренние области магнитосферы. Энергия, поступающая внутрь магнитосферы, возрастает при появлении вблизи орбиты Земли высокоскоростных частиц межпланетной среды. Поступление энергии зависит также от ориентации вектора напряжённости межпланетного магнитного поля: чем больше составляющая вектора, направленная перпендикулярно к плоскости эклиптики в сторону южного полушария, тем больше энергии поступает в магнитосферу. Отклик магнитосферы на динамику изменения параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля носит нелинейный характер. Количественное описание такого отклика осуществляется на основе индексов геомагнитной активности, которые определяются в ходе измерений, проводимых мировой сетью магнитных обсерваторий.

При повышенном уровне поступления энергии в магнитосферу в её хвостовой части возрастает энергия магнитного поля, которая затем трансформируется в кинетическую энергию электронов и ионов. Такой процесс носит взрывной характер. В результате возникает магнитосферно-ионосферное возмущение, называемое магнитосферной суббурей. При этом в области высоких широт обоих полушарий планеты резко (в несколько раз) возрастает сила тока в магнитосферно-ионосферных токовых системах, изменяется их геометрия, а также происходят высыпания в верхнюю атмосферу заряженных частиц высокой энергии, что вызывает полярные сияния. Временной масштаб одной изолированной магнитосферной суббури составляет 1–3 ч, взрывной фазы суббури – 15–30 мин. Если на Солнце происходит корональный выброс массы, высокоскоростные потоки солнечной плазмы обеспечивают повышенное поступление энергии внутрь магнитосферы в течение нескольких часов. В этом случае процесс генерации суббурь идёт непрерывно на протяжении длительного времени; создаётся магнитосферное возмущение, называемое магнитной бурей. Продолжительность средней магнитосферной бури (включающей магнитную бурю, полярные сияния, ионосферные возмущения и др.) составляет около 30 ч, за этот период может происходить несколько суббурь (до 10 суббурь во время длительных магнитосферных бурь).

Внутренняя и хвостовая части магнитосферы.

Рис. 2. Области магнитосферы Земли и магнитосферные токовые системы.

Рис. 2. Области магнитосферы Земли и магнитосферные токовые системы.

Во внутренней части магнитосферы Земли выделяют плазмосферу, радиационные пояса Земли и кольцевой ток. Плазмосфера является продолжением ионосферы на большие высоты: начинается с высоты около 1000 км над поверхностью Земли и простирается до расстояний в 4–6 радиусов Земли. В этой области внутренней магнитосферы преобладает холодная плазма, захваченная магнитным полем Земли. Плотность плазмы составляет 100–1000 см–3, энергия частиц – менее 1–2 эВ. В плазмосфере преобладают ионы водорода, 10–20% составляют ионы гелия, 5–10% – ионы кислорода.

Радиационные пояса Земли состоят в основном из электронов и протонов, нескольких процентов от общего числа частиц в поясах составляют более тяжёлые заряженные частицы. Частицы в этих поясах имеют энергию от десятков кэВ до сотен МэВ.

Кольцевой ток течёт вокруг планеты на расстояниях 3–6 радиусов Земли в приэкваториальной области и направлен на запад. Ток создаётся движением ионов с энергией 1–300 кэВ. В отличие от радиационных поясов, которые почти целиком состоят из протонов и электронов солнечного ветра, кольцевой ток обогащён ионами кислорода, азота и других химических элементов, распространённых в ионосфере. Потоки частиц кольцевого тока во время магнитосферных возмущений возрастают в 10–30 раз, тогда как потоки ионов в радиационных поясах в такие периоды уменьшаются.

Хвостовая часть магнитосферы Земли состоит из двух половин – северной и южной долей. В центральной области хвоста течёт электрический ток, направленный с утренней стороны магнитосферы на её вечернюю сторону. Этот ток поддерживает противоположно направленные магнитные поля в долях хвостовой части магнитосферы. Индукция магнитных полей составляет около 20–30 нТл. Радиус магнитосферного хвоста в его поперечном сечении имеет тенденцию к росту с удалением от Земли и достигает примерно 25–30 радиусов Земли на расстоянии около 200 её радиусов.

В хвостовой части магнитосферы Земли расположен активный плазменный слой (включающий нейтральный токовый слой с высоким уровнем электромагнитной турбулентности). Этот слой обеспечивает регулярные высыпания заряженных частиц в зоне полярных сияний и формирует радиационные пояса Земли во внутренней магнитосфере.

Токовые системы магнитосферы.

Магнитное поле, создаваемое токовыми системами магнитосферы Земли, вместе с главным магнитным полем Земли определяет структуру плазменных образований в околоземном космического пространстве и характеризует геомагнитную активность. Основные магнитосферные токовые системы (рис. 2): поверхностные токи на магнитопаузе, токовая система хвоста магнитосферы, кольцевой ток и продольные токи, текущие вдоль силовых линий геомагнитного поля. Последние образуют высокоширотные трёхмерные магнитосферно-ионосферные токовые системы, которые включают в себя три зоны токов. Первая зона – это зональные токи на приполюсной границе авроральной зоны (зоны полярных сияний), которые втекают в ионосферу на утренней стороне этой зоны, а вытекают из ионосферы на её вечерней стороне. Вторая зона – зональные токи на экваториальной границе авроральной зоны, которые, наоборот, втекают в ионосферу на вечерней стороне этой зоны, а вытекают на её утренней стороне. Третья зона – это токи в полярной шапке, которые направлены в ионосферу на её вечерней стороне и вытекают из неё на утренней стороне. Суммарный ток в этих трёх системах в спокойной магнитосфере имеет величину около 500 тыс. А, в периоды магнитосферных возмущений он возрастает в несколько раз.

Магнитосфера Земли является сложной и чрезвычайно неоднородной плазменной системой. В ней могут генерироваться и распространяться разнообразные типы электромагнитных колебаний, регистрируемые аппаратурой, устанавливаемой на искусственных спутниках Земли. Спутниковые наблюдения позволили выявить крупномасштабную структуру магнитосферы Земли и дали возможность построить предварительные модели физических процессов, происходящих в околоземной среде.

Дополнительная литература: Железняков В. В. Электромагнитные волны в космической плазме. М., 1977; Сергеев В. А., Цыганенко Н. А. Магнитосфера Земли. М., 1980; Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М., 1980; Ляцкий В. Б., Мальцев Ю. П. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие. М., 1983; Лайонс Л., Уильямс Д. Физика магнитосферы: количественный подход. M., 1987; Плазменная гелиогеофизика. М., 2008. Т. 1–2.