Магнітопауза (магнетопауза) — різка межа між магнітосферою небесного тіла та навколишньою плазмою. У планетології магнітопауза є межею між магнітним полем планети та сонячним вітром. Її положення визначає рівновага між тиском динамічного магнітного поля планети та динамічним тиском сонячного вітру. Коли тиск сонячного вітру змінюється, магнітопауза відповідно зміщується всередину або назовні. Уздовж магнітопаузи поширюються поширюються хвилі в напрямку потоку сонячного вітру внаслідок дрібномасштабної зміни його тиску та нестійкості Кельвіна — Гельмгольца.

Сонячний вітер є надзвуковим і проходить через дугоподібну ударну хвилю, де напрямок потоку змінюється так, що більшість плазми сонячного вітру відхиляється в обидва боки від магнітопаузи — подібно до того, як вода розтікається перед носом корабля. Область ударно стисненої плазми сонячного вітру називається магнітошаром. Біля Землі та інших планет із власним магнітним полем частина плазми сонячного вітру все ж проникає всередину магнітосфери та затримується в ній. На Землі плазма сонячного вітру, що потрапляє в магнітосферу, утворює . Кількість плазми сонячного вітру та енергії, що входять до магнітосфери, визначає орієнтація міжпланетного магнітного поля, зануреного в сонячний вітер.

Сонце та інші зорі з магнітними полями і зоряними вітрами мають власну магнітопаузу, — для Сонця вона називається геліопаузою, — де зоряний вітер зіштовхується з міжзоряним середовищем.

Властивості

До епохи космічних досліджень міжпланетний простір вважали вакуумом. Збіг у часі першого спостереження сонячного спалаху та геомагнітної бурі 1859 року став свідченням того, що під час спалаху Сонце викидає плазму. Чепмен і Ферраро запропонували, що під час спалаху Сонце викидає плазму у вигляді імпульсу, який збурює магнітне поле планети, спричиняючи явище, відоме як геомагнітна буря.

Частота зіткнень частинок плазми в міжпланетному середовищі дуже мала, а електропровідність настільки велика, що її можна наближено вважати нескінченною. Магнітне поле у вакуумі не може проникнути в об'єм із нескінченною електропровідністю. Чепмен і Бартелс (1940) проілюстрували цю ідею, припустивши існування пластини з нескінченною електропровідністю, розташованої на денному боці дипольного магнітного поля планети, як показано на схемі. Лінії поля на денному боці згинаються. На низьких широтах магнітні лінії стискаються всередину, а на високих — відхиляються назад і огинають полярні області. Межа між областю, де домінує магнітне поле планети (тобто магнітосфера), і плазмою міжпланетного середовища — це магнітопауза. Конфігурацію, еквівалентну плоскій нескінченно провідній пластині, отримують, якщо розмістити зображений диполь (зелена стрілка ліворуч на схемі) на подвоєній відстані від диполя планети до магнітопаузи вздовж лінії «планета — Сонце». Під впливом сонячного вітру магнітопауза над планетою, під нею та з боків відтягується назад, утворюючи геомагнітний хвіст, як показано на художній ілюстрації. Область (позначена на схемі рожевим), що відокремлює лінії поля, які втискаються всередину, від тих, що відхиляються назад над полюсами, є ділянкою слабкого магнітного поля — денним каспом. Через область каспа частинки сонячного вітру можуть проникати в магнітосферу планети. Оскільки сонячний вітер існує постійно, а не лише під час сонячних спалахів, магнітопауза є сталою особливістю космічного простору поблизу будь-якої планети з магнітним полем.

Лінії магнітного поля планети не є нерухомими. Вони безперервно з'єднуються або зливаються з лініями міжпланетного магнітного поля у процесі, який називають магнітним перез'єднанням. Об'єднані лінії поля відтягуються назад над полюсами в магнітний хвіст планети. У хвості лінії магнітного поля планети знову з'єднуються й починають рухатися до нічного боку планети. Фізику цього процесу вперше пояснив Данджі (1961). Тому цей процес тепер називають циклом Данджі.

Якби магнітопауза була лише межею між магнітним полем у вакуумі та плазмою зі слабким магнітним полем, зануреним у неї, її визначали б електрони та іони, що проникають в область магнітного поля на один Ларморів радіус. Оскільки ларморівський рух електронів і йонів відбувається у протилежних напрямках, уздовж межі протікав би електричний струм. Насправді ж магнітопауза значно складнішаPhysics of the Magnetopause, Edited by P. Song, B. U. Ö. Sonnerup, M. F. Thomsen, American Geophys. Union, Washington, D.C., Geophysical Monograph Series, Volume 90, 1995. 447 pages, .

Оцінка відстані до магнітопаузи

Якщо знехтувати тиском частинок усередині магнітосфери, можна оцінити відстань до тієї її частини, що звернена до Сонця. Умова, яка визначає це положення, полягає в тому, що напірний тиск сонячного вітру дорівнює магнітному тиску магнітного поля планетиКоефіцієнт 4 зумовлений тим, що напруженість магнітного поля безпосередньо всередині магнітопаузи вдвічі перевищує дипольне значення для плоскої магнітопаузи.:де і  — густина та швидкість сонячного вітру, а  — напруженість магнітного поля планети в одиницях SI ( у Т, у Гн/м).

Оскільки напруженість магнітного поля дипольного типу змінюється з відстанню як , її можна записати як , де  — магнітний момент планети, виражений у .Розв'язуючи це рівняння щодо , отримуємо оцінку відстані

Відстань від Землі до підсонячної точки магнітопаузи змінюється з часом через сонячну активність, але типові значення лежать у межах 6–15 R. Емпіричні моделі, що ґрунтуються на постійному моніторингу сонячного вітру, можуть у реальному часі оцінювати положення магнітопаузи. Перед магнітопаузою з боку Сонця розташована дугоподібна ударна хвиля. Вона сповільнює і відхиляє потік сонячного вітру ще до того, як він досягає магнітопаузи.

Магнітопаузи Сонячної системи + Огляд магнітопауз у Сонячній системі Планета Номер Магнітний моментВ одиницях магнітного момента Землі (7.906 x 1031 гаус м3). Відстань до магнітопаузиТипова відстань між магнітопаузою та магнітосферою в радіусах планети. Спостережуваний розмір магнітосфериУ радіусах планети. Варіації магнітосфериУ радіусах планети; магнітосфера змінюється головно у відповідь на динамічний тиск сонячного вітру та орієнтацію міжпланетного магнітного поля. 10,0004 1,5 1,40 2 0 0 00 3 1 10 102 4 0 0 00 5 20000 42 7525 6 600 19 193 7 50 25 180 8 25 24 24,51,5

Дослідження магнітопаузи часто проводять у координатній системі LMN (набір осей, подібний до XYZ). Вісь N спрямована перпендикулярно до магнітопаузи назовні, у бік магнітошару; вісь L лежить уздовж проєкції осі магнітного дипольного момента на магнітопаузу (з додатним напрямком на північ); вісь M доповнює тріаду, орієнтуючись у бік світанку.

Венера і Марс не мають власного магнітного поля, тому магнітопауза в них відсутня. Сонячний вітер взаємодіє безпосередньо з атмосферою планети, і позаду планети формується область розрідження. У випадку Місяця та інших тіл без магнітного поля й атмосфери поверхня безпосередньо взаємодіє з сонячним вітром, і позаду тіла також утворюється область розрідження.

Див. також Дугоподібна ударна хвиля Магнітосфера

Коментарі

Примітки