Как магнитное поле Земли защищает ее от солнечного ветра?

В нескольких источниках (см. связанные вопросы в конце) говорится, что магнитное поле Земли защищает нас от солнечного ветра. Общее мнение состоит в том, что без магнитного поля Земли атмосфера была бы разрушена, и жизнь была бы невозможна.

Насколько я понимаю, солнечный ветер довольно сбалансирован между положительно и отрицательно электрически заряженными частицами.

Не означает ли это, что все положительные частицы будут притягиваться и втягиваться в один из полюсов Земли, а отрицательные частицы всасываться в другой полюс? Создавая впечатление, что магнитное поле Земли совсем не защищает нас от солнечного ветра, а просто концентрирует его на полюсах? Если он просто сконцентрирован на полюсах, то мы по-прежнему получаем такое же количество частиц в целом, как если бы у Земли не было магнитного поля, так почему же атмосфера не очищена? Дело в направлении движения частиц?

Я знаю, что приведенный выше абзац, вероятно, содержит недоразумения, поскольку доказательства того, что мы все еще здесь, не согласуются с предположением. У меня есть только базовые представления о магнетизме и электрическом заряде, поэтому хороший ответ объяснит, как и почему я ошибаюсь с точки зрения непрофессионала. Я думаю, что мое непонимание может иметь какое-то отношение к разнице между магнитными и электрическими полями.

Я думаю, что главный вопрос, на который я хотел бы получить более конкретный ответ, звучит так: что именно магнитное поле делает с частицами так, что они не могут покинуть атмосферу?

Магнитное поле Земли защищает нас... от какой угрозы?

Защитит ли Марс магнитный стержень от солнечного ветра?

@infinitezero Я изучал это на уровне физики, но это было около 9 лет назад. Насколько я понимаю, заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, будет испытывать силу в направлении, противоположном ее движению. Если это так, то не должны ли частицы солнечного ветра замедляться, но все же падать на землю на полюсах? Если они замедляются, то куда уходит их энергия?
Магнетическое поле Земли crystalinks.com/earths Magneticfield.html . Магнитных зарядов нет. Заряженные частицы спускаются по спирали к полюсам, по пути они теряют свою энергию, сталкиваясь с молекулами атмосферы, и большинство из них заканчиваются как часть атмосферы на северном и южном полюсах. Многие из них с достаточно высокой энергией, особенно мюоны, все еще достигают уровня моря, потому что магнитное поле Земли недостаточно сильное. cosmic.lbl.gov/SKliewer/Cosmic_Rays/Muons.htm
Посмотрите на электрон, движущийся по спирали вниз в магнитном поле пузырьковой камеры (м.с. перпендикулярно картинке) для его уменьшения, хотя это модель. Есть вопросы, см. space.com/11187-earth- Magnetic-field-solar -wind.html
@annav Означает ли это, что предположение, которое я сделал в вопросе, верно? Что магнитное поле Земли совсем не защищает нас от солнечного ветра, а просто концентрирует его на полюсах? Если он просто сконцентрирован на полюсах, то мы все равно получаем такое же количество частиц, как если бы магнитного поля вообще не было, так почему же атмосфера не очищена? Это из-за того, что направление движения частиц разное?
Они постепенно теряют энергию. Магнитное поле простирается намного дальше атмосферы. Частицы, достигающие полюсов, все еще обладают достаточной энергией, чтобы возбудить азот и кислород (следствием этого является полярное сияние), но не разрушить атмосферу. «Как» камень, который вместо того, чтобы упасть, вынужден вращаться по спирали, прежде чем ударится о землю.
@Alchimista Если частицы теряют энергию, то куда девается эта энергия?
@Karl Энергия переходит к атмосферным молекулам, частицы которых сталкиваются и замедляют свою спираль. К тому времени, когда они достигают полюсов, они также начинают светиться, как говорится в другом комментарии, полярные сияния. свет тоже энергия. В модели частицы, отлетающие от полюсов, захватываются силовыми линиями магнитного поля, так магнитное поле защищает нас. Как я уже говорил, это доминирующая модель. Поскольку с планет поступает больше данных, модель может измениться, как, кажется, говорит ссылка, которую я дал.
По сути, @Alchimista говорит, что частицы не разрушают атмосферу, потому что они потеряли энергию, Аннав говорит, что они потеряли эту энергию, сталкиваясь с молекулами в атмосфере. Кажется, это не имеет смысла. Если они теряют энергию, сталкиваясь с атмосферными молекулами, то почему атмосфера не разрушается?
@Карл, мы говорим об одном и том же. Если бы вы увидели, как электрон теряет энергию в пузырьковой камере вокруг линии магнитного поля, вы бы поняли, что он теряет при ионизации постепенно малую энергию, поэтому молекулам не хватает энергии, чтобы их отделить от атмосферы.
@Карл первым на отклонение. Например, если бы на падающий объект была бы дополнительная сила, трение или направленный вверх ветер. По аналогии, последний где-то ударится, но образует кратер меньшего размера, если вообще будет.

Ответы (2)

Это не имеет ничего общего ни с давлением в термодинамическом смысле, ни с виртуальными частицами. В ядре Земли каким-то образом создается собственное магнитное поле (обсуждение динамо может заполнить тома), и это поле взаимодействует с магнитным полем и заряженными частицами солнечного ветра . Поскольку солнечный ветер сверхзвуковой , возникает ударная волна . Это замедляет и отклоняет солнечный ветер вокруг магнитосферы , отстоящей от Земли. Без этого конвективное электрическое поле солнечного ветра (т. Е с ж "=" − В с ж × Б с ж поле из-за движения заряженных частиц, переносящих магнитное поле мимо Земли) очень быстро утащили бы ионизированные верхние слои атмосферы с Земли.

Создавая впечатление, что магнитное поле Земли совсем не защищает нас от солнечного ветра, а просто концентрирует его на полюсах?

Это неправильно, он действительно защищает атмосферу Земли от солнечного ветра, как я сказал выше. Скорость дрейфа, индуцированная конвективным электрическим полем солнечного ветра на недавно ионизированных частицах (называемых захваченными ионами), называется дрейфом ExB, и ее скорость колеблется от 10 с км/с до 100 с км/с. Скорость убегания от Земли у поверхности составляет всего ~11,2 км/с. Таким образом, если бы ионизированные верхние слои атмосферы внезапно подверглись воздействию Е с ж , ионы и электроны будут немедленно ускорены от 10 до 100 км/с, легко покидая гравитационное поле Земли.

Ядро Земли слишком горячее, чтобы генерировать магнитное поле. Это динамо-эффект электрического поля Земли, который создает магнитное поле Земли. Геомагнитный северный полюс Земли является магнитным южным полюсом.
Не знаю, откуда вы берете эту информацию, но она неверна. Высокотемпературные жидкости и газы вполне способны переносить токи, которые генерируют магнитные поля. У Солнца есть магнитные поля вплоть до ядра, а ядро ​​Солнца значительно выше, чем ядро ​​Земли. Да, я знаю, что магнитный север находится рядом с географическим южным полюсом, хотя я не понимаю, почему это важно.

Именно озоновый слой необходимо защищать, чтобы он мог защитить нас от ультрафиолетового излучения (фотонов).

Очень важно понимать, что солнечный ветер состоит из:

  1. электроны

  2. протоны

  3. альфа-частицы

Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц, выбрасываемых из верхних слоев атмосферы Солнца, называемых короной. Эта плазма состоит в основном из электронов, протонов и альфа-частиц с кинетической энергией от 0,5 до 10 кэВ.

https://en.wikipedia.org/wiki/Солнечный_ветер

Теперь магнитное поле Земли, которое создается жидким внешним железным ядром (электрическими токами) Земли, распространяется в космос за пределы ионосферы.

https://en.wikipedia.org/wiki/Земля%27s_магнитное_поле

Магнитосфера — это область над ионосферой, которая определяется протяженностью магнитного поля Земли в космосе. Он простирается на несколько десятков тысяч километров в космос, защищая Землю от заряженных частиц солнечного ветра и космических лучей, которые в противном случае сорвали бы верхние слои атмосферы, включая озоновый слой, защищающий Землю от вредного ультрафиолетового излучения.

Причина, по которой нам нужна магнитосфера, заключается в том, что она защищает ионосферу. Почему? Потому что ионосфера включает в себя мезосферу.

Ионосфера ( / aɪˈɒnəˌsfɪər / 1 [2] ) представляет собой ионизированную часть верхних слоев атмосферы Земли на высоте примерно от 60 км (37 миль) до 1000 км (620 миль), область, которая включает термосферу и части мезосферы и экзосферы. .

https://en.wikipedia.org/wiki/Ионосфера

введите описание изображения здесь

Итак, зачем нам мезосфера? Потому что он защищает стратосферу, включая озоновый слой.

Самая нижняя часть атмосферы Земли, тропосфера, простирается от поверхности примерно до 10 км (6,2 мили). Выше находится стратосфера, за ней следует мезосфера. В стратосфере поступающее солнечное излучение создает озоновый слой.

Вот если бы все излучение (заряженные частицы) отклонялось, то у нас не было бы озонового слоя, и мы не были бы защищены от УФ-излучения.

Ультрафиолетовое (УФ), рентгеновское и коротковолновое солнечное излучение являются ионизирующими, поскольку фотоны на этих частотах содержат достаточную энергию, чтобы выбить электрон из атома или молекулы нейтрального газа при поглощении. При этом легкий электрон приобретает большую скорость, так что температура создаваемого электронного газа намного выше (порядка тысячи К), чем у ионов и нейтралов. Обратным к ионизации процессом является рекомбинация, при которой свободный электрон «захватывается» положительным ионом. Рекомбинация происходит спонтанно и вызывает испускание фотона, уносящего энергию, полученную при рекомбинации. По мере увеличения плотности газа на меньших высотах преобладает процесс рекомбинации, так как молекулы газа и ионы сближаются.

Очень важно понимать, что солнечный ветер может разрушить озоновый слой.

Но ваш вопрос касается отрыва атмосферы и почему солнечный ветер этого не делает. Теперь солнечный ветер оказывает давление. Если бы это давление достигло атмосферы, оно бы унесло ее.

Теперь магнитосфера тоже имеет давление, и оно уравновешивает давление солнечного ветра.

Магнитное поле Земли, преимущественно диполярное на поверхности, еще больше искажается солнечным ветром. Это поток заряженных частиц, выходящий из короны Солнца и разгоняющийся до скорости от 200 до 1000 километров в секунду. Они несут с собой магнитное поле, межпланетное магнитное поле (ММП)[24]. Солнечный ветер оказывает давление, и если бы он смог достичь земной атмосферы, то разрушил бы ее. Однако его удерживает давление магнитного поля Земли. Магнитопауза, область, где давление уравновешивается, является границей магнитосферы. Несмотря на свое название, магнитосфера асимметрична: сторона, обращенная к Солнцу, удалена примерно на 10 земных радиусов, а другая сторона тянется хвостом магнитосферы, простирающимся за пределы 200 земных радиусов.[25] Солнечной стороной магнитопаузы является головная ударная волна,

Итак, ответ на ваш вопрос:

  1. Таким образом, в основном заряженные частицы составляют солнечный ветер, но важно давление солнечного ветра, и что магнитосфера уравновешивает его, так что атмосфера не удаляется.

  2. Это озоновый слой, который необходимо защитить, чтобы защитить нас от ультрафиолетового излучения.

Часть заряженных частиц попадает в магнитосферу. Они закручиваются вокруг силовых линий, прыгая туда-сюда между полюсами несколько раз в секунду. Кроме того, положительные ионы медленно дрейфуют на запад, а отрицательные — на восток, вызывая кольцевой ток.

Ответ на ваш вопрос заключается в том, что большинство заряженных частиц отклоняются.

После комментария вопрос больше касается объяснения на уровне КМ того, как давление магнитосферы отклоняет электроны, протоны и альфа-частицы солнечного ветра.

Теперь у магнитосферы есть энергия, и по мере того, как частицы солнечного ветра достигают магнитосферы, магнитное поле Земли начинает взаимодействовать с частицами солнечного ветра. Это взаимодействие опосредовано виртуальными фотонами.

Виртуальные фотоны не являются реальными фотонами, они вне массовой оболочки, однако они представляют собой математический способ описания взаимодействия между полем и частицами солнечного ветра.

Теперь, когда частицы солнечного ветра взаимодействуют с магнитным полем Земли, энергия магнитного поля передается частицам солнечного ветра в виде кинетической энергии и импульса через виртуальные фотоны, таким образом, траектория и импульс частиц солнечного ветра изменяются так, что они удаляются. с Земли.

Этот ответ многое говорит о том, почему магнитное поле важно для нашей защиты, но мой вопрос был больше о том, «как» оно нас защищает. Есть некоторые дискуссии о том, что магнитное поле замедляет солнечный ветер и частицы отклоняются, но я думаю, что это ясно из вопроса, который я уже знаю, что не так много подробностей о том, как конкретно отклоняются частицы.
@Карл, это давление, в моем ответе говорится, что давление магнитосферы - это то, что отклоняет заряженные частицы. Поскольку излучение состоит из частиц с электромагнитным зарядом, давление магнитосферы отклоняет их до того, как они достигают ионосферы. Вы спрашиваете, как заряженные частицы излучения на уровне КМ отклоняются электромагнитным полем магнитосферы? Это происходит через виртуальные частицы. Излучение солнечного ветра включает электроны, протоны и альфа-частицы.
@Karl Когда эти заряженные частицы достигают магнитосферы, магнитное поле Земли взаимодействует с ними через виртуальные частицы (виртуальные фотоны). Взаимодействие изменяет траекторию заряженных частиц излучения, поскольку электромагнитная энергия магнитного поля передается этим заряженным частицам солнечного ветра в виде кинетической энергии в направлении от Земли. Когда электроны, протоны и альфа-частицы начинают взаимодействовать с магнитным полем Земли, они получают кинетическую энергию и импульс от магнитного поля через виртуальные фотоны.
@Karl Таким образом, траектория этих частиц изменяется вдали от Земли.
@Карл, я отредактировал свой ответ.
Как магнитное поле Земли защищает ее от солнечного ветра?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v