Magnetosphäre - Magnetosphere

Eine Darstellung der magnetischen Feldlinien der Magnetosphäre der Erde.

In der Astronomie und der Planetenwissenschaft ist eine Magnetosphäre ein Raumbereich, der ein astronomisches Objekt umgibt, in dem geladene Teilchen vom Magnetfeld dieses Objekts beeinflusst werden . Er wird von einem Stern oder Planeten mit aktivem Innendynamo erzeugt .

In der Weltraumumgebung in der Nähe eines Planetenkörpers ähnelt das Magnetfeld einem magnetischen Dipol . Weiter draußen können Feldlinien durch den Strom von elektrisch leitfähigem Plasma , wie es von der Sonne (dh dem Sonnenwind ) oder einem nahen Stern emittiert wird , erheblich verzerrt werden . Planeten mit aktiven Magnetosphären, wie die Erde, sind in der Lage, die Auswirkungen von Sonnenstrahlung oder kosmischer Strahlung abzuschwächen oder zu blockieren , was auch alle lebenden Organismen vor potenziell schädlichen und gefährlichen Folgen schützt. Diese wird in den wissenschaftlichen Spezialfächern Plasmaphysik , Weltraumphysik und Aeronomie studiert .

Geschichte

Die Erforschung der Magnetosphäre der Erde begann im Jahr 1600, als William Gilbert entdeckte, dass das Magnetfeld auf der Erdoberfläche dem einer Terrella ähnelte , einer kleinen, magnetisierten Kugel. In den 1940er Jahren, Walter M. Elsasser vorgeschlagen , das Modell der dynamo - Theorie , welche Attribute Erdmagnetfeld auf die Bewegung der Erde Eisen äußeren Kerns . Durch den Einsatz von Magnetometern konnten die Wissenschaftler die Variationen des Erdmagnetfeldes als Funktion sowohl der Zeit als auch des Breiten- und Längengrades untersuchen.

Ab den späten 1940er Jahren wurden Raketen verwendet, um kosmische Strahlung zu untersuchen . 1958 wurde Explorer 1 gestartet, die erste der Explorer-Weltraummissionen, um die Intensität der kosmischen Strahlung über der Atmosphäre zu untersuchen und die Schwankungen dieser Aktivität zu messen. Diese Mission beobachtete die Existenz des Van-Allen-Strahlungsgürtels (der sich in der inneren Region der Magnetosphäre der Erde befindet), wobei der Nachfolge- Explorer 3 später in diesem Jahr seine Existenz endgültig bewies. Ebenfalls 1958 schlug Eugene Parker die Idee des Sonnenwinds vor , wobei der Begriff "Magnetosphäre" 1959 von Thomas Gold vorgeschlagen wurde , um zu erklären, wie der Sonnenwind mit dem Erdmagnetfeld interagiert. Die spätere Mission von Explorer 12 im Jahr 1961, die von der Cahill- und Amazeen-Beobachtung im Jahr 1963 einer plötzlichen Abnahme der Magnetfeldstärke in der Nähe des Mittagsmeridians angeführt wurde, wurde später als Magnetopause bezeichnet . 1983 beobachtete der International Cometary Explorer den Magnetschweif oder das entfernte Magnetfeld.

Struktur und Verhalten

Magnetosphären sind von mehreren Variablen abhängig: die Art des astronomischen Objekts, die Art der Quellen von Plasma und Dynamik, die Periode der Spin des Objekts, die Art der Achse , um die das Objekt dreht, wobei die Achse des magnetischen Dipols, und die Größe und Richtung der Strömung des Sonnenwindes .

Die planetarische Distanz, bei der die Magnetosphäre dem Sonnenwinddruck standhalten kann, wird als Chapman-Ferraro-Distanz bezeichnet. Dies wird nützlich durch die Formel modelliert, die den Radius des Planeten darstellt, das Magnetfeld auf der Oberfläche des Planeten am Äquator darstellt und die Geschwindigkeit des Sonnenwinds darstellt:

Eine Magnetosphäre wird als "intrinsisch" klassifiziert, wenn oder wenn der primäre Widerstand gegen den Sonnenwindstrom das Magnetfeld des Objekts ist. Merkur , Erde, Jupiter , Ganymed , Saturn , Uranus und Neptun zum Beispiel weisen intrinsische Magnetosphären auf. Eine Magnetosphäre wird als "induziert" klassifiziert, wenn oder wenn dem Sonnenwind das Magnetfeld des Objekts nicht entgegensteht. In diesem Fall interagiert der Sonnenwind mit der Atmosphäre oder Ionosphäre des Planeten (oder der Oberfläche des Planeten, wenn der Planet keine Atmosphäre hat). Venus hat ein induziertes Magnetfeld, was bedeutet, dass, da Venus keinen internen Dynamoeffekt zu haben scheint , das einzige vorhandene Magnetfeld das ist, das durch die Umhüllung des physischen Hindernisses der Venus durch den Sonnenwind gebildet wird (siehe auch die induzierte Magnetosphäre der Venus ). Wenn , tragen sowohl der Planet selbst als auch sein Magnetfeld dazu bei. Es ist möglich, dass der Mars von diesem Typ ist.

Struktur

Künstlerische Darstellung der Struktur einer Magnetosphäre: 1) Bow Shock. 2) Magnethülle. 3) Magnetopause. 4) Magnetosphäre. 5) Nördlicher Schwanzlappen. 6) Südlicher Schwanzlappen. 7) Plasmasphäre.

Bogenstoß

Infrarotbild und künstlerisches Konzept des Bugstoßdämpfers um R Hydrae

Der Bugstoß bildet die äußerste Schicht der Magnetosphäre; die Grenze zwischen der Magnetosphäre und dem umgebenden Medium. Bei Sternen ist dies normalerweise die Grenze zwischen dem stellaren Wind und dem interstellaren Medium ; bei Planeten nimmt die Geschwindigkeit des Sonnenwinds dort ab, wenn er sich der Magnetopause nähert.

Magnetmantel

Die Magnetohülle ist der Bereich der Magnetosphäre zwischen dem Bugstoß und der Magnetopause. Es wird hauptsächlich aus geschocktem Sonnenwind gebildet, enthält jedoch eine kleine Menge Plasma aus der Magnetosphäre. Es ist ein Bereich hoher Partikel ausstellenden Energiefluß , wobei die Richtung und die Größe des Magnetfeldes sprunghaft ändert. Dies wird durch die Sammlung von Sonnenwindgas verursacht, das effektiv einer Thermalisierung unterzogen wurde . Es wirkt wie ein Kissen, das den Druck der Strömung des Sonnenwinds und die Barriere des Magnetfelds vom Objekt überträgt.

Magnetopause

Die Magnetopause ist der Bereich der Magnetosphäre, in dem der Druck des planetarischen Magnetfelds mit dem Druck des Sonnenwinds ausgeglichen wird. Es ist die Konvergenz des geschockten Sonnenwinds aus der Magnetohülle mit dem Magnetfeld des Objekts und Plasma aus der Magnetosphäre. Da beide Seiten dieser Konvergenz magnetisiertes Plasma enthalten, sind die Wechselwirkungen zwischen ihnen komplex. Die Struktur der Magnetopause hängt von Machzahl und Beta des Plasmas sowie vom Magnetfeld ab. Die Magnetopause ändert Größe und Form, wenn der Druck des Sonnenwinds schwankt.

Magnetschweif

Dem komprimierten Magnetfeld gegenüber liegt der Magnetschweif, bei dem sich die Magnetosphäre weit über das astronomische Objekt hinaus erstreckt. Es enthält zwei Lappen, die als nördlicher und südlicher Schwanzlappen bezeichnet werden. Die magnetischen Feldlinien im nördlichen Schwanzlappen zeigen auf das Objekt, während die im südlichen Schwanzlappen wegweisen. Die Schwanzlappen sind fast leer, mit wenigen geladenen Teilchen, die der Strömung des Sonnenwinds entgegenwirken. Die beiden Keulen sind durch ein Plasmablatt getrennt, ein Bereich, in dem das Magnetfeld schwächer ist und die Dichte der geladenen Teilchen höher ist.

Magnetosphäre der Erde

Künstlerische Darstellung der Magnetosphäre der Erde
Diagramm der Magnetosphäre der Erde

Über dem Äquator der Erde werden die magnetischen Feldlinien fast horizontal und kehren dann in hohen Breiten zurück, um sich wieder zu verbinden. In großen Höhen wird das Magnetfeld jedoch durch den Sonnenwind und sein Sonnenmagnetfeld stark verzerrt. Auf der Tagseite der Erde wird das Magnetfeld durch den Sonnenwind auf eine Entfernung von etwa 65.000 Kilometern (40.000 Meilen) stark komprimiert. Der Bugschock der Erde ist etwa 17 Kilometer (11 Meilen) dick und befindet sich etwa 90.000 Kilometer (56.000 Meilen) von der Erde entfernt. Die Magnetopause existiert in einer Entfernung von mehreren hundert Kilometern über der Erdoberfläche. Die Magnetopause der Erde wurde mit einem Sieb verglichen, weil sie Sonnenwindpartikel eindringen lässt. Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten treten auf, wenn große Plasmawirbel mit einer anderen Geschwindigkeit als die Magnetosphäre entlang der Kante der Magnetosphäre wandern und das Plasma daran vorbeigleiten lassen. Dies führt zu einer magnetischen Wiederverbindung , und wenn die magnetischen Feldlinien brechen und sich wieder verbinden, können Sonnenwindpartikel in die Magnetosphäre eindringen. Auf der Nachtseite der Erde erstreckt sich das Magnetfeld im Magnetschweif, der in Längsrichtung 6.300.000 Kilometer (3.900.000 Meilen) überschreitet. Der Magnetschweif der Erde ist die Hauptquelle des Polarlichts . Außerdem haben NASA-Wissenschaftler vorgeschlagen, dass der Magnetschweif der Erde "Staubstürme" auf dem Mond verursachen könnte, indem er einen Potenzialunterschied zwischen der Tagseite und der Nachtseite erzeugt.

Andere Objekte

Viele astronomische Objekte erzeugen und erhalten Magnetosphären. Im Sonnensystem umfasst dies die Sonne, Merkur , Jupiter , Saturn , Uranus , Neptun und Ganymed . Die Magnetosphäre des Jupiter ist die größte planetarische Magnetosphäre im Sonnensystem und erstreckt sich auf der Tagseite bis zu 7.000.000 Kilometer (4.300.000 Meilen) und auf der Nachtseite fast bis zur Umlaufbahn des Saturn . Die Magnetosphäre des Jupiter ist um eine Größenordnung stärker als die der Erde , und ihr magnetisches Moment ist ungefähr 18.000-mal größer. Venus , Mars und Pluto hingegen haben kein Magnetfeld. Dies könnte erhebliche Auswirkungen auf ihre geologische Geschichte gehabt haben. Es wird vermutet, dass Venus und Mars ihr ursprüngliches Wasser durch Photodissoziation und den Sonnenwind verloren haben. Eine starke Magnetosphäre verlangsamt diesen Prozess stark.

Siehe auch

Verweise