Interested Article - Магнитное поле планет

Наличие или отсутствие у космических тел магнитного поля связывают с их внутренним строением.

Постоянное магнитное поле невозможно, так как температура в ядрах планет Солнечной системы намного выше точки Кюри . Было предложено множество объяснений природы внутреннего магнетизма планет; такие как термоэлектрический эффект или магнитные монополи не имеют удовлетворительных физических оснований, либо дают поля, по величине гораздо меньшие наблюдаемых. На настоящий момент общепринятой является теория магнитогидродинамического динамо : магнитное поле генерируется благодаря конвекционным потокам в жидком токопроводящем ядре . Она была предложена в 1919 году Дж. Лармором (на тот момент для объяснения магнетизма солнечных пятен ) , затем теоретические основы теории были разработаны в 1939 году и в 1949 году .

Таким образом, необходимым условием генерации магнитного поля является наличие жидкого ядра, проводящего ток, причём в нём должны иметь место потоки. Правда, касательно их происхождения нет столь существенной определённости, как по поводу теории магнитного динамо в целом; так, например, предлагались гипотезы о прецессии и приливных силах. Однако наиболее вероятной причиной таких потоков и, как следствие, источником энергии, компенсирующим потери на тепловое рассеяние, является термохимическая конвекция . Показано, что в её отсутствие магнитное поле Земли затухало бы в $e$ раз за каждые 15000 лет, что ничтожно мало по сравнению с возрастом Земли — 4,5 млрд. лет . Кроме того, именно отсутствие конвективных потоков, судя по всему, ответственно за слабость магнитного поля Венеры .

Магнитное поле тел Солнечной системы изучается как экспериментально — путём космических исследований — так и теоретически — посредством моделирования. Последнее требует решения системы нелинейных уравнений в частных производных ( уравнение Навье-Стокса , уравнение магнитной индукции и др.), включающих параметры, значения которых в условиях ядер планет исключительно малы. Так, число Экмана , выражающее отношение величин вязкости и силы Кориолиса , составляет порядка 10 ⁻¹⁵ , а магнитное число Прандтля , отвечающее за отношение вязкости к силе Лоренца — 10 ⁻⁶ . Эти значения пока недостижимы как в численном моделировании, так и в экспериментах по воссозданию магнитного динамо в лабораторных условиях. Последние тем не менее полезны в плане понимания механизма .

Магнитное поле планет и спутников планет Солнечной системы

Планеты Солнечной системы делятся на 3 группы: земной группы , некоторые из которых имеют жидкое металлическое ядро; газовые гиганты Юпитер и Сатурн , преимущественно состоящие из водорода и гелия; и ледяные гиганты Уран и Нептун с толстой газовой атмосферой , но имеющие также в составе более тяжёлые элементы, чем Солнце . Больше всего данных о магнитном поле Земли , так как наблюдения более точны и имеют более давнюю историю; сейсмологические исследования позволяют получить информацию о внутреннем строении нашей планеты .

Меркурий

Имея довольно большое жидкое ядро, Меркурий обладает магнитным полем, генерируемым по тому же механизму, что и в Земле, хотя и далеко не таким сильным . Сильный эксцентриситет орбиты и близость к Солнцу создают приливные эффекты и циркуляцию в крупном ядре планеты. Сказываться может и спин-орбитальный резонанс 3:2.

Венера

У Венеры и Земли близки размеры, средняя плотность и даже внутреннее строение, тем не менее, Земля имеет достаточно сильное магнитное поле, а Венера — нет (магнитный момент Венеры не превышает 5—10 % магнитного поля Земли ). По одной из современных теорий напряженность дипольного магнитного поля зависит от прецессии полярной оси и угловой скорости вращения. Именно эти параметры на Венере ничтожно малы, но измерения указывают на ещё более низкую напряжённость, чем предсказывает теория. Современные предположения по поводу слабого магнитного поля Венеры состоят в том, что в предположительно железном ядре Венеры отсутствуют конвективные потоки . Это, в свою очередь, может объясняться отсутствием тектоники плит, причина которого также пока не ясна. Возможно, это отсутствие воды, играющей в этом процессе роль своего рода смазывающего вещества . Или же, возможно, вследствие высокой температуры кора не затвердевает, и из-за этого либо не могут сформироваться плиты, подобные земным, либо становится более активным вулканизм, ввиду чего недостаточно энергии для конвективного движения потоков в ядре . С другой стороны, возможно, что, наоборот, воды на поверхности Венеры нет именно из-за отсутствия магнитного поля . У Венеры нет крупных спутников, способных вызвать приливные процессы в ядре и мантии (как на Земле), так же ее орбита наиболее близка к круговой. ^{[

источник не указан 1355 дней

]}

Марс

Сильный остаточный магнетизм Марса, открытый станцией Mars Global Surveyor , свидетельствует о динамо, происходившем ранее и угасшем примерно через 350 млн лет после формирования планеты, судя по всему, вследствие отвердевания ядра . По одной из гипотез, вокруг Марса обращался крупный астероид, вызывавший приливные эффекты, не дающие остыть ядру. Потом астероид снизился до предела Роша и разрушился. Как следствие - остывание ядра, распад магнитного поля и угасание геологических процессов. Имеющиеся спутники слишком малы, чтобы вызвать гравитационные возмущения в недрах планеты. Так же планета находится довольно далеко от Солнца, несмотря на сильно эллиптическую орбиту. ^{[

источник не указан 1355 дней

]}

Луна

Как и в случае Марса, ядро Луны полностью отвердело , но в её коре обнаружены следы остаточного магнетизма. Это может также говорить о ранее функционировавшем динамо, но также возможно, что это последствия метеоритных ударов .

Ганимед

Доказано, что это единственный спутник, внутри которого происходит активное динамо, как в Земле и Меркурии, вследствие конвективных потоков в жидком проводящем ядре (вероятно, оно осталось таким благодаря приливному разогреву из-за орбитального резонанса и гравитации Юпитера ). Ось его магнитного диполя направлена против магнитного момента Юпитера. Кроме того, Ганимед обладает и индуцированным полем, вызванным его движением в сильном магнитном поле Юпитера .

Другие спутники планет-гигантов

Ни один из остальных крупных спутников Солнечной системы не имеет сильного генерируемого внутренними источниками магнитного поля. На внутренних спутниках Юпитера наблюдается только индуцированное поле .

Юпитер и Сатурн

Планеты-гиганты не имеют ядер, состоящих преимущественно из железа, однако в ядрах Юпитера и Сатурна находится водород в жидкой металлической фазе . Быстрое вращение этих ядер приводит к запуску динамо , создающему сильное магнитное поле. Ось его диполя у Юпитера, как и у Земли, наклонена примерно на 10° относительно оси вращения , а у Сатурна практически совпадает с ней .

Уран и Нептун

Магнитные поля Урана и Нептуна , в отличие от всех остальных планет Солнечной системы, являются не дипольными , а квадрупольными , то есть они имеют по 2 северных и 2 южных полюса . В их ядрах проводниками тока являются ионы; в целом природа их полей до конца не ясна . Возможно, они формируются на относительно малых глубинах, например, в океане жидкого аммиака , в тонкой конвективной оболочке, окружающей жидкую внутреннюю часть, имеющую стабильную слоистую структуру .

См. также

Примечания

↑ Chris A. Jones. (англ.) // (англ.) ( . — Annual Reviews , 2011. — Vol. 43 . — P. 583—614 . 15 августа 2017 года.
Larmor, J. How could a rotating body such as the Sun become a magnet // Reports of the British Association. — 1919. — Т. 87 . — С. 159—160 .
Walter M. Elsasser. On the Origin of the Earth's Magnetic Field : [ англ. ] // Phys. Rev. . — 1939. — Т. 55, вып. 5 (1 March). — С. 489—498. — doi : .
E. C. Bullard. The Magnetic Field within the Earth : [ англ. ] // Proc. R. Soc. Lond. A. — 1949. — Т. 197, вып. 1051 (7 July). — С. 433—453. — doi : .
↑ D J Stevenson. : [ 16 августа 2017 ] // Reports on Progress in Physics. — 1983. — Т. 46, № 5. — С. 555. — doi : .
↑ от 21 декабря 2008 на Wayback Machine (англ.) — J. G. Luhmann and C. T. Russel, UCLA
Gold, Lauren. . Cornell University (3 мая 2007). Дата обращения: 7 апреля 2008. 22 мая 2012 года.
Christensen U. R. A deep dynamo generating Mercury's magnetic field (англ.) // Nature . — 2006. — Vol. 444 . — doi : . — . (Дата обращения: 12 июня 2011)
Francis Nimmo. : [ англ. ] : [ 1 октября 2018 ] // Geology. — 2002. — Т. 30, вып. 11 (November). — С. 987—990. — doi : .
Jim Brau. (англ.) . Course "Astronomy 121: Solar System" (Spring 2011) . University of Oregon (2011). Дата обращения: 15 августа 2017. 25 октября 2016 года.
Mian, Z.U. and Tozer, D.C. No water, no plate tectonics: convective heat transfer and the planetary surfaces of Venus and Earth : [ англ. ] // Terra Nova. — 1990. — Т. 2, вып. 5 (September). — С. 455—459. — doi : .
Xiang-Dong Li. (англ.) . School of astronomy and space science, Nanjing University. Дата обращения: 15 августа 2017. Архивировано из 13 ноября 2017 года.
Howard Falcon-Lang (2011-12-09). . BBC News (англ.) . из оригинала 15 августа 2017 . Дата обращения: 15 августа 2017 .
Acuna MH, Connerney JE, Ness NF, Lin RP, Mitchell D, Carlson CW, McFadden J, Anderson KA, Reme H, Mazelle C, Vignes D, Wasilewski P, Cloutier P. : [ англ. ] : [ 12 июля 2020 ] // Science . — 1999. — Т. 284, вып. 5415 (30 April). — С. 790—793. — doi : .
↑ Nigel Weiss. (англ.) // A&G. — 2002. — 1 June ( vol. 43 , iss. 3 ). — P. 3.9—3.14 . — doi : . 22 января 2022 года.
Valentine, Theresa; Amde, Lishan. . Mars Global Surveyor @ NASA (9 ноября 2006). Дата обращения: 17 июля 2009. 21 августа 2011 года.
Bland; Showman, A.P.; Tobie, G. (англ.) // Lunar and Planetary Society Conference : journal. — 2007. — March ( vol. 38 ). — P. 2020 . 27 марта 2009 года.
Kivelson, M.G.; Khurana, K.K.; Coroniti, F.V. et al. (англ.) // (англ.) ( : journal. — 1997. — Vol. 24 , no. 17 . — P. 2155—2158 . — doi : . — Bibcode : . 27 марта 2009 года.
Kivelson, M.G.; Khurana, K.K.; Coroniti, F.V. et al. (англ.) // Icarus : journal. — Elsevier , 2002. — Vol. 157 , no. 2 . — P. 507—522 . — doi : . — Bibcode : . 27 марта 2009 года.
Brainerd, Jim (2004-11-22). . The Astrophysics Spectator. из оригинала 12 июня 2020 . Дата обращения: 10 июня 2017 .
↑ Russell, C.T. (англ.) // (англ.) ( : journal. — 1993. — Vol. 56 . — P. 687—732 .
. Дата обращения: 10 ноября 2014. 4 марта 2016 года.
Ness, Norman F.; Acuna, Mario H.; Behannon, Kenneth W.; et al. (англ.) // Science. — 1986. — Vol. 233 . — P. 85—89 . 11 октября 2007 года.
Stanley, Sabine; Bloxham, Jeremy. (англ.) // Nature : journal. — 2004. — Vol. 428 . — P. 151—153 . — doi : . 7 августа 2007 года. . Дата обращения: 10 июня 2017. Архивировано из 7 августа 2007 года.

Литература

Григорьев В. И. . — М. : Физматлит , 2004. — 111 с. — ISBN 5-9221-0393-8 .
Ю.Н. Паркер. Космические магнитные поля // В мире науки (Scientific American). — 1983. — Октябрь. — С. 22-34.