Аврора Бореаліс: Заряжені частинки в магнітосфері Землі

Магніт, вітер і завіса світла

Земля – це магніт, обгорнутий бульбашкою плазми, яка називається магнетизоною. Сонце постійно випускає потік протонів та електронів назовні – сонячний вітер, зі швидкістю від 300 до 800 км/с, і коли цей вітер досягає Землі, він не може просто пройти крізь планету. Замість цього поле відхиляє більшу частину його, стискаючи денну магнетизону приблизно до 10 земних радіусів та тягнучи нічну в довгу магнетохвост. Аврора виникає тоді, коли частина цього плазми сонячного вітру просочується все ж таки, прискорюється і падає вниз вздовж ліній магнітного поля в верхню атмосферу поблизу полюсів.

Частинка, яка завдає найбільшої шкоди, зазвичай електрон з енергією декілька кВ. Коли він спіралевидно опускається вздовж лінії магнітного поля та стикається з тонким повітрям на висоті 100-300 км, він зіштовхується з атомами кисню та азоту, відриваючи їхні електрони в збудженому стані. Коли ці атоми повертаються до свого нормального стану, вони випромінюють фотон із довжиною хвилі, яка залежить від їх енергетичних рівнів – зелений від атомного кисню приблизно на 557,7 нм, червоний від кисню на більшій висоті близько 630,0 нм та блакитно-фіолетовий від іонізованого азоту. Різні висоти мають різні суміші газів та щільності, тому один авроральний завіс може змінювати колір від зеленого внизу до червоного у верхній частині.

Сила Лоренца та чому частинки спіраються

Рівняння, яке керує кожною частинкою в симуляції, є силою Лоренца: заряджена частинка відчуває силу, пропорційну її заряду, електричному полю та перетичному добутку швидкості та магнітного поля.

F = q(E + v × B) Для майже незмінного дипольного магнітного поля (E ≈ 0 далеко від Землі): F = q v × B Оскільки магнітна складова сили завжди перпендикулярна швидкості, вона ніколи не прискорює частинку чи не сповільнює її – лише повертає. В результаті відбувається спіральний рух: заряджена частинка обертається навколо лінії поля на частоту циклотрона ω = qB/m, прокладаючи косу гілку, вісь якої слідує за лінією поля.

F = q(E + v × B)

For a nearly-static dipole field (E ≈ 0 far from Earth):
F = q v × B

Від хвоста до полю: прискорення та випадіння

Більшість щойно натрапляючих сонячних частинок не досягають атмосфери безпосередньо – земне поле відносно добре захищає. Голоари живиться переважно частинками, які збуджуються всередині магнітосфери, зокрема в хвості магнітосфери, де розтягнуті силові лінії накопичують енергію сонячного вітру, подібно до гальсу. Під час субторна ця накопичена магнітна енергія вивільняється протягом кількох хвилин у процесі з’єднання: протилежно направлені силові лінії з обох боків нейтрального перетину хвоста роз’єднуються та переконфігуруються, відштовхуючи плазму як назовні, так і в напрямку Землі. Електрони, що рухаються до Землі, додатково прискорюються силовими лініями, близькими до полюса, і зрештою відбиваються або випадають в іоносферу, збуджуючи газ, який світиться у вигляді гола́р.

Під час спірального руху частинок всередину вздовж силової лінії вони також збігаються – силові лінії стискаються біля полюсів, а заряджена частинка, що рухається в область збільшуваного магнітного поля, відчуває силу, яка відштовхує її назад, яка називається ефектом магнітного дзеркала. Частинки, кут нахилу (кут між швидкістю та силовою лінією) яких занадто малий, не піддаються цьому дзеркальному ефекту і втрачаються в атмосфері; цей кутовий списаний простір – це саме населення, яке освітлює небо.

Авроральний овал и индекс Kp

Оскільки лінії натягу магнітного поля, що з'єднуються із хвостовою частиною, зосереджені навколо геомагнітних полю, аврора утворює приблизно овальний пояс на відстані 15-25 градусів від кожного геомагнітного полюса, а не випадкове розсіювання. Геомагнітна активність відстежується за допомогою індексу Kp – шкали від 0 до 9, побудованої на основі наземних магнітометрів по всьому світу, яка вимірює ступінь збуреності земного поля протягом 3-годинного вікна. Тихе значення Kp від 1 до 2 утримує пояс щільно навколо полюсів і видно переважно з арктичних широт; штормове значення Kp від 7 до 9, зазвичай викликане ударом корональної маси в магноторосу, розширює та освітлює пояс до такої міри, що він стає видимим із середніх широт.

Kp – типова межа орального поясу (геомагнітна широта) 0-2 ~66-70°N — лише Арктичний коло (Арктика) 3-4 ~62-65°N — північна Скандинавія, Аляска, Канада 5-6 ~55-58°N — Шотландія, південна Канада, Північний США 7-9 ~45-50°N — середземномор'я, північні штати США Однакові фізичні закони діють у зворотному напрямку на південному полюсі, де спостерігається аврора австраліс, віддзеркалюючись через екваторіальну площину, оскільки лінії натягу магнітного поля, що з'єднують обидва півкулі, несуть однакову кількість частинок по кожному кінці.

Kp   typical oval edge (geomagnetic latitude)
0-2  ~66-70°N   — Arctic Circle only
3-4  ~62-65°N   — northern Scandinavia, Alaska, Canada
5-6  ~55-58°N   — Scotland, southern Canada, northern US
7-9  ~45-50°N   — mid-latitude Europe, northern US states

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Aurora Borealis і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.