Плазмосфера

Плазмосфера — это внутренняя область магнитосферы Земли, расположенная над ионосферой, которая заполнена холодной (с низкой тепловой энергией) плазмой ионосферного происхождения. Плазмосфера представляет собой тороидальную (пончикообразную) область, простирающуюся от верхней границы ионосферы (на высотах около 1000 км) до внешней границы, называемой плазмопаузой. Характерной особенностью плазмосферы является то, что плазма в ней вращается вместе с Землёй, следуя линиям геомагнитного поля, в отличие от более разреженной и горячей плазмы внешней магнитосферы.

История открытия и изучения

Существование области с повышенной плотностью заряженных частиц вокруг Земли было предсказано теоретически ещё в начале XX века, однако экспериментальное подтверждение было получено только с началом космической эры. В 1959 году советский учёный И. С. Шкловский, анализируя данные о свечении ночного неба, предположил наличие протяжённой газовой оболочки из водорода. Первые прямые измерения плазмы в околоземном пространстве были выполнены в 1960-х годах с помощью советских космических аппаратов серии «Луна» и американских спутников «Эксплорер». Термин «плазмосфера» был введён в научный обиход в 1963 году американским геофизиком Дональдом Карпентером, который на основе анализа свистящих атмосфериков (электромагнитных волн очень низкой частоты) выявил резкое падение плотности плазмы на определённом расстоянии от Земли — границу, получившую название плазмопаузы.

Дальнейшее изучение плазмосферы проводилось с помощью спутников серии «Интербол», «IMAGE» (Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration), а также российских спутников «Чибис-М» и «Вернов». Современные исследования активно используют данные глобальных навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС) для томографического зондирования плазмосферы, а также наблюдения с борта Международной космической станции.

Строение и границы

Плазмопауза

Внешняя граница плазмосферы называется плазмопаузой. Она представляет собой резкий переход (скачок плотности в 10–100 раз) между плотной, вращающейся вместе с Землёй плазмосферой и разреженной, горячей плазмой внешней магнитосферы. Положение плазмопаузы нестабильно и зависит от уровня геомагнитной активности. В спокойных условиях она находится на расстоянии 4–6 радиусов Земли (R₃) от центра планеты (примерно 25 000–38 000 км). Во время магнитных бурь под воздействием усиленного солнечного ветра плазмопауза смещается ближе к Земле, иногда до 2–3 R₃, а её форма становится асимметричной.

Внутренняя структура

Внутри плазмосферы плотность плазмы убывает с высотой, но остаётся значительно выше, чем за её пределами. На высотах 1000–2000 км плотность электронов может достигать 10⁴–10⁵ см⁻³, а на высоте плазмопаузы падает до 10–100 см⁻³. Плазмосфера не является однородной: в ней наблюдаются области повышенной плотности (плазмосферные отростки или «хоботы»), которые вытягиваются вдоль линий магнитного поля, а также области пониженной плотности (плазмосферные полости), образующиеся в результате нестационарных процессов.

Состав плазмы

Основным компонентом плазмосферы является холодная водородная плазма, состоящая из протонов (H⁺) и электронов. В меньших количествах присутствуют ионы гелия (He⁺) и кислорода (O⁺). Температура плазмы в плазмосфере относительно низкая — от нескольких тысяч до десятков тысяч кельвинов, что значительно ниже температуры плазмы в плазменном слое магнитосферы (миллионы кельвинов). Ионы в плазмосфере имеют низкую тепловую энергию (менее 1 эВ), что и определяет её название как «холодной» плазменной области.

Физические процессы

Вращение и со-вращение

Ключевой особенностью плазмосферы является её со-вращение с Землёй. Плазма, захваченная силовыми линиями геомагнитного поля, движется вместе с ними, совершая один оборот вокруг оси планеты за 24 часа. Это коренное отличие от внешней магнитосферы, где плазма движется под действием магнитосферной конвекции, вызванной солнечным ветром. Скорость со-вращения на высоте плазмопаузы составляет несколько километров в секунду.

Взаимодействие с ионосферой

Плазмосфера и ионосфера образуют единую систему, связанную потоками заряженных частиц вдоль магнитных силовых линий (диффузионное равновесие). В дневное время под действием солнечного ультрафиолетового излучения в ионосфере образуются ионы, которые поднимаются вверх, пополняя плазмосферу. Ночью, напротив, происходит обратный поток — плазма из плазмосферы стекает вниз, поддерживая ночную ионосферу. Этот процесс называется плазмосферным заполнением и опустошением.

Волновые явления

Плазмосфера является средой для распространения различных типов электромагнитных волн. Наиболее известны свистящие атмосферики (whistlers) — низкочастотные радиосигналы, возникающие при разрядах молний. Распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля через плазмосферу, они испытывают дисперсию, что позволяет по их характеристикам определять плотность плазмы и положение плазмопаузы. Также в плазмосфере наблюдаются хоровые излучения (chorus) и шипения (hiss), которые играют важную роль в ускорении и высыпании радиационных поясов.

Роль в магнитосферных процессах

Плазмосфера оказывает существенное влияние на динамику радиационных поясов Земли (поясов Ван Аллена). Взаимодействие волн, генерируемых в плазмосфере, с энергичными частицами радиационных поясов приводит к их рассеянию и высыпанию в атмосферу, что является одним из механизмов потерь частиц из поясов. В периоды магнитных бурь плазмосфера может «отрываться» от Земли, образуя так называемые плазмосферные плюмы — вытянутые структуры, которые дрейфуют в сторону дневной стороны магнитосферы и могут взаимодействовать с магнитослойным плазменным слоем.

Исследования и практическое значение

Изучение плазмосферы важно для понимания космической погоды — состояния околоземного космического пространства, влияющего на работу спутников, радиосвязь и навигационные системы. Плазмосфера является естественным зондом для исследования магнитосферы: изменения её плотности и формы служат индикаторами геомагнитной активности. В настоящее время данные о плазмосфере используются для уточнения моделей распространения радиоволн и прогнозирования ионосферных возмущений.

Современные российские исследования в этой области проводятся в Институте космических исследований РАН, Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) и других научных организациях. В 2021 году на орбиту был запущен российский спутник «Ионосфера-М» для мониторинга ионосферы и плазмосферы.

Интересные факты

• Объём плазмосферы оценивается примерно в 10²⁹ см³, а общая масса содержащейся в ней плазмы составляет около 1–2 килограммов.
• Внешняя граница плазмосферы (плазмопауза) не является сферической: на ночной стороне Земли она обычно расположена дальше, чем на дневной, из-за давления солнечного ветра.
• Во время сильных геомагнитных бурь плазмосфера может полностью «сдуваться» солнечным ветром, а затем восстанавливаться в течение нескольких дней.
• Аналогичные плазмосферы существуют и у других планет, обладающих магнитным полем, например у Юпитера и Сатурна, однако их размеры и свойства значительно отличаются из-за наличия мощных внутренних источников плазмы (вулканизм на Ио, кольца).

Источники

• Карпентер Д. Л. О новой области магнитосферы — плазмосфере. — Геофизические исследования, 1963.
• Шкловский И. С. Физика солнечной короны. — М.: Физматгиз, 1962.
• Лайонс Л. Р., Уильямс Д. Дж. Физика магнитосферы. — М.: Мир, 1987.
• Тверской Б. А. Основы теоретической космофизики. — М.: УРСС, 2004.
• Данные спутниковых миссий IMAGE, Cluster, «Интербол», «Чибис-М».
• Материалы Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) и ИЗМИРАН.