Пара слов о плазме, ч. 9. Ветер в поле⁠⁠

Жизнь пресна, когда в ней нет конференций по физике плазмы и термоядерному синтезу.

Если ты физик-плазмист, конечно. Ни обсудить науку, ни послушать неожиданные комменты на свою работу, ни выпить вина на берегу Атлантики. А ещё не выйдет послушать доклады о плазме в космосе. Даже если ты никаким боком не относишься к астрофизике, там всегда интересно посмотреть на самые красивые картинки всей конференции.

Что-нибудь вот такого плана [1]:

Если что, на этой картинке — плотность тока в токовом слое при магнитном пересоединении. Что значат все эти слова, при чём тут астрофизика, ветер и поле — сейчас расскажу.

Большую часть времени Солнце — это такой большой постоянный магнит с северным полюсом с одной стороны, южным полюсом — с другой, и мелкой лохматостью в пятнах и вспышках. Вот так это выглядит на картинке, нарисованной по данным с телескопов [2]:

Или вот, схематичная картинка — без подробностей, как в учебнике физики. Большую часть времени поле такое, как в 2010 и 2017 годах [3]:

Фокусы начинаются, когда вспоминаешь, что Солнце крутится. И эти картинки в школьных учебниках уже не покажут (18+, safe for work).

Солнце ежесекундно выбрасывает пару мегатонн горячей плазмы. Горячая плазма привязана к магнитному полю — частицы могут скользить вдоль него, но почти не могут сдвинуться поперёк. Там, где в магнитном поле больше энергии, чем в заряженных частицах, плазма летит туда, куда её заставляет лететь магнитное поле. Так получаются корональные петли. Вот они [4]:

Но магнитное поле Солнца ослабевает с высотой, а плазма летит. В какой-то момент она отрывается, улетает и становится солнечным ветром, летящим со скоростью в несколько сотен километров в секунду. В нём давление плазмы больше давления магнитного поля, и уже поле летит туда, куда хочет плазма.

И вот плазма несёт к Земле магнитную силовую линию, привязанную к какой-то точке на Солнце. А Солнце за две недели уже повернулось противоположной стороной. В итоге ветер загибает силовые линии вот в такие спиральки [5]:

Но магнитное поле не может быть само по себе, для его существования нужны какие-то токи. Солнечная система оказывается здоровенной динамо-машиной. Эти токи разгоняются на границе между силовыми линиями, идущими от Солнца, и линиями, которые к нему возвращаются. Эта граница наклонена вместе с магнитными полюсами Солнца. Солнечный ветер запоминает этот наклон Солнца и уносит его с собой. А значит, если сейчас этот токовый слой сверху от Земли, то через две недели он окажется снизу. И вот так выглядит вся эта токовая спиралька размером во всю Солнечную систему, называемая спиралью Паркера [6]:

Сверху от токового слоя магнитное поле солнечного ветра направлено от Солнца и налетает на Землю, будучи направленным с юга на север. А через две недели, снизу от слоя — уже с севера на юг.

У Земли же магнитное поле не меняется, а значит, две недели в месяц солнечный ветер вмазывает в магнитосферу Земли магнитное поле, которое направлено не туда.

А значит, и здесь должна получиться динамо-машина, которая разгонит вокруг земли слой тока. Токовый слой разделит земные силовые линии, идущие с юга на север, и солнечные, идущие с севера на юг. Вот здесь он, обозначен крестиком, где магнитосфера Земли продавлена солнечным ветром [7]:

Слой тонок и неустойчив, ток в нём распадается на тонкие струйки и затухает. Именно это нарисовано на заглавной картинке. Ток затухает — силовые линии ветра и магнитосферы разрываются, и обрывок линии от Солнца перезамыкается на обрывок силовой линии Земли и улетает дальше. Силовые линии стремятся стать короче — тут их можно представить длинными резинками.

И вот эти огромные космические рогатки стреляют солнечным ветром над нашими головами.

По-моему, это просто красиво.

Ps. Если кто хочет увидеть одного из победителей конкурса на самое красивое плазменное видео с европейской конференции 2018 года — вот оно:

Иллюстрации взяты отсюда:

[1] https://phys.org/news/2015-06-mastering-magnetic-reconnectio...

[2] https://svs.gsfc.nasa.gov/12329

[3] https://insider.si.edu/2017/07/3d-simulations-reveals-sun-fl...

[4] https://www.sciencealert.com/physicists-have-measured-the-ce...

[5] http://old.inspirehep.net/record/1605710/plots

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Interplanetary_magnetic_field

[7] http://space.rice.edu/IMAGE/livefrom/sunearth.html