09.12.2018

Странная магнитосфера Юпитера

На прошедшей неделе группа ученых из США и Дании рассказала о результатах исследования магнитного поля Юпитера, сделанных при помощи приборов автоматического космического аппарата «Юнона». Результаты эти оказались весьма странными. Форма магнитосферы Юпитера была непохоже на магнитные поля других планет. Один из магнитных полюсов Юпитера, например, находится в районе экватора.

Напомним, что аппарат «Юнона» (Juno) достиг орбиты Юпитера 5 июля 2016 года. Теперь она обращается вокруг планеты по орбите, проходящей над обоими полюсами, делая один оборот за 53 дня. Среди установленных на «Юноне» приборов есть магнитометр. Нынешнее исследование основано на данных, собранных «Юноной» за первые восемь оборотов. Но прежде, чем рассказать о полученных результатах, напомним, как современная физика объясняет наличие магнитосфер у небесных тел.

То, что Земля – магнит, было замечено давно. Это сделал на рубеже XVI-XVII веков англичанин Уильям Гильберт. Но объяснить природу земной магнитосферы не могли довольно долго. Предлагались разные объяснения. Например, Эйнштейн полагал, что возникновение магнитного поля Земли связано с асимметрией зарядов протона и электрона, а другой знаменитый физик Патрик Блэкетт пытался экспериментально выявить связь между угловым моментом вращения Земли и магнитным моментом земной магнитосферы. Долго предполагали, что все дело в том, что материалы земного ядра представляют собой постоянный магнит. Но, в конце концов, признание получила теория магнитного динамо, или динамо-эффекта, согласно которой магнитное поле поддерживается процессами конвекции в электропроводящей жидкости. Любопытно, что впервые предложивший эту теорию в 1919 году британский физик Джозеф Лармор пытался с помощью нее объяснить возникновение магнитного поля не Земли, а Солнца. Решающий вклад в создание теории магнитного динамо сделал американский физик немецкого происхождения Вальтер Эльзассер.

Расскажем об этом механизме чуть подробнее. Магнитное поле Земли порождается жидкой фазой земного ядра. Ядро, состоящее в основном из сплавов железа и никеля, начинается примерно на полпути от поверхности земного шара к его центру. В самом центре находится твердая часть ядра при температуре 6000 кельвинов, а между ней и мантией – жидкая часть ядра. Температура на границе жидкой части и мантии уже ниже, «всего» 3800 кельвинов. Движения электропроводящей жидкости, которой и является наружная часть ядра, порождают магнитное поле Земли. Движения в ней складываются из двух составляющих. Во-первых, это конвекция жидкости, происходящая из-за разности температур на границе с твердой частью ядра и на границе с мантией. Жидкость нагревается на границе с твердой фазой ядра, поднимается вверх, к мантии, там остывает и опускается вниз. Вторая составляющая движения в жидкой фазе ядра – сила Кориолиса, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси.

В своем движении проводящая жидкость, из которой состоит земное ядро, формирует петли. Теорема о циркуляции магнитного поля (четвертое уравнение Максвелла) показывает, что такие петли электрического тока порождают магнитное поле. Изменения этого магнитного поля по закону индукции Фарадея (третье уравнение Максвелла) порождают электрическое поле. Эти электрическое и магнитное поля совместно действуют на частицы (электрическое – на любые, магнитное – только на движущиеся) силой Лоренца, ускоряя по второму закону Ньютона их движение, и возникает петля положительной обратной связи. Все эти взаимоотношения можно описать с помощью дифференциального уравнения в частных производных, что и составляет основу теории магнитного динамо, объясняющей существование магнитосфер у Земли и других планет Солнечной системы, а также у самого Солнца (только у Солнца роль проводящей жидкости играет ионизированный газ). Поскольку в Венеры нет собственного магнитного поля, то, в соответствии с данной теорией, предполагается, что в недрах Венеры не происходит конвекции жидкой составляющей ядра.

Магнитосферы планет испытывают постоянное давление солнечного ветра – потока частиц, испускаемых Солнцем. Поэтому они сжаты с обращенной к Солнцу стороны, а с противоположной вытянуты в так называемый «магнитный хвост». Если пренебречь воздействием солнечного ветра, ожидается, что магнитные поля будут иметь более или менее симметричную форму. Например, в первом приближение магнитосфера Земли соответствует полю магнитного стержня, направленного приблизительно по линии север – юг и отклоненного от оси вращения Земли примерно на 11 градусов.

Примерно того же ждали и от Юпитера. Конечно, уже были известны важные отличия его магнитосферы от земной. Например, что Земли в роли электропроводящей жидкости в ядре выступает в основном железо, а ядро Юпитера состоит, вероятно, из жидкого металлического водорода. Но это не меняет принцип динамо-эффекта. Знали ученые, и что на магнитосферу Юпитера влияет взаимодействие с магнитосферой его спутника Ганимеда (у него есть собственное магнитное поле). Но нынешние данные предсказать никто бы не смог.

Линии напряженности магнитного поля Юпитера пересекают условную границу поверхности планеты в северном полушарии, но не возвращаются во внутреннюю часть планеты симметрично на юге, как это происходит на Земле. Южных магнитных полюсов у Юпитера оказалось два, причем один из них расположен у экватора. Поскольку традиционно области южного магнитного полюса на карта обозначаются синим цветом, этот район у экватора ученые назвали Большим синим пятном (Great Blue Spot).

Более того, само магнитное поле распределено между его полушариями неравномерно. Если магнитное поле Земли, как уже говорилось, можно в первом приближении представить как поле магнитного стержня, то магнитосфера Юпитера соответствует магнитному стержню, изогнутому под прямым углом и имеющему дополнительные деформации на концах.

Специалист по планетарному магнетизму из Гарвардского университета Кимберли Мур (Kimberly M. Moore) и ее коллеги в статье, опубликованной журналом Nature, выдвигают предположения о том, что бы могло объяснить столь необычный вид магнитосферы Юпитера. Если внешняя часть земного ядра, порождающая магнитосферу Земли, действует как единое динамо, то ядро Юпитера, по мнению ученых, может иметь более сложную структуру. В ней может быть более одного слоя электропроводящей жидкости, и в каждом из этих слоев существует конвекция и действует сила Кориолиса. Поэтому магнитное поле Юпитера представляет собой суммарный итог их воздействий.

Также, возможно, в формировании магнитного поля Юпитера играют роль атмосферные явления: стойкие сильные ветра и дожди из жидкого гелия. Так как у Юпитера нет твердой поверхности, они способны воздействовать на его жидкое ядро.

Ученые рассчитывают, что дальнейшая работа «Юноны» обеспечит их новой информацией и поможет построить более точную модель магнитного поля Юпитера.

Максим Руссо

Источники:

1. polit.ru