자기권 입자 운동
Magnetosphere particle motion |
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지구의 자기장과 상호작용하는 플라즈마의 이온과 전자는 일반적으로 자기장 선을 따릅니다.이는 어떤 지점에서든 북극이 경험할 수 있는 힘을 나타낸다. (덴서선은 더 강한 힘을 나타낸다.)플라스마는 자기유체역학의 일부로 연구된 보다 복잡한 2차 행동을 보인다.
따라서 자기권의 "닫힌" 모델에서는 자기권과 태양풍 사이의 자기권계면 경계가 필드 라인에 의해 윤곽이 드러난다.그렇게 단단한 [1]경계를 넘을 수 있는 플라즈마는 많지 않다.이것의 유일한 "약점"은 두 극점, 즉 정오(-z축 GSM)에 닫히는 필드 라인과 자정(+z축 GSM)에 닫히는 필드 라인이 분리되는 지점입니다. 이러한 지점에서는 경계에서의 필드 강도가 0이 되어 플라즈마 진입에 장애가 되지 않습니다.(이 간단한 정의는 대칭의 정오-자정 평면을 가정하지만, 그러한 대칭이 없는 닫힌 필드도 고정점 정리에 의해 꼭 접점을 가져야 한다.)
실제 자기권에 들어가는 태양풍 에너지와 플라즈마의 양은 그러한 "닫힌" 구성에서 얼마나 멀리 떨어져 있는가에 따라 달라진다. 즉, 행성간 자기장 선이 경계를 넘어가는 정도에 따라 달라진다.아래에서 더 자세히 설명하듯이, 이 정도는 행성간 자기장의 방향, 특히 남쪽 또는 북쪽의 기울기에 따라 크게 달라진다.
예를 들어 링 전류의 플라즈마 트랩도 필드 라인의 구조를 따릅니다.이 B장과 상호작용하는 입자는 자기권의 많은 입자 운동을 담당하는 로렌츠 힘을 경험합니다.또한 버켈랜드 전류와 열 흐름도 이러한 선에 의해 채널링됩니다. 따라서 쉽게 수직 방향으로 차단됩니다.실제로, 자기권의 자기장 선은 나무 통나무에 있는[citation needed] 곡물에 비유되어 왔는데, 이것은 쉽게 무너지는 "쉬운" 방향을 정의합니다.
하전 입자의 움직임
가장 간단한 자기장 B는 직선 평행 자기장 라인과 일정한 자기장 강도입니다.이러한 필드에서는 이온 또는 전자가 필드 라인에 수직으로 들어가면 원형으로 움직이는 것을 나타낼 수 있습니다(원 위를 덮고 있는 영역에서만 필드가 일정하면 됩니다).q가 입자의 전하, m 질량, v 속도, R이g 원의 반지름("회전 반지름")인 경우 구심력2 mvg/R이 자력 qvB와 동일해야 함을 알 수 있습니다.손에 넣다
Rg = mv/(qB)
입자의 초기 속도가 다른 방향일 경우, B에 수직인⊥ 성분과 B에 평행한 성분// v로 분해하여 상기 식 중 v를 v로⊥ 치환하면 된다.
만약⊥ W=m⊥2 v/2가 전자 입자의 수직 운동과 관련된 에너지라면(여기서 모든 계산은 비동반적), B nT(나노테슬라)의 장에서, Rg(km)은 다음과 같다.
양성자g R = (144/B) µW의⊥ 경우
전자g R = (3.37/B) µW⊥
자기장// v에 평행한 속도는 자기장이 영향을 미치지 않는다. 왜냐하면 그 방향에는 자력이 존재하지 않기 때문이다.이 속도는 필드만큼 일정하게 유지되며, 두 모션을 합하면 중심 가이드 필드 선 주위에 나선형이 나타납니다.필드가 커브되거나 변경되면 모션이 수정되지만 중앙 필드 선 주위를 나선형으로 도는 일반적인 특성이 지속되므로 "가이드 중심 모션"[citation needed]이라는 이름이 붙습니다.
자력은 속도에 수직이기 때문에 작업을 수행하거나 에너지를 필요로 하지 않습니다. 또한 자력이 속도를 제공하지도 않습니다.따라서 (지구와 같은) 자기장은 입자 운동에 큰 영향을 미칠 수 있지만,[citation needed] 그 효과를 유지하기 위해 에너지 입력이 필요하지 않습니다.
자기 미러링 및 자기 드리프트
필드 라인 사이의 간격은 자기장의 상대적 강도를 나타내는 지표입니다.자기장 선이 모이는 곳에서는 자기장이 더 강해지고, 흩어지는 곳에서는 더 약해집니다.
이제, 회전하는 입자의 움직임에서 "모멘트" μ⊥ = W/B(또는 상대론적으로⊥2 p/2mµB)는 거의 일정하게 유지된다는 것을 보여줄 수 있다."매우 가까운" 한정자는 그것을 에너지와 같은 진정한 운동 상수와 구별하여, 그것을 단지 "단열 불변량"으로 줄인다.자기권의 플라즈마 대부분은 항상성으로부터의 편차는 무시할 [citation needed]수 있습니다.
μ의 보존은 (실험실 플라스마뿐만 아니라 우주에서도) 매우 중요하다.나선형 경로의 축인 입자를 안내하는 필드 선이 수렴하는 선 다발에 속한다고 가정하여 입자가 점점 더 큰 B로 유도됩니다.μ를 일정하게 유지하려면 W도⊥ [citation needed]커야 합니다.
그러나 앞에서 설명한 바와 같이 "순수 자기장"에서 입자의 총 에너지는 일정하게 유지됩니다.따라서 발생하는 일은 에너지가 평행 운동// v와 관련된 부분에서 수직 부분으로 변환되는 것입니다.v가 감소하면// v와 B 사이의 각도는 90°에 이를 때까지 증가합니다.이 시점에서⊥ W는 사용 가능한 모든 에너지를 포함하므로 더 이상 성장할 수 없으며 더 이상 더 강한 분야로 진출할 [citation needed]수 없습니다.
그 결과를 자기 미러링이라고 합니다.입자는 가이드 필드 라인에 수직으로 잠시 회전한 후 더 약한 장으로 후퇴합니다. 이 과정에서 나선형이 다시 풀립니다.이러한 움직임은 앙리 푸앵카레가 1895년에 자기 모노폴의 장에서 하전 입자에 대해 처음 도출한 것이며, 그 장선은 모두 직선이고 한 점으로 수렴한다.μ의 보존은 약 50년 후에 Alfvén에 의해서만 지적되었고, 단열 불변성과의 연결은 그 이후에 이루어졌다.
자기 미러링은 방사선 벨트와 링 전류에 있는 입자의 지구 근처의 쌍극자 같은 필드 라인에서의 "트랩"을 가능하게 한다.이 모든 선에서 이 장은 적도면을 통과할 때의 강도에 비해 지구 근처의 끝부분에서 훨씬 더 강합니다.그러한 입자가 그 영역의 적도 영역에 있다고 가정하면, 대부분은 갇힌 채로 있습니다. 왜냐하면 필드 선을 따라 움직이는 입자가 강한 영역 안으로 들어올 때마다, 그것들은 "반사"되어 반구 사이를 왔다 갔다 하기 때문입니다.운동량이 0μ에 가까운 필드 라인에 매우 평행한 입자만 미러링을 피하며, 이러한 입자는 대기에 빠르게 흡수되어 손실됩니다.이러한 손실은 입자가 없는 필드 라인 주위에 방향 다발을 남깁니다. 즉, "손실 원뿔"[citation needed]입니다.
포획된 입자는 가이드 필드 라인 주위를 회전하고 미러 포인트 사이를 왔다 갔다 할 뿐만 아니라, 가이드 필드 라인을 바꾸지만 거의 동일한 거리에 머무르며 지구 주위를 천천히 표류합니다(또 다른 단열 불변량인 "제2 불변량").이 동작은 앞서 링 전류와 관련하여 언급되었습니다.
드리프트의 한 가지 이유는 지구에 가까워질수록 B의 강도가 증가하기 때문이다.따라서 유도장선 주위의 회전은 완벽한 원이 아니라 지구에 가까운 쪽에서 조금 더 촘촘하게 휘어져 있으며, B가 클수록 R이 작아집니다g.이 곡률의 변화는 이온을 옆으로 움직이게 하고 반대로 회전하는 전자는 반대 방향으로 옆으로 움직이게 합니다.이미 언급한 바와 같이 최종 결과는 링 전류를 생성하지만, (플라즈마 밀도의 불균일한 분포와 같은) 추가 효과도 [citation needed]결과에 영향을 미친다.
플라즈마 분수
1980년대에 지구의 [citation needed]북극에서 수소, 헬륨, 산소 이온으로 이루어진 "플라즈마 분수"가 발견되었다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ Piddington, J. H. (1979). "The Closed Model of the Earth's Magnetosphere". Journal of Geophysical Research. 84 (A1): 93–100. Bibcode:1979JGR....84...93P. doi:10.1029/ja084ia01p00093.
- ^ 플라즈마 분수 소스, 보도 자료:태양풍이 지구 대기의 일부를 우주로 밀어내다
