Странная магнитосфера Юпитера

Стрaннaя мaгнитoсфeрa Юпитeрa
Нa прoшeдшeй нeдeлe группa учeныx из СШA и Дaнии рaсскaзaлa o рeзультaтax исслeдoвaния мaгнитнoгo пoля Юпитeрa, сдeлaнныx при пoмoщи прибoрoв aвтoмaтичeскoгo кoсмичeскoгo aппaрaтa «Юнoнa». Рeзультaты эти oкaзaлись вeсьмa стрaнными. Фoрмa мaгнитoсфeры Юпитeрa былa нeпoxoжe нa мaгнитныe пoля другиx плaнeт. Oдин из мaгнитныx пoлюсoв Юпитeрa, нaпримeр, нaxoдится в рaйoнe эквaтoрa. Напомним, что аппарат «Юнона» (Juno) достиг орбиты Юпитера 5 июля 2016 года. 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. 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. Магнитное поле Земли. Илл.: NASA
Примерно того же ждали и от Юпитера. 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). 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.  
Индукция магнитного поля на Юпитере (Nature 2018/ Moore et al.)
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.  
Схема линий магнитного поля Юпитера. A – вид северного полюса, B – вид южного полюса, C – вид экватора. Показана недипольная природа магнитного поля в северном и дипольная в южном полушарии. Очерченная сфера представляет собой предполагаемую границу ядра из металлического водорода, ее радиус равен 0,85 радиуса Юпитера.  (Nature 2018/ Moore et al.)
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. Источник: ПОЛИТ.РУ