L-skořápka - L-shell

Tento článek je o planetárních magnetických siločarách. Pro druhou elektronovou skořápku v atomu viz elektronový obal.
Graf znázorňující siločáry (které by ve třech rozměrech popisovaly „skořápky“) pro hodnoty L 1,5, 2, 3, 4 a 5 pomocí dipólový model magnetického pole Země

The L-skořápka, Hodnota L.nebo McIlwainův L-parametr (po Carl E. McIlwain ) je parametr popisující konkrétní sadu planet čáry magnetického pole. Hovorově L-hodnota často popisuje množinu čáry magnetického pole které překračují Zemi magnetický rovník na řadě Poloměry Země rovná se hodnotě L. Například, ""popisuje soubor Zemské magnetické pole čáry, které procházejí magnetickým rovníkem Země dvěma poloměry Země od středu Země. Parametry skořepiny L mohou také popisovat magnetická pole jiných planet. V takových případech je parametr renormalizován pro model poloměru a magnetického pole dané planety.[1]

I když je hodnota L formálně definována z hlediska skutečného okamžitého magnetického pole Země (nebo podobného modelu vyššího řádu) IGRF ), často se používá k poskytnutí obecného obrazu magnetických jevů v blízkosti Země, v takovém případě je lze aproximovat pomocí dipólový model magnetického pole Země.

Pohyby nabitých částic v dipólovém poli

Mapa umístění siločár L-pláště na povrchu Země. Skutečné pozemské pole je přibližně dipolární, ale nevyrovnané s osou otáčení a kompenzuje několik set km ve směru opačném k Anomálie v jižním Atlantiku.

Pohyby nízkoenergetických nabitých částic v magnetickém poli Země (nebo v jakémkoli téměř dipolárním magnetickém poli) lze užitečně popsat pomocí McIlwainova (B, L) souřadnice, z nichž první, B je pouze velikost (nebo délka) vektoru magnetického pole.[2]Tento popis je nejcennější, když gyroradius orbity nabitých částic je malá ve srovnání s prostorovým měřítkem pro změny v poli. Potom nabitá částice bude v podstatě následovat spirálovitou cestu obíhající kolem místní siločáry. V místním souřadnicovém systému {x, y, z} kde z je podél pole, příčný pohyb bude téměř kruh, obíhající kolem "naváděcí centrum ", to je střed oběžné dráhy nebo místní B linie, s gyroradiem a frekvenční charakteristikou pohybu cyklotronu pro sílu pole, zatímco současný pohyb podél z bude téměř rovnoměrnou rychlostí, protože složka Lorentzova síla podél siločáry je nula.

Na další úrovni přiblížení, když částice obíhá a pohybuje se podél siločáry, podél které se pole pomalu mění, se mění poloměr oběžné dráhy tak, aby magnetický tok uzavřený orbitální konstantou. Protože Lorentzova síla je striktně kolmá na rychlost, nemůže měnit energii pohybující se nabité částice. Kinetická energie částice tedy zůstává konstantní. Pak také musí být jeho rychlost konstantní. Pak lze ukázat, že rychlost částice rovnoběžná s místním polem se musí snižovat, pokud se pole zvyšuje podél svého z pohyb a zvyšování, pokud se pole zmenšuje, zatímco složky rychlosti příčné k poli se zvyšují nebo snižují tak, aby se udržovala konstantní velikost celkové rychlosti. Úspora energie brání příčné rychlosti v růstu bez omezení a nakonec se podélná složka rychlosti stane nulovou, zatímco úhel stoupání částice vzhledem k polní čáře se změní na 90 °. Poté se podélný pohyb zastaví a obrátí a částice se odráží zpět do oblastí slabšího pole, přičemž vodicí střed nyní sleduje svůj předchozí pohyb podél siločáry, přičemž příčná rychlost částice klesá a její podélná rychlost se zvyšuje.[3]

V (přibližně) dipólovém poli Země je velikost pole největší v blízkosti magnetických pólů a nejméně v blízkosti magnetického rovníku. Poté, co částice překročí rovník, znovu narazí na oblasti rostoucího pole, dokud se znovu nezastaví na magnetický zrcadlový bod, na opačné straně rovníku. Výsledkem je to, že když částice obíhá kolem ní naváděcí centrum na polní čáře se skáče tam a zpět mezi severním zrcadlovým bodem a jižním zrcadlovým bodem a zůstává přibližně na stejné polní čáře. Částice je proto nekonečně uvězněna a nemůže uniknout z oblasti Země. Částice s příliš malými úhly stoupání mohou narazit na vrchol atmosféry, pokud se nezrcadlí dříve, než se jejich siločára dostane příliš blízko k Zemi, v takovém případě budou nakonec rozptýleny atomy ve vzduchu, ztratí energii a budou ztraceny z pásů.[4]

Avšak pro částice, které se zrcadlí v bezpečných nadmořských výškách (v ještě další úrovni aproximace) skutečnost, že pole se obecně zvyšuje směrem ke středu Země, znamená, že zakřivení na straně oběžné dráhy nejblíže Zemi je o něco větší než na opačnou stranu, takže oběžná dráha má mírně nekruhový tvar s (prolát) cykloidní tvar a střed vedení se pomalu pohybuje kolmo jak na siločáru, tak na radiální směr. Vedoucí střed cyklotronové oběžné dráhy, místo aby se pohyboval přesně podél siločáry, se tedy pomalu vznáší na východ nebo na západ (v závislosti na znaménku náboje částice) a lokální siločára spojující oba zrcadlové body v každém okamžiku, pomalu zametá povrch spojující je, jak se pohybuje v zeměpisné délce. Nakonec bude částice zcela driftovat kolem Země a povrch bude uzavřen sám před sebou. Tyto driftové povrchy, vnořené jako kůže cibule, jsou povrchy konstantní L v souřadnicovém systému McIlwain. Platí nejen pro dokonalé dipólové pole, ale také pro pole, která jsou přibližně dipolární. U dané částice, pokud je zapojena pouze Lorentzova síla, B a L zůstávají konstantní a částice mohou být zachyceny neomezeně dlouho. Použití (B, L) souřadnice nám poskytuje způsob mapování skutečného, ​​nedipolárního pozemského nebo planetárního pole do souřadnic, které se chovají v podstatě jako ty dokonalého dipólu. The L parametr je tradičně označen v poloměrech Země, v bodě, kde skořepina prochází magnetickým rovníkem, ekvivalentního dipólu. B se měří v gauss.

Rovnice pro L v dipólovém magnetickém poli

V modelu se středovým dipólovým magnetickým polem lze popsat dráhu podél dané L skořápky[5]

kde je radiální vzdálenost (v planetárních poloměrech) k bodu na přímce, je jeho geomagnetická šířka, a je L-shell zájmu.

L-granáty na Zemi

Pro Zemi L-granáty jednoznačně definují oblasti zvláštního geofyzikálního zájmu. Určité fyzické jevy se vyskytují v ionosféra a magnetosféra na charakteristických L-skořápkách. Například, aurorální světelné displeje jsou nejčastější kolem L = 6, mohou dosáhnout L = 4 během mírných poruch a během nejtěžších geomagnetické bouře, může se blížit k L = 2. The Van Allenovy radiační pásy zhruba odpovídá L = 1,5-2,5 a L = 4-6. The plasmapause je obvykle kolem L = 5.

L-granáty na Jupiteru

The Jovianské magnetické pole je nejsilnější planetární pole ve sluneční soustavě. Jeho magnetické pole zachycuje elektrony s energiemi vyššími než 500 MeV [6] Charakteristické L-skořápky jsou L = 6, kde distribuce elektronů prochází značným vytvrzením (nárůst energie), a L = 20-50, kde energie elektronů klesá na VHF režim a magnetosféra nakonec ustupuje slunečnímu větru. Jupiterovy zachycené elektrony obsahují tolik energie, a proto snadněji difundují přes L-skořápky než zachycené elektrony v magnetickém poli Země. Jedním z důsledků toho je kontinuálnější a plynule se měnící rádiové spektrum emitované zachycenými elektrony gyro-rezonance.

Viz také

Reference

  1. ^ Galileo - glosář vybraných pojmů. NASA Laboratoř tryskového pohonu, (2003).
  2. ^ McIlwain, Carl E. (1961), „Souřadnice pro mapování distribuce magneticky zachycených částic“, Journal of Geophysical Research, 66 (11): 3681–3691, Bibcode:1961JGR .... 66,3681 M., doi:10.1029 / JZ066i011p03681, hdl:2060/20150019302
  3. ^ Úvod do vědy o vesmíru„Robert C Haymes, Wiley & synové, 1971. Kapitola 7,„ Van Allenovo záření “a kapitola 9,„ Planetární magnetismus “
  4. ^ Radiační pás a magnetosféra. W. N. Hess, Blaisdell Publishing Co 1968
  5. ^ Walt, Martin (1994). Úvod do geomagneticky zachyceného záření. New York, NY: Cambridge University Press. ISBN  978-0-521-61611-9.
  6. ^ Rádiové spektrum Jupiteru od 74 MHz do 8 GHz. Imke de Pater et al. Icarus, Svazek 163, číslo 2, červen 2003, strany 434-448.

Další reference

  • Tascione, Thomas F. (1994), Úvod do vesmírného prostředí (2. vyd.), Malabar, FL: Kreiger
  • Margaret Kivelson a Christopher Russell (1995), Úvod do fyziky vesmíru, New York, NY: Cambridge University Press, s. 166–167