Тема: Взаимодействие плазмы солнечного ветра с Луной

Взаимодействие солнечного ветра с Луной существенно отличается от поведения плазмы в окрестностях Земли. Изучение характера этого взаимодействия является одной из важнейших задач современной физики космической плазмы, имеющей теоретическое и (в перспективе) практическое значение. Луна является единственным естественным спутником Земли, а также ближайшим и наиболее хорошо исследованным космическим объектом, она с давних времен являлась объектом для наблюдений.
Всесторонний обзор строения Луны дается в [Wieczorek et al., 2006] [1]. На рис. 1 показаны расчетные радиусы твердых и жидких ядер, основанные в основном на поверхностных приборах Apollo [например, Hood, 1986][2] и моделях ранней эволюции мантии [Smith et al., 1970; Wood et al., 1970][3,4], вместе с результатами более поздних спутниковых картографических миссий [например, Lawrence et al., 1998][5].
Рисунок 1. Строение Луны [Wieczoreketal. ,2006][1]
Большой научной задачей в годы раннего изучения Луны являлся вопрос о наличии или отсутствии собственного магнитного поля. Так, первые наблюдения, сделанные спутником Луна-2 (1959г.), дали оценку верхней границы дипольного магнитного момента Луны в ~10-4 магнитного момента Земли. Пролет спутника Explorer-35 (1967г.) на расстоянии в ~800 км дал оценку интенсивности дипольной компоненты магнитного поля (при ее наличии) всего в несколько нТ на поверхности Луны, а также было подтверждено отсутствие ударной волны.
Тела, которые не обладают существенной атмосферой и сильными магнитными полями (такие как Луна и астероиды), считаются пассивными поглотителями набегающего потока плазмы [Cravens, 2004][6]. Ионы и электроны солнечного ветра непосредственно воздействуют на поверхность этих тел, а вмороженное магнитное поле плазмы проходит через препятствие относительно спокойно, если проводимость мала. За объектом создается область с пониженной концентрацией плазмы (рис. 2), называемая плазменной тенью (или кильватером). Этот след постепенно заполняется плазмой солнечного ветра вниз по течению, посредством теплового расширения. [Farrell et al., 1998] [7]
Рисунок 2 Взаимодействие солнечного ветра с ненамагниченной непроводящей и поглощающей Луной. Визуализация плотности солнечной плазмы [Holmstrom, 2012] [8].
Измерение магнитного поля Луны во время миссий Apollo подтвердило отсутствие глобального дипольного магнитного поля, а также позволило сделать первые предположения о том, что Луна имеет области с сильными магнитными полями с размерами до 100 км и напряжённостью поля более 300 нТ на поверхности и порядка 2 нТ на высоте 100 км [Dyal, 1974] [9]. Род же этих аномалий не связан с глобальным магнитным полем, а является результатом остаточной намагниченности лунной коры. Исследования образцов лунного грунта дали основание предполагать, что 3,6-3,8 млрд. лет назад они подвергались воздействию магнитного поля сравнимого по интенсивности с земным.
Существует две основные модели возникновения остаточной намагниченности на участках поверхности Луны. Первая модель предполагает существование раннего глобального магнитного поля, которое осталось «вморожено» в лунные породы по мере их охлаждения ниже точки Кюри в процессе остывания. Вторая модель связывает образование областей локальной намагниченности с импульсными магнитными полями, генерируемыми во время падения крупных метеоритов в присутствии окружающего магнитного поля. Данная гипотеза подтверждается тем, что крупнейшие области намагниченности лунной коры расположены противоположно (по сфере) областям гигантских ударных бассейнов.
Несмотря на существенные успехи в первые десятилетия исследований, построение точной глобальной карты намагниченности поверхности стало возможным только в 90-е годы ХХ века в результате регулярных измерений спутниками Lunar Prospector и Lunar Orbiter. Построение подобных карт является необходимым элементом для изучения ранней геологической истории Луны, а также для детального описания взаимодействия с солнечным ветром.
Lunar Prospector, завершивший в конце XX века систематическое измерение величины магнитного поля в окрестности Луны, обнаружил поверхностные магнитные поля с интенсивностью до 300 нТ и с масштабами от 7 до 1000 км. Их расположение было приблизительно противоположно (по сфере) некоторым крупным лунным морям [Hood et al., 2001] [10]: Морю Дождей, Морю Ясности, Морю Кризисов (рис. 3) и Морю Восточному).
Рисунок 3. Карта интенсивности магнитного поля лунной коры в области магнитной аномалии антиподальной Морю Кризисов [Hood et al, 2001] [10].
Целью данной работы является изучение особенностей взаимодействия плазмы солнечного ветра с поверхностными магнитными аномалиями Луны. Для этого мы будем использовать два набора данных, полученных разными современными методами отображения магнитных аномалий. Первый из них является восстановлением магнитного поля по сферическим гармоникам, полученным в работе [Tsunakawa, 2015] [12]. Второй набор данных берется из работы [Lue, 2011] [11] и является отображением магнитных аномалий посредством измерения потока отраженных протонов с поверхности. В ходе работы мы попробуем найти статистическую связь этих данных и выявить вид этой зависимости.
Купить

В данной работе мы изучили зависимость коэффициента отражения протонов солнечного ветра от величины поля магнитных аномалий и пришли к следующим выводам:
• Коэффициент отражения существенно возрастает с увеличением поля.
• Наибольшую корреляцию с отражением имеют поля на высотах 15-30км (вероятно, вертикальный размер минимагнитосфер)
• Поток протонов, отраженных от Луны, состоит из двух составляющих: нормальной компоненты (отражение от поверхности) и аномальной (отражение от магнитных аномалий). При больших полях (> 40нТ у поверхности) отражение аномально, при малых полях (< 5нТ) нормально, прим промежуточных значениях(5.. ,40нТ) присутствуют обе компоненты.
• Зависимость коэффициента отражения от величины магнитного поля имеет нелинейный характер, который для малых и средних магнитных полей (до 100нТ) приближенно можно аппроксимировать гиперболическим тангенсом.
Предположительно, дальнейшие исследования зависимости коэффициента отражения от величины магнитного поля смогут дать больше информации о параметрах мини-магнитосфер, а также позволят разработать более совершенные методы измерения магнитного поля в освещенных областях Лунной поверхности.
Купить