11.4. Магнитосфера
У Марса очень слабое магнитное поле. Оно в 500 раз слабее земного. Магнитная индукция составляет всего 0,5 мкТ, а магнитный момент планетарного диполя – 2,4×1022 эрстед·см². Такого поля едва хватает на то, чтобы остановить поток солнечного ветра. Правда, Марс обладает еще и ионосферой, и потому его магнитосфера сочетает в себе свойства как собственного, так и наведенного ионосферой магнитного поля. Первое роднит его с Меркурием и Землей, второе – с Венерой. Это научное представление о магнитосфере Марса.
[more]Магнитное поле на поверхности Марса неравномерно, в различных точках его напряженность может различаться более чем в 2 раза. Оно имеет вид узких, вытянутых в широтном направлении полос, в некоторых участках которых напряженность вдруг резко повышается и почти равняется напряженности магнитного поля Земли, причем, бóльшая часть полос располагаются в Южном полушарии. Предполагается, что обнаруженные поля являются остатками магнитосферы, разрушившейся на раннем этапе истории планеты. Ширина полос около 1000 км. Однако, ни на одной планете с магнитосферой, организованной магнитным диполем, никаких параллельных полос с чередующимся противоположным направлением поля никогда не наблюдается, если не учитывать зон около Срединных океанических хребтов на Земле. Поэтому едва ли эти полосы – остатки какой-то бывшей магнитосферы. Вопрос происхождения такой странной намагниченности на Марсе очень сложен. Однозначного ответа на него наука не дает (по сути дела, вообще не дает). Мы попробуем с ним разобраться, но это нам предстоит в конце данного раздела. На рис. 11.13. показана картина полосчатой намагниченности поверхности Марса (заимствовано из Википедии).
Рис. 11.13. Полосчатая намагниченность поверхности Марса
Цветовая гамма полос показывает перемену направления (знака) магнитного поля в соседних областях. Обратите внимание на северную зону – ту, что названа Великой Северной Равниной. Единая морфология поверхности такого гигантского образования говорит о том, что вся Равнина сложилась по космическим и геологическим меркам мгновенно и, видимо, относительно недавно, судя по почти полному отсутствию кратеров (несколько миллионов, а не миллиардов лет назад!). Думаю, что отсутствие остаточной намагниченности в северной зоне тоже служит подтверждением отрыва в процессе катастрофы огромного куска Марса и заполнения всего образовавшегося котлована магмой практически одного состава в то время, когда дипольного поля у Марса уже не было.
Полосчатость намагниченности несколько напоминает похожее явление на Земле. Только на нашей планете она имеет место на дне океанов по обе стороны от Срединных океанических хребтов. Как и на Земле, соседние марсианские полосы имеют противоположное направление магнитного момента. В науке, согласно основной гипотезе, такая земная аномалия связывается с периодической инверсией магнитных полюсов. Однако есть и альтернативные гипотезы. А на Марсе нет ничего, похожего на земные Срединные океанические хребты или другие геологические образования, вытянутые в широтном направлении в зоне полос.
Считается, что за наличие или отсутствие магнитного поля отвечает вращающееся ядро, обеспечивающее механизм планетарного динамо. А поскольку у Марса «нормальный» диполь очень слабый (и существует ли он в данный момент – тоже вопрос), делается вывод о том, что железное ядро Марса по отношению к его коре относительно неподвижно, а, следовательно, эффект планетарного динамо не работает. Более того, даже несовпадение магнитных полюсов с географическими объясняется все той же неподвижностью ядра. Повторяю – это доминирующая научная концепция. А как тогда быть с тем, что земные магнитные полюсы при вращающемся ядре, имеющем внешнюю жидкую часть, практически никогда не совпадали с географическими полюсами, да еще и движутся с разными скоростями, меняя иногда направление? По поводу давней истории самого Марса и его «динамо-машины» приведу следующую цитату из Википедии:
По одной теории, опубликованной в 1999 году и перепроверенной в 2005 году (с помощью беспилотной станции «Марс Глобал Сервейор»), эти полосы демонстрируют тектонику плит 4 миллиарда лет назад — до того, как динамо-машина планеты прекратила выполнять свою функцию, что послужило причиной резкого ослабления магнитного поля. Причины такого резкого ослабления неясны. Существует предположение, что функционирование динамо-машины 4 млрд. лет назад объясняется наличием астероида, который вращался на расстоянии 50—75 тысяч километров вокруг Марса и вызывал нестабильность в его ядре. Затем астероид снизился до предела Роша- и разрушился.- Тем не менее, это объяснение само содержит неясные моменты и оспаривается в научном сообществе.
- Примечание: - Предел Роша – критическое расстояние между планетой и ее спутником, при достижении которого происходит разрушение спутника в результате гравитационного воздействия планеты.
Сплошные предположения! Блеск! Но на основании оных делаются далеко идущие выводы!
Следует добавить, что полярность марсианского магнитного поля считается противоположной полярности земного, то есть Северный магнитный полюс Марса расположен в Северном полушарии планеты, а Южный – в Южном. А вот это еще, что называется, «бабушка надвое сказала». Как вообще магнитный полюс может находиться в полушарии, если там нет никакого проявления магнетизма, даже та же полосчатость слабая и локальная? Намагниченность, хоть и полосчатая, обнаружена в основном в Южном полушарии, а координат магнитных полюсов мне разыскать так и не удалось: не совпадают с географическими – и все тут. Но и пресловутая полосчатость (плюс – минус – плюс – минус и т.д.) никак не может привести к наличию магнитного полюса. К его отсутствию – может. Полюс есть полюс: в нем собираются все силовые линии магнитного поля одного знака. Они либо выходят из него, либо входят. На Марсе таких точек нет. И, кстати, как может полосатая намагниченность с противоположной направленностью полей в соседних полосах, да и та с явно выраженной неравномерностью, указывать на то, что общая намагниченность Марса обратна полярности магнитного поля Земли? Только по высокой плотности электронов над Южным полушарием Марса? Но она связана отнюдь не с южным полюсом магнитного диполя, а с полосчатой намагниченностью поверхности там, где она присутствует. Общий вид поля вокруг Марса показан на рис. 11.14. Обратите внимание на южную часть изображения. Там, где наблюдаются намагниченные участки поверхности, видны замкнутые линии магнитного поля, вызванные полями на поверхности планеты.
Рис. 11.14. Картина полей вокруг Марса
Вот так примерно выглядят силовые линии полей вокруг Марса, изображенные в статье «Erforschung der Plasmaumgebung der Planeten» («Исследование плазменной среды планет» – http://www.mps.mpg.de/161427/PPE-research, надписи переведены на русский язык). Даже по этому рисунку видно, что специфика магнитного состояния планеты в Северном и Южном полушариях существенно отличается. Там, где на предыдущем рисунке ниже экватора красно-желтые и синие полосы имеют максимальную интенсивность, наблюдаются местные увеличения плотности магнитно-силовых линий, вызванные намагниченными участками коры. В этом же заключается и причина повышенного содержания электронов с ночной стороны Марса, где никакого солнечного ветра, который, как считается, ответственен за выбивание электронов и ионизацию атмосферы, нет и в помине.
На рис. 11.15 для сравнения приведены увеличенный фрагмент из приведенного выше рисунка-схемы (слева) и петель между солнечными пятнами, обычно возникающими парами и имеющими обратный знак (справа – http://trasyy.livejournal.com/928549.html).
Рис. 11.15. Петли магнитных полей Марса и Солнца
Картина очень похожая: на поверхности Марса в полосах чередуются плюс и минус – возникает петля магнитного поля, на Солнце практически происходит то же самое между соседними темными магнитными пятнами с разным знаком магнитного заряда. И никакого прямого отношения к солнечному магнитному диполю они не имеют. Думаю, что и по марсианским петлям, организованным полосчатостью, делать вывод о наличии или отсутствии дипольного магнитного поля, по меньшей мере, преждевременно и некорректно.
Далее возвращаюсь к Марсу и привожу две цитаты (все выделения мои – СП):
В зоне ионосферы …высокоэнергетические частицы солнечного ветра сталкиваются с молекулами разреженного газа, выбивая электроны с их атомарных орбит, в результате чего формируется слой с избытком свободных электронов. Кстати, одним из наиболее интересных открытий миссии «Марс-Экспресс» стало обнаружение активной ионосферы не только над дневной, но и над ночной стороной планеты, которую солнечные частицы бомбардировать никак не могут.
С помощью данных, полученных европейской космической станцией, ученые смогли составить первую подробную карту распределения электронов в атмосфере с ночной стороны Марса. На карте отчетливо видны области с резко повышенной плотностью электронов, причем ученые обнаружили некоторую зависимость между распределением этих областей и конфигурацией магнитного поля планеты. - Регионы с высокой плотностью электронов оказываются связанными с сильно намагниченными участками, где линии магнитного поля выстраиваются перпендикулярно поверхности планеты. Такие участки представлены, в частности, к югу от экватора Марса. На Земле подобная ситуация наблюдается только в районе двух магнитных полюсов. Причины столь странной конфигурации марсианских магнитных полей пока остаются неясными (http://www.quickiwiki.com/ru/%D0%98%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0_%D0%9C%D0%B0%D1%80%D1%81%D0%B0).
- Ученым пока неизвестно, какие марсианские породы могут генерировать такие сильные магнитные поля, и почему они существуют в виде полос с противоположной полярностью. Линии этого магнитного поля образуют полуцилиндры. В местах соприкасания этих полуцилиндров наблюдается сильное вертикальное магнитное поле, под действием которого ионизованные водород и гелий из солнечного ветра могут спускаться к поверхности Марса. А на вершинах лежащих полуцилиндров располагаются области с сильным горизонтальным магнитным полем, которые действуют как зонтик для защиты нижележащей атмосферы от солнечного ветра (http://elite-astronomy.narod.ru/mars_1.htm).
Попробую дать небольшие пояснения для облегчения образного восприятия выделенного текста. По карте намагниченности поверхности, особенно в зоне, где красные и синие полосы имеют максимальную интенсивность и почти параллельны друг другу, легко представить себе вдоль линий практически параллельные «лежачие» полуцилиндры магнитных полей (на предыдущем рисунке мы видим просто петли, т.е. перпендикулярное сечение этих цилиндров). Эти полуцилиндры начинаются от поверхности планеты, магнитные силовые линии идут вверх практически перпендикулярно к поверхности, потом загибаются в виде магнитной петли, образуя по всей длине полуцилиндра тот самый «зонтик для защиты нижележащей атмосферы от солнечного ветра». Предыдущая выделенная фраза в цитате противоречит последней. В местах соприкасания полуцилиндров не может образоваться сильное вертикальное поле (противоположным образом направленные соседние поля должны гасить друг друга), что и подтверждается спуском к поверхности Марса ионизированных водорода и гелия из солнечного ветра. Сильное поле не пропустит солнечный ветер.
А сейчас пойдем дальше и рассмотрим общие положения.
Итак, считается, что магнитосфера Марса комбинированная и состоит из двух составляющих – слабой дипольной и наведенной ионосферой. Она простирается над дневной стороной планеты на 2000 км от ее поверхности, а над ночной стороной – до 9500 км. Радиационных поясов нет. На рис. 11.16 показано, как образуется индуцированное ионосферой магнитное поле. Солнечный ветер выбивает из атмосферы (на высоте 270-600 км) электроны и таким образом ионизирует ее, создавая ионосферу, граница которой простирается до 1200 км.
Рис. 11.16. Образование индуцированного ионосферой магнитного поля,
https://mars-express.cnes.fr/en/MEX/A_res_scie.htm
В возбужденной таким образом ионосфере происходит отток ионов. С дневной стороны это показано розовыми стрелками. Таким образом, получается, что Марс должен терять атмосферу (возможно именно так он ее и терял в течение всего времени после катастрофы). Но… похоже, что не все так просто и так однозначно. Цитирую по Докладу Миссии Энтерпрайз (http://do.gendocs.ru/docs/index-175058.html?page=3):
Между серединой 1970-х и 1995 годом Марс обрел значительный новый облачный покров, в атмосфере уменьшилось содержание пыли и обнаружилось “удивительное изобилие” озона. В 1997 году космический беспилотный корабль NASA «Mars Global Surveyer» был поврежден в результате неожиданного - 200% локального повышения плотности атмосферы планеты. В 1999 году на Марсе впервые за 20 лет появился ураган. Он оказался на 300% сильнее, чем любой наблюдаемый ранее.
Похоже, что потеря атмосферы за счет каких-то неведомых процессов компенсируется. Это тоже предмет для разговора в конце раздела.
Ниже приведен рис. 11.17, на котором изображена схема магнитного поля Марса с указанием не только всех зон и линий, типичных для обычного изображения магнитосфер, но указана и энергия в электрон-вольтах (еV ) для трех основных потоков.
Рис. 11.17. Магнитосфера Марса,
(0)