Магнитное поле солнца
Магнитное поля присутствуют, по-видимому, на всех звёздах. Впервые магнитное поле было обнаружено на ближайшей к нам звезде - Солнце - в 1908 г. амереканскмй астрономом Дж. Хейлом, измерившим зеемановское расщепление спектральных линий в солнечных пятнах.
Согласно современным измерениям, максимальная напряжённость магнитного поля пятен = 4000 Э. Поле в пятнах есть проявление общего азимутального магнитного поля Солнца, силовые линии которого имеют различное направление в Северном и Южном полушариях Солнца
В отличие от ближайшего космического пространства, непосредственное измерение магнитных полей на Солнце магнитометрами невозможно не только из-за технических трудностей посылки космического зонда к Солнцу, но также из-за высокой температуры его вещества, которую не может выдержать ни один прибор). Поэтому как на Солнце, так тем более и на других более удаленных объектах, магнитные поля можно измерять лишь косвенно -- анализируя электромагнитное излучение.
На Солнце магнитное поле захватывается горячим веществом или "вмораживается" в него. При своем движении солнечное вещество увлекает за собой столько магнитного поля, сколько сможет. Так как скорость вращения на экваторе опережает скорость вращения на полюсах, силовые линий магнитного поля растягиваются, но линии поля при таком наматывании не обрываются; они скорее похожи на чрезвычайно эластичную резину. Как и у резины, чем больше они растягиваются, тем больше в них запас энергии.
Магнитное поле пятен подавляет конвекцию в верхних слоях конвективной зоны, перенос энергии здесь резко уменьшается, поэтому температура газа в области пятна уменьшается на 1 500--2 000 К. В близких же окрестностях пятна, где напряженность поля относительно невелика, магнитное поле, наоборот, усиливает конвективный перенос энергии. Именно так и возникают яркие образования -- факелы.
Оценки показывают, что плавучесть эффективна до глубин порядка 15 000 км, тогда как толщина конвективной зоны примерно в семь раз больше. Отсюда следует, что магнитные поля пятен формируются в верхней части конвективной зоны Солнца.
В связи с этим возникает следующий вопрос: каким же образом поддерживается неоднородное вращение Солнца? Ведь усиление магнитных полей и образование магнитных трубок происходит за счет торможения вращательного движения экваториальных областей, и если бы эта энергия не поступала непрерывно, то уже после нескольких оборотов Солнце начало бы вращаться как абсолютно твердое тело, т. е. угловая скорость вращения у полюсов и на экваторе была бы одинаковой.
Солнце как переменная звезда
Переменными звездами называются такие светила, светимость которой изменяется со временем в результате происходящих в её районе физических процессов.
Оказывается, наше Солнце - такая звезда.
Собранная информация датчиком частиц солнечного ветра Swoops зонда Ulysses , позволила сделать вывод о непрерывном - начиная с середины 1990-х годов - "ослабевании" солнечного ветра. Более того - процесс этот начался, по всей видимости, гораздо раньше. В настоящее время скорость солнечного ветра достигла абсолютного минимума по крайней мере за полвека - с тех пор, как начались непосредственные его исследования с использованием космических аппаратов. Снижение скорости солнечного ветра за десятилетие относительно невелико - около 3%, однако оно является следствием снижения температуры и давления частиц солнечного ветра на 13% и 20% соответственно. Насколько длителен процесс и насколько далеко он зашел, сказать пока невозможно. Охлаждение солнечного ветра сопровождается также снижением напряженности магнитного поля Солнца на треть за тот же период.
Тем самым обострилась радиационная обстановка в Солнечной системе и в околоземном пространстве - плотность потока особо опасных протонов высоких энергий, приходящих из глубокого космоса, возросла примерно на 20%.
.Аномальное снижение активности солнечного ветра дополняет картину трудно объяснимых аномалий в поведении самого светила. Уникальная активность светила в конце прошлого цикла сменилась ненормально длительным отсутствием пятен - показателя активности - на светиле.
Снижение числа пятен, вообще говоря, характерно для минимумов солнечной активности, однако на этот раз процесс слишком затянулся. Уже почти год на Солнце пятен практически не наблюдается вообще.
Очевидно, что масштаб происходящих на Солнце в настоящее время процессов выходит за рамки гипотезы их 11-летней цикличности.
Л. ШИРШОВ, научный сотрудник Института физики высоких энергий.
Солнечный ветер (поток за- ряженных частиц) обтекает Землю и взаимодействует с ее магнитным полем, порож- дая ударную волну на рассто- янии десяти земных радиусов от планеты.
Структура магнитного поля Солнца в плоскости эклиптики. Поле разбито на несколько секторов, в которых направлено либо к светилу, либо от него.
Распределение магнитного поля Солнца в космическом пространстве. Поле охватывает всю Солнечную систему гигантским «пузырем»; его граница именуется гелиопаузой. Из-за вращения Солнца магнитное поле принимает форму спирали Архимеда. Эту кривую описывает точ
Солнечный ветер (поток заряженных частиц) обтекает Землю и взаимодействует с ее магнитным полем, порождая ударную волну на расстоянии десяти земных радиусов от планеты.
В самом начале нового века наше светило Солнце поменяло направление своего магнитного поля на противоположное. Переворот магнитных полюсов (реверс) зарегистрировали специалисты НАСА (Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства), ведущие наблюдение за поведением Солнца. В статье "Солнце произвело реверс" , опубликованной 15 февраля, отмечается, что его северный магнитный полюс, который был в Северном полушарии всего лишь несколько месяцев назад, теперь находится в Южном.
Такое событие - явление далеко не уникальное. Полный 22-летний магнитный цикл связан с 11-летним циклом солнечной активности, и переворот полюсов происходит во время прохождения его максимума. Магнитные полюса Солнца останутся теперь на новых местах до следующего перехода, который случается с регулярностью часового механизма. Загадочны причины и реверса, и самой цикличности солнечной активности. Геомагнитное поле также неоднократно изменяло свое направление, но последний раз такое случилось 740 тысяч лет назад. Некоторые исследователи полагают, что наша планета уже просрочила момент переворота магнитных полюсов, но никто не может точно предсказать, когда теперь он произойдет.
Хотя магнитные поля Солнца и Земли ведут себя по-разному, имеют они и общие черты. В течение минимума солнечной активности магнитное поле светила, как и геомагнитное поле нашей планеты, направлено вдоль меридиана, его силовые линии концентрируются у полюсов и разрежены в области экватора. Такое поле называется дипольным - в названии отражается наличие двух полюсов. Напряженность магнитного поля Солнца составляет около 50 гаусс, а магнитное поле Земли слабее его в 100 раз.
Когда солнечная активность растет и увеличивается число солнечных пятен на поверхности Солнца, магнитное поле нашей звезды начинает изменяться. В солнечных пятнах замыкаются потоки магнитной индукции, и величина поля в этих областях в сотни раз возрастает. Как отмечает специалист по физике Солнца в Центре космических полетов имени Маршалла Дэвид Хатевэй (David Hathaway), "меридианаль ные течения на поверхности Солнца захватывают и несут магнитные потоки солнечных пятен от средних широт к полюсам, и дипольное поле устойчиво ослабевает". Используя данные, собранные астрономами Национальной обсерватории США в Пик Кит, он ежедневно регистрирует среднее магнитное поле Солнца в зависимости от широты и времени начиная с 1975 года по настоящее время. В результате получилась своего рода маршрутная карта, протоколирующая поведение магнитных потоков на поверхности Солнца.
В модели "солнечного динамо" (http://science.msfc.nasa.gov/ssl/pad/solar/dynamo.htm) предполагается, что наше светило работает как генератор постоянного тока, действующего преимущественно в зоне конвекции. Магнитные поля создаются электрическими токами, которые возникают при движении потоков горячих ионизированных газов. Мы наблюдаем ряд потоков относительно поверхности Солнца, и все они могут создавать магнитные поля высокой интенсивности. Меридианальное течение на поверхности Солнца выносит от экватора к полюсам большие массы (75% массы Солнца составляет водород, около 25% - гелий, а на долю других элементов приходится менее 0,1%). На полюсах эти потоки уходят внутрь светила и образуют внутренний встречный противоток вещества. За счет такой циркуляции заряженной плазмы и работает солнечный магнитный генератор постоянного тока. На поверхности Солнца скорость движения потока вдоль меридиана составляет около 20 метров в секунду. В глубине Солнца плотность материи намного выше, и поэтому скорость обратного противотока снижается до 1-2 метров в секунду. Этот медленный поток несет материал от полюсов к экватору приблизительно двадцать лет.
Теория "солнечного динамо" находится в развитии и требует новых экспериментальных данных. До сих пор исследователи никогда не наблюдали непосредственно момент магнитной переполюсовки Солнца. Сегодня космический корабль "Улисс" (Ulysses) может позволить ученым проверить теоретические модели и получить уникальную информацию.
"Улисс" представляет собой плод международного сотрудничества Европейского космического агентства и НАСА. Он был запущен в 1990 году для наблюдения солнечной системы выше орбитальной плоскости планет. Миновав южный полюс Солнца, он сейчас возвращается, чтобы упасть на его северный полюс и добыть новую информацию. Корабль пролетал над полюсами Солнца в 1994 и 1996 годах, во время пониженной солнечной активности, и позволил сделать несколько важных открытий относительно космических лучей и солнечного ветра. Финалом миссии этого разведчика станет исследование Солнца в период максимальной активности, что позволит получить данные о полном солнечном цикле. Сведения о солнечном космическом корабле "Улисс" приведены по адресу http://ulysses.jpl.nasa.gov .
Продолжающиеся изменения не ограничены областью космоса вблизи нашей звезды. Магнитное поле Солнца ограничивает нашу Солнечную систему гигантским "пузырем", образующим так называемую гелиосферу. Она простирается от 50 до 100 астрономических единиц (1 а.е. = 149 597 871 км, среднему расстоянию от Земли до Солнца) далее орбиты Плутона. Все, что находится внутри этой сферы, считается Солнечной системой, а далее - межзвездное пространство.
"Сигнал о переполюсовке магнитного поля Солнца передается через гелиосферу солнечным ветром, - объясняет Стив Суесс (Steve Suess), другой астрофизик из Центра космических полетов имени Маршалла. - Требуется около года, чтобы эта весть дошла от Солнца до внешних границ гелиосферы. Поскольку Солнце вращается, совершая один оборот каждые 27 дней, магнитные поля за пределами светила имеют форму спирали Архимеда. Их сложная форма не позволяет заранее оценить в деталях влияние реверса магнитного поля на поведение гелиосферы".
Магнитосфера Земли защищает жителей планеты от солнечного ветра. Вспышки на Солнце сопровождаются магнитными бурями и полярными сияниями, которые можно наблюдать на Аляске, в Канаде, Норвегии и северных территори ях нашей страны. Но существуют и другие, менее очевидные связи солнечной активности с процессами на планете. В частности, отмечено, что сейсмичность Земли увеличивается при прохождении максимума активности Солнца, и установлена связь сильных землетрясений с характеристиками солнечного ветра. Возможно, этими обстоятельства ми и объясняется серия катастрофических землетрясений, случившихся в Индии, Индонезии и Сальвадоре после наступления нового века.
Комбинируя прямые наблюдения с компьютерным моделированием, гелиофизики НАСА создали модель движения плазмы в короне Солнца, которая позволит лучше понять природу магнитного поля Солнца
Поверхность Солнца непрерывно бурлит и танцует. Удаляющиеся от нее струи плазмы изгибаются, взметаются петлями, закручиваются в циклоны и достигают верхних слоев солнечной атмосферы - короны, имеющей температуру в миллионы градусов.
Результаты моделирования. Магнитное поле Солнца в 2011 гораздо больше сосредоточено вблизи полюсов. Пятен мало. (Изображение NASA"s Goddard Space Flight Center/Bridgman)
Магнитное поле Солнца в 2014 стало более запутанным и беспорядочным, создавая условия для вспышек и выбросов корональной массы. (Изображение NASA"s Goddard Space Flight Center/Bridgman)
Поверхность Солнца (изображение http://www.nasa.gov)
Это вечное движение, которое нельзя наблюдать в видимом свете, впервые заметили в 1950-х годах, и с тех пор физики пытаются понять, почему оно происходит. Сейчас уже известно, что вещество, из которого состоит Солнце, движется в соответствии с законами электромагнетизма.
Изучая магнитное поле Солнца, можно лучше понять природу космоса во всей Солнечной системе: оно влияет как на межпланетное магнитное поле и радиацию, сквозь которую приходится двигаться космическим кораблям, так и на космическую погоду на Земле (полярные сияния, магнитные бури и т.п. зависят от солнечных вспышек).
Но, несмотря на многолетние исследования, окончательного понимания природы магнитного поля Солнца еще нет. Предполагается, что оно возникает от движений заряженных частиц, которые перемещаются по сложным траекториям из-за вращения Солнца (солнечное динамо) и тепловой конвекции, поддерживаемой теплом от термоядерного синтеза в центре Солнца. Однако все детали процесса до сих пор не известны. В частности, неизвестно, где именно создается магнитное поле: близко к солнечной поверхности, глубоко внутри Солнца, или в широком диапазоне глубин.
Как можно увидеть невидимое магнитное поле? По движению солнечной плазмы. И вот, чтобы больше узнать о «магнитной жизни» Солнца, ученые НАСА решили проанализировать движение плазмы через его корону, комбинируя результаты компьютерного моделирования и данные, полученные при наблюдении в реальном времени.
Магнитное поле управляет движением заряженных частиц, электронов и ионов, из которых состоит плазма. Образующиеся при этом петли и прочие плазменные структуры ярко светятся на снимках, сделанных в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Кроме того, их следы на поверхности Солнца, или фотосфере, можно достаточно точно измерить с помощью инструмента, называемого магнитографом, который измеряет силу и направление магнитных полей.
Результаты наблюдений, которые описывают напряженность магнитного поля и его направление, затем объединяют с моделью движущейся солнечной плазмы в магнитном поле. Вместе они дают хорошее представление о том, как выглядит магнитное поле в короне Солнца и как оно там колеблется.
В периоды максимальной солнечной активности магнитное поле имеет очень сложную форму с большим количеством повсюду мелких структур, представляющих собой активные регионы. В минимуме солнечной активности поле слабее и концентрируется на полюсах. Образуется очень гладкая структура без пятен.
По материалам НАСА
Там же можно посмотреть анимацию по результатам моделирования.
Магнитное поле есть, по – видимому, у всех звезд. На Солнце оно обнаружено в 1908г Дж. Хейлом (США) по зеемановскому расщеплению фраунгоферовых линий в солнечных пятнах. По современным представлениям оно ≈ 4000 Э (напряженность), или 0,4 Тл (магнитная индукция). Поле в пятнах есть проявление общего азимутального поля Солнца, силовые линии которого имеют различное направление в северном и южном полушарии.
Рисунок 56.Дипольная осесимметричная составляющая крупномасштабного магнитного поля Солнца. Наиболее
выражена у полюсов.
Слабую дипольную составляющую магнитного поля обнаружил в 1953г Бэбкок (США) (≈1Э или 10ˉ 4 Тл)
В 70 –х годах 20 века обнаружена такая же слабая неосесимметричная крупномасштабная составляющая магнитного поля. Она оказалась связанной с межпланетным магнитным полем, имеющим различные направления в радиальных составляющих в разных пространственных секторах. Это соответствует квадруполю, ось которого лежит в плоскости солнечного экватора. Наблюдаются и двухсекторная структура, соответствующая магнитному диполю.
В целом крупномасштабное поле Солнца сложно. Еще сложнее структура поля, обнаруженного в мягких масштабах. Наблюдения указывают на существование мелкомасштабных иглоподобных полей напряженностью до 2*10 3 Э (индукция 0,2 Тл). Магнитное поле Солнца изменяется. Осесимметричное крупномасштабное поле изменяется с периодом ≈ 22 года. Каждые 11 лет происходит обращение дипольной составляющей и смена направления азимутального поля.
Неосеммитричная составляющая, (секторная) изменяется приблизительно с периодом вращения Солнца вокруг своей оси. Мелкомасштабные поля изменяются нерегулярно, хаотично.
Магнитное поле несущественно для равновесия Солнца. Равновесное состояние определяет баланс сил тяготения и градиента давления. Но все проявления солнечной активности (пятна, вспышки, протуберанцы и др.) связаны с магнитными полями. Магнитное поле играет определяющую роль в создании солнечной хромосферы и в нагреве до миллиона градусов солнечной короны. Высвечиваемая в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах энергия выделяется в многочисленных локализованных областях, отождествляемых с петлями магнитного поля. Области, в которых излучение ослаблено (корональные дыры) отождествляются с открытыми во внешнее пространство конфигурациями магнитных силовых линий. Считается, что в этих областях берут начало потоки солнечного ветра.
Модель внутреннего строения Солнца. Источники солнечной энергии.
Рисунок 57. Схема строения солнца.
Внешние слои Солнца (атмосферы) непосредственно доступны наблюдениям. Поэтому теоретические модели их строения проверены. Модели внутреннего строения в основном теоретические. Они получены на экстраполяции физических условий, на поверхности и характеристиках: размеры, масса, светимость, вращение, химический состав.
По геологическим данным возраст Солнца около 5 млрд лет. Последние 3 млрд лет светимость его мало изменилась. За эти 3 млрд. лет Солнце излучило 3,6*10 44 Дж, то есть каждый килограмм массы Солнца выделил ~1,8*10 13 Дж энергии. Такое количество энергии, как показали расчеты, не могут обеспечить химические процессы и гравитация. (гравитационная энергия Солнца = 4*10 41 Дж).
Единственным возможным, посовременным представлением, источником энергии может быть ядерная энергия. Если на Солнце идут ядерные реакции и вначале все вещество – водород, то при современной светимости Солнца ядерной энергии хватило бы на 170 млрд. лет. Для протекания ядерных реакций нужна температура порядка десяти млн. градусов. Следовательно, из высокой светимости следует высокая температура внутри Солнца. По наблюдениям в фотосфере температура с глубиной растет с градиентом 20 К на 1 км. Это дает в центре ~1,4*10 6 К. Температуру можно оценить по условию гидростатического равновесия, считая солнечное вещество идеальным газом: газовое давление уравновешивают силы тяготения. Получается ≈ 14*10 6 К в центре, что в 3 раза выше средней.
Наиболее существенной в недрах Солнца является протон – протонная реакция . Она начинается с крайне редкого события – β – распада одного из двух протонов в момент особенно тесного их сближения (14 * 10 9 лет).
При β – распаде протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Объединяясь со вторым протоном, нейтрон дает ядро тяжелого водорода – дейтерия. Для каждой пары протонов процесс, в среднем осуществляется за 14 миллиардов лет, что и определяет медленность термоядерных реакций на Солнце и общую протяженность его эволюции. Дальнейшие ядерные превращения протекают значительно быстрее. Возможны несколько вариантов, из которых чаще всего должны происходить столкновения дейтерия с третьим протоном и образование ядер изотопа гелия которые, объединяясь и испуская два протона, дают ядро обычного гелия.
Другая реакция в условиях Солнца играет значительно меньшую роль. В конечном счете, она также приводит к образованию ядра гелия из четырех протонов. Процесс сложнее и может протекать только при наличии углерода, ядра которого вступают в реакцию на первых ее этапах и выделяются на последних. Таким образом, углерод является катализатором, почему и вся реакция носит название углеродного цикла.
При термоядерных реакциях в недрах Солнца выделяется в виде жестких гамма-квантов. При движении к поверхности они многократно переизлучаются, дробятся на кванты меньшей энергии. Процесс занимает миллионы лет. Из одного γ – кванта образуется несколько миллионов квантов видимого света, которые и покидают поверхность Солнца.
При термоядерных реакциях выделятся нейтрино. Из –за ничтожно малой массы и отсутствия электрического заряда нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Почти свободно проходит Солнце и со скоростью света вылетает в межпланетное пространство. Его регистрация сложна, но нейтрино может жать важную информацию о внутреннем строении и условиях внутри Солнца и звезд.
Рисунок 58. Схематический разрез Солнца и его
Измерения индукции магнитного поля Земли на расстояниях порядка 100 км (средний масштаб) очень важны для понимания таких геофизических явлений, как поведение верхней мантии, эволюция океанических течений и воздействие магнитного поля Солнца на ионосферу планеты. Однако такие исследования дорогостоящи, поскольку связаны с запуском в верхние слои атмосферы (на высоту около 100 км) специальных космических аппаратов. Коллектив ученых из Германии и США предложил более дешевый, наземный, способ измерения геомагнитного поля в заданном масштабе, который обладает высокой точностью и нечувствителен к магнитным помехам со стороны окружения.
Исследование структуры и силы магнитного поля Земли позволяет «заглянуть» в недра нашей планеты: измерение индукции геомагнитного поля и его вариаций на разных масштабах дает информацию об источниках этого поля на соответствующих глубинах. Так, «картографирование» земного магнетизма в пределах нескольких метров способно выявить подземные ферромагнитные объекты, например неразорвавшиеся снаряды и мины или законсервированные емкости с токсичными отходами. Измерение магнитного поля и его флуктуаций на расстояниях в несколько километров может быть использовано для обнаружения залежей полезных ископаемых. В глобальном масштабе исследование магнитной «оболочки» Земли предоставляет данные для модели геодинамо - теории, описывающей зарождение и последующую эволюцию магнитного поля Земли.
Изучение распределения индукции геомагнитного поля на среднем масштабе, то есть в пределах 10–100 километров, также представляет значительный научный интерес. В частности, это позволяет оценить влияние магнитного поля Солнца на ионосферу, дает информацию о поведении верхней мантии Земли и циркуляции океанических масс - одного из основных факторов, регулирующих климат на планете (ведь морская вода - это электролит, а ее движение фактически представляет собой ионный ток). Чтобы избежать нежелательного влияния окружения, измерения геомагнитного поля на этом масштабе необходимо проводить на высотах, соответствующих этому пространственному разрешению. Иными словами, для «картографирования» геомагнетизма на расстояниях порядка 100 км нужно на столько же подняться ввысь .
Для таких измерений запускают спутники с магнитометром , что требует серьезных материальных и финансовых вложений. Ученые из США и Германии предложили наземный способ измерения магнитного поля Земли в масштабах порядка 100 км, который обладает высокой чувствительностью и имеет сравнительно низкую стоимость. Свой метод они описали в недавней публикации Magnetometry with mesospheric sodium в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences . Идея авторов статьи основана на технологии, использующейся в некоторых обсерваториях для создания искусственных опорных звезд (laser guide star).
Что такое искусственные опорные звезды?
Известно, что астрономические наблюдения с помощью оптического телескопа, расположенного на поверхности Земли, часто затруднены из-за атмосферной турбулентности. Случайные перемещения воздушных масс размывают изображения звезд и существенно уменьшают разрешающую способность крупных телескопов с объективами более 1 м. Поэтому обычно используют так называемую адаптивную оптику . В телескопе устанавливают специальное зеркало, которое может деформироваться и подстраиваться под меняющиеся внешние условия. Чтобы учесть искажения, телескоп надо откалибровать, направив его на какую-нибудь яркую звезду (ее называют опорной).
Однако в поле зрения телескопа не всегда обнаруживается естественная опорная звезда, поэтому придумали создавать опорные звезды лазером. Лазер производит облучение слоя атомов натрия толщиной около 10 км, расположенного на высоте около 90 км над поверхностью Земли (эта натриевая прослойка сформировалась в результате сгорания метеоров). Если длина волны света лазера равна 589 нм, то в той небольшой области, куда попал лазерный луч, атомы натрия переходят в возбужденное состояние: внешние электроны перебираются на более высокий энергетический уровень, живут там некоторое время, а затем возвращаются обратно, излучая при этом желтый свет. Далее этот свет из облучаемого лазером маленького участка неба регистрируется телескопом. В результате происходит рождение искусственной опорной звезды (рис. 1), по которой затем корректируется изображение в телескопе.
Здесь надо отметить важный факт. Поскольку электроны имеют спин, совершают вращательное движение вокруг ядра, а также по причине некоторой схожести атомов щелочных металлов с атомом водорода (суммарный спин всех электронов в этих атомах равен 1/2) упомянутый выше более высокий энергетический уровень атома натрия расщепляется на два близкорасположенных по энергии уровня, каждый из которых может стать временным «домом» для возбужденного электрона. Возникающие два уровня атома натрия получили название натриевый дублет . Его идентифицируют на дискретном (линейчатом) спектре натрия как две близкорасположенных тонких желтых линии, обозначаемых D 1 и D 2 . Это означает, что возбужденный атом натрия фактически излучает желтый свет двух очень близких по значению длин волн.
Принцип работы наземного детектора геомагнитного поля
В 1961 году было обнаружено , что под действием лазерных импульсов, имеющих круговую поляризацию, при определенном условии в парах щелочных металлов, находящихся во внешнем магнитном поле, наблюдается спиновая поляризация - спины атомов этих элементов приобретают конкретное направление. Этим условием является совпадение частоты лазерных импульсов (не путать с частотой света, излучаемого лазером) и частоты, с которой магнитный момент атомов прецессирует во внешнем магнитном поле. Явление вращения вектора магнитного момента частицы вокруг направления силовой линии магнитного поля известно в физике как ларморовская прецессия , а частота, с которой он вращается, называется частотой Лармора. Для атома она определяется его массой, строением энергетических уровней и индукцией внешнего магнитного поля.
Спиновая поляризация приведет к тому, что одна из линий натриевого дублета, D 2 , станет более яркой, а другая линия (D 1) потускнеет, если сравнивать с линейчатым спектром натрия, полученного в случае постоянного облучения, или когда частота лазерных импульсов не совпадает с ларморовской частотой. Наблюдение описанного выше эффекта будет означать, что частота Лармора для атомов натрия найдена, а из нее теперь несложно рассчитать желанную индукцию магнитного поля. Именно так в теории и выглядит принцип работы наземного детектора геомагнитного поля в масштабе 100 км.
На практике, по задумке авторов, должно происходить следующее: лазер стреляет в небо серией периодических импульсов (имеющих круговую поляризацию), направление движения которых должно быть приблизительно перпендикулярно силовым линиям геомагнитного поля (рис. 2). Длина волны лазерного излучения составляет 589 нм, а частота их импульсов экспериментальным путем подбирается так, чтобы быть равной ларморовской частоте для атомов натрия, находящихся в том месте, куда были посланы лазерные импульсы. Понять, совпали ли частоты, можно с помощью телескопа, который в этом случае зарегистрирует в спектре атомов натрия увеличение яркости линии D 2 и, соответственно, ослабление линии D 1 . Когда данное условие выполнено, по значению частоты Лармора находится искомое значение индукции магнитного поля.
Обратим внимание на неслучайность выбора натриевого слоя в качестве эдакого удаленного магнитометра. Высота его расположения (90 км) как нельзя более удачно соответствует условию для измерений магнитного поля Земли и его колебаний в заданном среднем масштабе.
Любой прибор или инструмент, измеряющий какую-либо физическую величину, неизбежно делает это с определенной погрешностью, или, как говорят специалисты, «шумит». В предложенном авторами статьи детекторе геомагнитного поля один из источников шума - лазерное излучение, которое в реальности не является монохроматическим, а имеет хоть и совсем малое, но тем не менее ненулевое размытие по частоте или длине волны, связанное с квантовой природой самого процесса генерации когерентного излучения. Размер этого размытия, называемого шириной лазерного излучения, среди всего прочего определяет чувствительность детектора. Чем меньше ширина излучения, тем более чувствительным будут проводимые измерения.
Помимо этого на точность работы устройства также влияет площадь объектива телескопа (чем больше, тем лучше), интенсивность лазера и коэффициент заполнения , характеризующий частоту испускания лазерных импульсов и равный отношению длительности импульсов к периоду их повторения. Как следует из определения, коэффициент заполнения - безразмерная величина, которая меняется в интервале от 0 до 1 или от 0 до 100%. Если коэффициент заполнения 100%, то наблюдается непрерывное, постоянное, не импульсное излучение. Уменьшение значения коэффициента заполнения означает, что временной промежуток между импульсами в рамках периода их повторения непрерывно увеличивается.
Как показали расчеты, для измерений геомагнитного поля лучше всего следить за изменением яркости линии D 1 натриевого дублета. В этом случае, если положить ширину лазерного излучения равной 400 МГц, оптимальная чувствительность достигается при коэффициенте заполнения 20% и интенсивности лазера около 30 Вт/м 2 . Для этих значений она составит менее 0,5 нТл (нанотесла, 10 –9 Тл). Этого вполне достаточно, чтобы следить за циркуляцией океанических масс и влиянием со стороны магнитного поля Солнца, создающими индукцию порядка 1–10 нТл. В качестве сравнения напомним, что среднее значение индукции магнитного поля Земли приблизительно равно 50 мкТл (микротесла), то есть почти на 3–4 порядка больше.
Авторы статьи считают, что предложенную технологию измерения геомагнитного поля в принципе можно инсталлировать в любую обсерваторию, независимо от того, присутствуют ли в ней устройства или предметы, создающие магнитные помехи. Более того, ученые полагают, что на основе их метода существует возможность реализовать мобильную платформу, которая могла бы мониторить магнитное поле Земли в масштабах 100 км.
Похожие статьи
