Планетарные магнитосферы

Соавтором работы является Сергей Калугин, выпускник МИСиС, единомышленник гипотез расширения Земли и водородной дегазации. Надеюсь, наше плодотворное сотрудничество приведет к удивительным открытиям и интересным для любознательных читателей статьям.

Магнитное поле (МП) планетарных тел образуется центробежным движением протонов, возникающих в результате реакций синтеза в гидридном ядре, если угловая скорость вращения планеты достаточна для закручивания потоков заряженных частиц по спиралевидной траектории вдоль магнитного экватора.

Гипотезы происхождения магнитных полей планет

Удивительно, но до сих пор нет единой точки зрения на механизм возникновения магнитного поля планет, хотя, общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо.
Согласно этой гипотезе, внешнее ядро планеты — это жидкий шар, с горячим, твёрдым, вращающимся, тепловыделяющим, металлическим ядром [1]. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а в нижних слоях – больше. Подобные течения вызывают формирование замкнутых тороидальных электрических полей. Благодаря их взаимодействию с конвективными течениями во внешнем ядре, возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения планеты. Но для «запуска» подобного процесса необходимо изначальное слабое магнитное поле, которое может генерироваться гиромагнитным эффектом, когда вращающееся тело намагничивается в направлении оси его вращения.

Первую концепцию геодинамо предложил Уолтер М. Эльзассер. По его предположению, магнитное поле Земли является результатом электрических токов, которые индуцируются в слое внешнего ядра толщиной 2225 км, состоящем из жидкого металла низкой вязкости. Возможным источником этого тока может быть конвекция, связанная с температурой, при которой возникает коллективное движение молекул в жидкостях. Но в этом случае, наряду с зоной движения заряженных частиц от центра к поверхности, должно возникать и обратнонаправленное движение, что никак не фиксируется.

Гипотеза протекания реакций синтеза в твёрдом ядре планет, предложенная профессором Э.И. Терезом [2], объясняет происхождение постоянного центробежного потока протонов и устраняет противоречия классической модели геодинамо, в части обратнонаправленного движения заряженных частиц к центру планеты.

Открытие вулканизма на спутниках планет, привело к появлению гипотезы о плавлении скальных пород за счёт приливного движения, что нельзя воспринимать без улыбки, если строго стоять на позициях известных законов физики. Это примерно то же самое, как если бы учёные придумали ситуацию, при которой океанические приливы на Земле каким-то образом расплавили континенты.
Инструментальное обнаружение космическим аппаратом «Галилео» магнитных полей у отдельных спутников Юпитера поколебало общепризнанную теорию геодинамо.
Дипольное строение возникает лишь под воздействием упорядоченного движения электрических зарядов, но не за счёт потока водно-солевых растворов. Известно, что глобальные океанические течения водных масс, по примеру Гольфстрима, не приводят к появлению магнитных диполей в условиях Земли. Можно смело утверждать, что приливные движения водно-солевых растворов на спутниках планет-гигантов не сформируют магнитное поле, если там отсутствуют упорядоченные токи электрических зарядов.

Реакции синтеза и водородная дегазация

Согласно гипотезе профессора Э.И. Тереза, опубликованной в 2011 году, в недрах нашей планеты протекают реакции синтеза [3]. Статическое давление в центре Земли около 3 миллионов атмосфер. В недрах планеты ежедневно происходят порядка 150 землетрясений, порождающие упругие продольные волны. Они, проходя через вещество в местах пучностей, создают локальные зоны повышенной плотности. В этих областях твердого гидридого [2] ядра планеты давление может достигать сотен миллионов атмосфер при температуре порядка 6000 К. При таких условиях плотность вещества в локальных зонах достигает уровня, при котором возможно туннелирование и протекание термоядерных реакций, как было показано в работе Зельдовича [4]. Твердое гидридное ядро Земли, как бы, очень медленно “кипит” подобно смоле, т.е. иногда спорадически в разных местах возникают локальные реакции синтеза.
В местах, где возникают очаги термоядерных реакций, резко возрастает температура. При этом происходит разложение гидридов, переход водорода из гидрид-ионной формы в протонный газ и, соответственно, выделение большого количества водорода. Давление в этой зоне резко возрастает, что приводит к «выдавливанию» потоков плазмы из твердого ядра наружу. При этом цепной термоядерной реакции не возникает, т.к. избыток тепла уходит с водородом-теплоносителем во внешние сферы, образуя поток протонов от ядра к поверхности, приводя к падению температуры в зоне реакции.
При разложении гидрида объем вещества существенно увеличивается без изменения массы (в одном кубическом сантиметре гидрида железа заключено 550 кубических сантиметров водорода), что неизбежно приводит к увеличению объёма планеты.
Ярчайшим доказательством протекания реакций синтеза в недрах Земли, является фиксация в вулканах и добыча в газовых месторождениях Гелия-3 [4], который возможно получить только в термоядерной реакции!

Центробежный поток протонов

В результате реакций синтеза вещество твёрдого гидридного ядра планеты разлагается на ядра водорода и металл, вытесняемый из-за его более низкой плотности, во внешнее ядро планеты. Протоны, проходя через породы, образуют соединения водорода (воды, метана и др.) у поверхности планеты.

Необходимым условием протекания реакций синтеза в твёрдом ядре планеты является высокая плотность вещества, что возможно только в достаточно массивных телах. Получается, что магнитное поле планеты пропорционально потоку протонов из внутреннего ядра и угловой скорости вращения планеты.

Естественно, если вращающееся тело имеет электрический заряд, то возникает ток I, который генерирует магнитное поле. Формула связи тока с напряженностью магнитного поля позволяет рассчитать величину напряжения Н магнитного поля планеты [6]:

Здесь: R - радиус внутреннего ядра планеты [м], 
           Т - период вращения ядра, примем его равным с планетарным [c],
           q - удельный заряд на единицу массы потока заряженных частиц из внутреннего ядра [Кл],
            ρ = 3,8164·10–5 [Кл/кг] - плотность заряда на единицу массы,
            M - масса ядра планеты [кг].
Подстановка известных R, T, M позволяет вычислить напряжение магнитных полей всех планет Солнечной системы.

Если бы приведенная формула связи массы ядра с зарядом была заведомо неверна, то при расчетах можно было бы ожидать любые величины, далекие от реально существующих. Этого не произошло, несмотря на приблизительные знания о ядрах планет и их угловых скоростях вращения, которыми в настоящее время располагает наука. Полученные величины напряженностей магнитных полей планет сходятся с точностью в пределах порядка, за исключением тел, имеющих остаточные МП. Таким образом, гипотеза о формировании магнитного поля планеты потоком заряженных частиц ядра при достаточной угловой скорости, получает экспериментальное подтверждение.

Планетарные магнитосферы

В активных планетарных телах значительной массы, внутри ядер которых создаётся достаточное давление для протекания реакций синтеза, наблюдается устойчивый центробежный поток протонов из недр к поверхности. Если при этом, планетоид имеет достаточную угловую скорость, то пучки протонов закручиваются и «слипаются» (согласно закона Ампера). При движении твердого ядра, относительно жидкого слоя и мантии образуется устойчивое магнитное поле. А движущиеся электроны, под действием силы Лоренца, закручиваясь в противоположном от протонов направлении, усиливают магнитное поле планеты.
В настоящее время устойчивые магнитные поля в солнечной системе обнаружены у: Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Земли, Меркурия и, вероятно, у крупных спутников планет-гигантов, таких как Ганимед.

Магнитное поле Меркурия

Парадоксально, но наименьшая и самая легкая из планет может «похвастаться» собственной магнитосферой, напряженностью около 1,1% от земного. До полета космического корабля Маринер-10 в 1974 году, никто из ученых не знал о его существовании. После этого возникла гипотеза, что магнитное поле Меркурия реликтовое, но информация с АМС MESSENGER полностью опровергла эту гипотезу. Магнитное поле первой планеты достаточно сильное, чтобы отклонять солнечный ветер, создавая собственную магнитосферу. Но частицы плазмы в моменты вспышек на Солнце иногда достигают Меркурия, что способствует выветриванию поверхности планеты.
MESSENGER также обнаружил много новых деталей, таких как таинственные утечки магнитного поля и магнитные торнадо. Последние представляют собой витые пучки силовых линий около 800 км в диаметре, которые идут от планетарного поля и соединяются в межпланетном пространстве. Магнитное поле отличается асимметрией, центр поля смещен почти на 500 км севернее от оси вращения Меркурия. Из-за этого южный полюс планеты меньше защищен и подвержен гораздо большему облучению агрессивными солнечными частицами, нежели северный полюс.

Отсутствие магнитосферы «Утренней звезды»

Несмотря на сходство с Землей по радиусу, плотности и наличию плотной атмосферы, Венера имеет невероятно слабое магнитное поле. Отсутствие магнитосферы вызвано низкой угловой скоростью вращения планеты (3*10^-7 [рад/с]). Вокруг Солнца планета обращается быстрее, чем вокруг собственной оси. Из-за этого потоки протонов, исходящие из ядра, не движутся по спиралеобразным траекториям и не могут образовывать замкнутого тока вдоль экваториальной области внутри жидкого ядра планеты.

Магнитное поле Земли

Геомагнитное поле генерируется внутриземными источниками. На небольшом удалении от поверхности Земли, порядка трёх её радиусов, магнитные силовые линии имеют диполеподобное расположение. Эта область называется плазмосферой планеты. По мере удаления от поверхности Земли усиливается воздействие солнечного ветра: со стороны Солнца геомагнитное поле сжимается, а с противоположной, ночной стороны, оно вытягивается в длинный «хвост». С учетом всех указанных факторов, будем рассматривать среднюю напряженность магнитного поля планет только на основании движения внутренних заряженных частиц.

Напряженность геомагнитного поля на экваторе составляет около 0,03 мТл, на полюсах — около 0,07 мТл. Достоверно установлено, что оно чутко реагирует на солнечную активность. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм геодинамо, находится на расстоянии 0,25…0,3 радиуса Земли [1].

Вспышка на Солнце не может оказать влияния на ядро Земли, но воздействие её на ионосферу значительно. Если связывать возникновение магнитного поля планет с токовыми слоями в жидком ядре, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь и одинаковое направление магнитных полей. Но Юпитер, вращающийся вокруг своей оси также как и Земля, имеет магнитное поле, направленное противоположно земному, что возможно только при периодической смене полюсов.

Потоки солнечного ветра деформируют магнитосферы планет, которые имеют вид сильно вытянутого магнитного «хвоста», направленного в противоположном от Солнца направлении.

Заметное влияние на магнитное поле на поверхности Земли оказывают токи в ионосфере. Это ионизированная верхняя область атмосферы на высоте порядка 100 км, являющаяся результатом взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы Земли, чем и объясняется связь магнитных бурь с солнечными вспышками.

Есть ли магнитное поле у Марса?

Марс имеет слабо выраженное магнитное поле в виде остатков древнего планетарного поля, потерянного в результате неоднократного столкновения с крупными телами. Удар космического тела диаметром более 100 км образовал кратер Эллада глубиной 9 км и диаметром около 2000 км. Импакт существенно повлиял на внутрипланетные процессы Марса, вызвав рикошетные образования с другой стороны в виде вулканического нагорья Фарсида.

Аналогичное образование, в меньшем масштабе, — кратер Аргир, который противопоставлен вулканическому нагорью Элизий. В результате импактов был нарушен процесс протекания реакций синтеза в ядре планеты.

Поток протонов, из-за эффекта «рикошета», вышел с противоположной стороны через супервулканы, что наглядно видно на физической карте планеты, и постепенно иссяк. Поэтому, магнитное поле Марса, фактически, отсутствует, и он постоянно подвергается бомбардировке метеоритами, а также воздействию солнечного ветра, что делает его бесплодным миром, который мы и видим сегодня.

На Марсе наблюдается крайне слабое остаточное, фрагментированное магнитное поле, похожее на поля на дне океанов Земли, но его полосы достаточно сильны и распространяются на сотни километров в атмосферу. Они взаимодействуют с солнечным ветром и создают полярные сияния. Марсоходы обнаружили большое количество водяного льда под поверхностью, и ученые считают, что там может быть жидкая вода.

Магнитосферы спутников Юпитера

В настоящее время известно, что Ганимед является самым большим спутником в системе Юпитера, а также самым большим спутником в Солнечной системе. Его диаметр составляет 5262 км, что превышает размеры планеты Меркурий на 8%. Его масса составляет 1,482*10²³ кг — более чем втрое больше массы Европы и вдвое больше массы Луны, но это всего 45% массы Меркурия. Средняя плотность Ганимеда меньше, чем у Ио и Европы — 1,94 г/см³ (всего вдвое больше, чем у воды), что указывает на увеличенное содержание льда в этом небесном теле. По расчетам, водяной лед составляет не менее 50% общей массы спутника.

Раньше единственными известными твердыми телами солнечной системы, имеющими магнитное поле, были планеты Меркурий и Земля. Теперь найдены магнитные поля у всех галилеевых спутников Юпитера — Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто.
     На Ганимеде собственное магнитное поле достаточно сильно, чтобы образовать магнитосферу с резко определенной границей внутри магнитосферы Юпитера. Последние наблюдения с Галилео показали присутствие магнитного поля и вокруг Каллисто. Магнитометр, установленный на Галилео, показал наличие магнитного поля и у Европы, причем северный магнитный полюс указывает странное направление. Величина магнитного поля составляет примерно одну четверть от силы магнитного поля Ганимеда.

Планеты — гиганты

Юпитер и Сатурн обладают крупными гидридными ядрами, массой в 3-10 земных, окруженные мощными газовыми оболочками, на которые и приходится подавляющая часть массы планет. Математические модели показывают, что в недрах этих планет водород из газообразного состояния постепенно переходит в состояние сверхтекучей и сверхпроводящей жидкости – металлический водород. Высокое внутриядерное давление делает условия для протекания реакций синтеза ещё более вероятными, чем в ядре Земли. Естественно, центробежный поток протонов в недрах этих планет, значительно больше и они обладают чрезвычайно крупными и мощными магнитосферами, и их существование нельзя объяснить лишь динамо-эффектом в ядрах.

Конвекция металлического водорода переносит энергию от ядра в газовую оболочку планет, определяя климатическую обстановку в атмосферах гигантов. Как результат, Юпитер излучает в космос в 2,4 раза больше энергии, чем получает от Солнца.

У магнитных полюсов планет-гигантов, как и на аналогичных полюсах большинства планет, солнечный ветер вызывает «полярные» сияния. В случае Юпитера, существенное влияние на его магнитное поле производят такие крупные спутники как Ганимед и Ио, от которых виден след потоков заряженных частиц, «текущих» с соответствующих спутников к магнитным полюсам планеты.

Магнитосфера Урана и Нептуна

Ледяные гиганты Уран и Нептун похожи друг на друга по размерам и массе. Их мощные магнитные поля занимают промежуточное положение между магнитными полями газовых гигантов и Земли. Давление в ядрах этих планет достаточно для протекания реакций синтеза и динамо эффекта вроде земного, но недостаточно для образования слоя металлического водорода. Ядра планет окружены мощным слоем смеси аммиака, метана и воды, представляющим собой чрезвычайно нагретую жидкость, которая не вскипает исключительно из-за колоссального давления атмосфер этих планет.

Как и в случае с газовыми гигантами, тепло из недр планет передается конвективными процессами в атмосферу Нептуна и Урана. Математические модели показывают, что жидкость из метана, аммиака и воды обладает высокой электропроводностью. На определенной глубине ледяной мантии, в тонкой прослойке, давление становится благоприятным для того, чтобы гидродинамический эффект из потока протонов начал генерировать магнитные поля планет.

Критерии существования планетарного магнитного поля:

Нижний предел по угловой скорости, необходимой для образования планетарного магнитного поля, лежит между угловыми скоростями вращения Венеры (3·10^-7 рад/с), не имеющей магнитного поля, и Меркурия (1,24·10^-6 рад/с) с минимальным МП.

Можно резюмировать, что необходимым условием существования у планеты магнитного поля является достаточная плотность ядра, позволяющая протекать внутри него реакциям синтеза и, как следствие, образовывать центробежные потоки заряженных частиц, при значительной угловой скорости вращения планеты для закручивания потоков протонов по спиралевидной траектории вдоль магнитного экватора, что подтверждается математической моделью авторов.

Дальнейшая разработка предложенной гипотезы даст возможность систематизировать характеристики, предсказывать наличие магнитных полей у планетных тел и классифицировать их. Это позволит в будущем определять потенциально пригодные для колонизации и терраформирования планетные тела.

Источники:

1. Парадоксы мп Земли https://fatyf.narod.ru/about-earth-magnit.htm
2. Терез Э.И., Дабахов И.А.
3. http://etrunaev.lekks.ru/?p=811
4. Зельдович
5. Мамырин
6. Рыков А. / Причина магнитного поля Земли? / НиТ. Cтатьи / 26.08.1999
7. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/34689
8. http://www.rec.vsu.ru/rus/ecourse/eldin/magstat_p.pdf
9. https://youtu.be/T_M4K9QEbCI
10. Популярная механика 08.12.2011
11. https://www.popmech.ru/science/12239-planetoid-geodinamo-v-miniatyure/
12. Парадокс Фейнмана, или потоки энергии в постоянных электромагнитных полях
13. https://susy.written.ru/2011/03/14/Poynting_vector_in_static_fields