Книга: Солнечная система (Астрономия и астрофизика)

Магнитный «штопор» и строение недр

Магнитное поле Урана, его напряженность и структура относились к главным исследованиям «Вояджера». Но аппарат подходил все ближе к Урану, а никаких признаков поля не было. Лишь за пять дней до сближения удалось принять характерные всплески радиоизлучения, которые возникают при взаимодействии магнитного поля с потоком заряженных частиц (и по которым был найден период вращения планеты.)

Магнитное поле обладает определенным давлением. Там, где оно уравновешивается газодинамическим давлением солнечного ветра, возникает возмущение электромагнитного поля, так называемая ударная волна. Зонд прошел все предсказанные положения ударной волны и пересек ее только за 10ч. до наибольшего сближения с планетой.

Поле Урана не строго дипольное: довольно сильны квадрупольная и октупольная составляющие. Предполагается, что высшие гармоники сильны из-за близости «составных частей» планетарного магнитного динамо к поверхности планеты. Скорее всего, это объясняется большим содержанием воды и аммиака, которые становятся проводящими при значительно меньших давлениях, чем водород и гелий на Юпитере.

Магнитосфера Урана простирается на 0,6 млн. км. и заполнена плазмой, образующей радиационные пояса, похожие на земные. На уровне видимой облачной поверхности (где давление около 0,6 бар) напряженность дипольного поля близка к земной: 0,23 Гс. Ось магнитного диполя на 59° наклонена к оси вращения и на 8000 км. смещена от центра к ночному (в 1986 г., т.е. к северному) полюсу. Положение полюсов диполя обратно земному, как у Юпитера и Сатурна. Комбинация сильного наклона диполя к оси вращения и наклона последней к орбите приводит к тому, что магнитосферный хвост Урана вращается в пространстве, подобно штопору.

Наглядную модель поля Урана можно представить, если вставить в мячик под углом 60° к горизонтали стержневой магнит и вращать мячик вокруг горизонтальной оси. С каждым оборотом направление поля в «магнитосфере» будет меняться дважды.

Существует несколько гипотез о природе такой необычной магнитосферы; в частности, предполагалось, что она связана с положением полярной оси. Но против этого имеется интересное возражение. По существу, необычно только положение полярной оси относительно Солнца. Поле возбуждается в глубоких слоях планеты, которые не могут «знать», где находится Солнце, так как приливные силы в теле Урана совершенно ничтожны.

В действительности, объяснения требует тот факт, что у Земли, Сатурна и Юпитера магнитные поля имеют четко выраженные два полюса, расположенные приблизительно на оси вращения планеты, а у магнитных полей Урана и Нептуна нет строгой дипольной структуры, и линия основных полюсов сильно наклонена к оси вращения: на Уране примерно на 59°, а на Нептуне — на 47°. Для объяснения этого явления предлагалось несколько механизмов, но ни один не получил признания. Однако в 2004 г. планетологи С. Стенли и Дж. Блоксем (Гарвардский университет, США) с помощью численной модели показали, что изменяя параметры внутренней структуры планеты, можно «создать» магнитное поле, подобное полям Урана и Нептуна.

Все модели генерации магнитных полей планет состоят из одних и тех же компонентов: они содержат зону электропроводящей жидкости и источник энергии, обеспечивающий движение этой жидкости. Например, модель поля Земли учитывает ее богатую железом жидкую внешнюю часть ядра (электропроводящая жидкость) и охлаждение поверхности (или радиоактивное нагревание внутренних слоев), стимулирующее конвективные потоки в недрах планеты. Другой необходимый элемент — вращение планеты, организующее движение жидкости: упорядоченное движение проводящей жидкости может возбудить крупномасштабное магнитное поле, а хаотическое движение жидкости его разрушает. И только когда все эти условия соблюдены — в модели или в планете, — движущаяся электропроводящая жидкость превращается в динамо-машину, генерирующую магнитное поле.

Для планет земного типа конвективные движения обычно моделируются в толстой вращающейся оболочке из жидкого проводника, которая окружает относительно небольшое твердое электропроводящее ядро. В результате получается дипольное магнитное поле, как у магнитного стержня, вытянутого вдоль оси вращения планеты. Эта ситуация характерна как для Земли, так и для гигантов — Юпитера и Сатурна. У них очень маленькое твердое ядро окружено толстым конвективным слоем металлического водорода. Но такая модель не может описать все особенности полей Урана и Нептуна.

Стенли и Блоксем построили численную модель динамоэффекта, воспроизводящую эти особенности. Они предположили, что вместо толстой конвективной оболочки и твердого ядра Уран и Нептун имеют тонкий внешний конвективный слой ионизованной жидкости, окружающий внутренний жидкий ионизованный «океан», лишенный конвективного движения. Эта модель основана на детальных расчетах, показавших, что при наблюдаемых низких тепловых потоках из недр этих планет конвективные движения могут возникать только в тонких приповерхностных слоях Урана и Нептуна, протяженность которых составляет 20—25% радиуса планеты.

В модели Стенли и Блоксема действительно генерируются поля, подобные наблюдаемым на Уране и Нептуне. К сожалению, в ближайшие годы не запланированы экспедиции к этим планетам, поэтому не будет возможности уточнить структуру их магнитных полей. Но важно уже то, что модель демонстрирует способность одного базового процесса — конвекции во вращающейся сферической оболочке с электропроводящей жидкостью — объяснять основные структуры всех планетных магнитных полей в Солнечной системе.