Полярний вітер або плазмовий фонтан — це постійний відтік плазми з полярних ділянок магнітосфери Землі. Концептуально подібний до сонячного вітру, він є одним із кількох механізмів відтоку іонізованих частинок. Основною причиною полярного вітру вважають іони, прискорені амбіполярним електричним полем. Подібні процеси відбуваються й на інших планетах.
Історія 1966 року Бауер, а також незалежно Десслер і Мішель зазначили, що оскільки геомагнітне поле Землі над полюсами утворює довгий хвіст, спрямований від Сонця й простягається далі за орбіту Місяця, іони повинні витікати з області вищого тиску в іоносфері в космічний простір. Термін «полярний вітер» запропонували 1968 року у двох статтях Бенкса і Голцера та .
Найперші експериментальні вимірювання полярного вітру отримав космічний апарат 1966 року , а потім апарат 1974 року . Додаткові дані супутника 1981 року спричинили певну невизначеність у теоретичних моделях щодо ролі холодних іонів O+. Це питання вдалося з'ясувати завдяки більш повним даним супутника 1989 року , а також супутника 1996 року .
Ідея полярного вітру виникла під час спроб пояснити парадокс земного балансу гелію. Суть цього парадоксу полягав у тому, що здавалося, ніби гелій в атмосфері Землі утворюється (внаслідок радіоактивного розпаду урану та торію) швидше, ніж втрачається через витікання з верхніх шарів атмосфери. Усвідомлення того, що частина гелію може іонізуватися і тому залишати Землю вздовж відкритих ліній магнітного поля поблизу магнітних полюсів (у вигляді полярного вітру), є одним із можливих пояснень цього парадоксу.
Причини
Після 30 років досліджень з'ясувалося, що однією з причин полярного вітру є амбіполярний витік теплової плазми — прискорення іонів поляризаційним електричним полем в іоносфері. Поляризаційне, або амбіполярне, електричне поле вперше запропонували ще у 1920-х роках для іонізованих зоряних атмосфер. Гравітаційне розділення зарядів створює поле величиноюде — гравітаційне поле, а — середня маса іонів, що дорівнює половині різниці між масою однозарядних іонів та електрона. Ця проста формула застосовна лише до плазми в гідростатичній рівновазі. Складніші моделі, придатні для реальної плазми, дають більші значення поля. У будь-якому разі це поле дуже слабке, але, на відміну від інших сил, воно спрямоване проти гравітації. У розрідженій плазмі на великих висотах воно переважає гравітацію для легких іонів.
В області полярного вітру іоносферна плазма розширюється, а її низька густина дозволяє гравітації тягнути іони вниз відносно електронів у плазмі. Розділення зарядів створює електричне поле, яке спрямовує частину іонів угору й виносить їх за межі атмосфери. Цей механізм називають «амбіполярним витіканням», а відповідне поле — «амбіполярним електричним полем» або «поляризаційним полем». Додаткові механізми включають прискорення іонів сонячними фотоелектронами, які виходять уздовж магнітних силових ліній.
Потік іонів, зумовлений амбіполярним електричним полем, зрештою накопичується в плазмосфері, якщо іони рухаються вздовж замкнених магнітних силових ліній; натомість іони, що слідують уздовж відкритих силових ліній, залишають систему Землі. Іони, які рухаються вздовж відкритих магнітних силових ліній, сили сонячного вітру відштовхують від Сонця (антисонячна конвекція).
Вимірювання Численні дослідження полярного вітру здійснювали за допомогою апаратів , , та . Вони охоплювали широкий діапазон висот, широт і фаз сонячного циклу. Деякі з отриманих результатів: основними складниками полярного вітру є електрони, іони водню (H+), гелію (He+) і кисню (O+), на висотах нижче 4000 км домінують іони O+, усі три типи іонів досягають надзвукових швидкостей вище 7000 км, а на висотах понад 50 000 км їхні числа Маха перевищують 2. швидкість полярного вітру зростає з висотою і є більшою на денному боці Землі,
Амбіполярне електричне поле безпосередньо виміряли 2022 року за допомогою суборбітальної ракети, запущеної зі Шпіцбергена. Ця місія НАСА отримала назву «Endurance». Порівняння електричного потенціалу на висоті 250 км із потенціалом на висоті 768 км показало різницю +0,55 вольт із невизначеністю 0,09 В.
Примітки
Посилання