천문학

자기장이 행성 고리에 영향을 줍니까?

자기장이 행성 고리에 영향을 줍니까?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

행성의 고리는 일반적으로 행성의 자전 때문에 황도면에서 형성되는 것처럼 보이지만, 나는 행성의 자기장이 고리 계에 어떤 영향을 미칠지 궁금합니다. 링 시스템을 함께 유지하는 데 도움이됩니까, 방해가됩니까? 아니면 효과가 거의 또는 전혀 없습니까? 자극이 황도 위 또는 근처에 있다면 어떨까요?


(나는이 행성들이 별의 궤도를 돌고 있다고 가정 할 것입니다.) 행성 고리는 주로 얼음과 먼지와 같은 작은 물체의 중력 포착에 의해 형성됩니다. 이러한 입자는 자성을 가질 수 있으며 이러한 경우 행성 자기장의 영향을받습니다. 자기장이 실제로 균일하지 않다는 점도 지적해야하지만, 그렇다고 가정합시다. 자기장의 존재는 링의 유지에 중요하지만 링의 안정성은 완전히 다른 문제입니다. 링이 자기에 민감한 재료로 구성되어있는 경우, 자기장에서 충분히 큰 변동이 원칙적으로 링이 불안정해질 수 있습니다. 따라서 안정성에 대한 대답에 따라 예를 선택합니다. 자기장에 따라 다릅니다. 안정성을 계산하는 것은 복잡한 n- 바디 문제이지만 평균을 낼 수 있습니다.


스포크라고 불리는 토성의 고리에는 방사형 구조가 있는데, 이는 토성의 자기장과 관련된 전자기 효과를 포함하는 메커니즘에 의해 생성 될 가능성이 높습니다. 따라서 자기장의 영향을받는 고리 현상의 몇 가지 측면이 분명히 나타날 것입니다.


링 형성

일반 형성 이론

행성 자전의 황도면에서 고리가 형성되는 이유는 행성이 일반적으로 별의 적도면에서 발견되는 것과 같은 이유입니다. 별 / 행성 형성 중에 입자와 가스의 충돌과 압력이 서로 다른 방향으로 궤도를 도는 경우 각운동량을 보존하기 위해 일반적으로 파편이 같은 방향으로 궤도를 돌게합니다. 이렇게하면 재료가 같은 방향으로 회전 할 수 있습니다. 원심력이 입자를 궤도 회전축에서 바깥쪽으로 "당기는"동안 중력은 모든 것을 방사상 안쪽으로 끌어 당깁니다. 따라서 적도면 위의 물체를 적도면으로 끌어 당기는 중력 구성 요소가 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 시간이 지남에 따라 많은 충돌로 인해 입자와 가스가 적도면에 정착합니다. 별의 경우 태양풍이 가스를 밀어 내지 만 더 많은 물질이 남아 있습니다. 이것을 아주 잘 요약 한 천문학 기사가 있습니다.

링 형성에 대한 자기 영향

행성의 자기장이 고리 형성에 영향을 미칠 수 있습니까? 짧은 대답은 다음과 같은 여러 요인에 따라 달라진다는 것입니다.

  • 링이 충전되면 (예 : 플라즈마) 가벼운 링 입자가 자기장과 상호 작용합니다. 일반적으로 이러한 상호 작용의 결과는 링 재료가 회전하는 자기장과 동일한 각속도로 궤도를 돌도록하는 것입니다. (토성의 경우, 이것은 플라즈마가 링 평면에서 속도를 높이고 자기장이 느려지도록합니다.)
  • 링에 중성 전하가 있으면 자기장과 직접적으로 상호 작용할 수 없습니다.
  • 자기장이 링 평면을 통해 Van Allen과 같은 복사 벨트를 전달하는 것과 같은 경우 자기장 라인을 따라 흐르는 플라즈마가 링 입자와 상호 작용할 수 있습니다. 방사능과 이온이 고리 입자와 충돌하여 궤도에서 떨어지거나 화학 반응을 일으키거나 전하 교환을 일으킬 수 있습니다.
  • 다른 소스 (예 : 엔셀라두스와 같은 달)의 항성 방사선, 미세 운석 및 이온화 플라즈마는 이온화를 유발하는 에너지로 고리 입자를 충돌시킬 수 있습니다. 광자는 분자를 분할하거나 원자에서 전자를 떨어 뜨려 이온화되도록합니다. 그러면 링 입자가 충전되어 자기장과 상호 작용할 수 있습니다.
  • 다른 소스 (다시 Enceladus와 같은)의 이온화 된 플라즈마는 자기장과 상호 작용합니다. 플라즈마가 충분히 조밀하면 바람 종소리에 부는 바람처럼 고리에 운동량이나 압력을 전달할 수 있습니다.

진행중인 조사

토성의 자기장에 대한 확실한 증거가 있습니다. 이다 반지와 상호 작용합니다. 토성의 경우 전리층과 열권의 전류가 링 평면을 가로 지르는 자기장 선을 따라 흐릅니다. 이러한 전류는 소위 "링 플라즈마"와 상호 작용합니다. 링 플라즈마가 링에 미치는 영향 또는 자기장에 대한 링의 영향은 현재 불확실합니다. (이것은 부분적으로 아무도 링의 전기 전도도를 추정하는 방법을 모르기 때문입니다!)

내 개인적인 추측은-누군가가 토성의 상층 대기에서 전기 역학에 대한 적극적인 연구를하고있는 것처럼-회전하는 자기장이 회전하는 행성에서 이온화 된 고리로 각운동량을 (간접적으로) 전달하는 데 도움이 될 것이며, 이는 그들이 보통 궤도를 도는 것보다 약간 더 멀리 공전하게 만든다는 것입니다. .


Ed Thomas : 자기장과 미세 중력을 사용하여 먼지가 많은 플라즈마의 물리학을 탐구

지난 30 년 동안 플라즈마 과학자들은 "복잡한"또는 "먼지가 많은"플라즈마로 알려진 새로운 유형의 플라즈마 시스템을 제어하는 ​​방법을 배웠습니다. 이들은 전자, 이온, 중성 원자, 하전 된 고체, 나노 미터에서 마이크로 미터 크기의 입자로 구성된 4 성분 플라즈마 시스템입니다. 이러한 미세 입자의 존재는 플라즈마를 고체와 같은, 유체와 같은 또는 기체와 같은 특성을 갖도록 "조정"할 수있게합니다. 이것은 먼지가 많은 플라즈마가 물질의 네 번째 상태가 아니라 네 가지 물질 상태의 속성을 모두 취할 수 있음을 의미합니다.

별 형성 지역에서 행성 고리, 융합 실험에 이르기까지 하전 된 마이크로 입자는 많은 자연 발생 및 인공 플라즈마 시스템에서 발견 될 수 있습니다. 따라서 먼지가 많은 플라즈마의 물리학을 이해하면 광범위한 천체 물리학 및 기술 문제에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이 프레젠테이션에서는 먼지가 많은 플라즈마의 물리적 특성을 소개합니다. 하전 된 미세 입자의 작은 전하 대 질량 비율이 시스템의 많은 특성을 어떻게 유발하는지에 초점을 맞 춥니 다. 특히 먼지가 많은 플라즈마는 자기 조직화 및 에너지 캐스케이드와 같은 비평 형 또는 분산 시스템의 다양한 프로세스와 다양한 전송 및 불안정 메커니즘을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 이 프레젠테이션에서는 Auburn University의 MDPX (자화 먼지 플라즈마 실험) 장치를 사용한 고 (B ≥ 1 T) 자기장에서 먼지가 많은 플라즈마에 대한 연구 결과와 Plasmakristall-4 (PK-4) 실험실을 사용한 미세 중력 실험에서 얻은 결과를 논의합니다. 국제 우주 정거장.


비교 행성 진화

행성 고리

보이저 외 행성의 행성 고리 사진 이후 행성 고리의 기원은 새로운 의미를 갖게되었습니다. 일부에서는 토성의 고리가 태양계가 형성된 태양 성운의 유사체로 사용될 수 있다고 제안했습니다. 목성, 토성, 천왕성 및 해왕성은 이제 모두 고리 시스템을 갖는 것으로 알려져 있지만 모두 다르며 공통 이론이 모두를 설명 할 수 없습니다. 토성의 고리는 직경이 크지 만 고리의 두께는 아마도 50m 미만일 것입니다. 고리의 평균 입자 크기는 불과 몇 미터에 불과하며 단일 입자가 약 하루 만에 행성을 공전합니다. 세 가지 모델이 행성 고리의 기원에 대해 가장 많은 관심을 끌었습니다. 처음 두 모델에서 고리는 부모 행성과 함께 부착 디스크의 잔재 또는 깨진 위성 조각으로 형성됩니다. 그러나 고리가 수백만 년 이상 살아남지 않아야하고 아래에서 논의되는 바와 같이 고리가 인공위성에 부착되어야한다는 점에서 이러한 기원 중 어느 것도 가능성이 없습니다. 또는 고리는 명왕성의 위성 인 카론 (Charon)과 같은 포획 된 혜성의 붕괴로 인한 파편 일 수 있습니다. 이 모델에서 작은 입자는 고리가되고 더 큰 조각은 위성이 될 수 있습니다. 거대 행성 주변의 고리가 포획 된 혜성의 잔해 인 경우, 아래에서 볼 수 있듯이 혜성은 태양계의 가장 어린 구성원 중 하나이기 때문에 태양계에 후발 자입니다.


가장자리 위의 행성

지구와 마찬가지로 토성의 회전축이 기울어 져 있습니다. 토성의 반년 동안 고리 모양의 행성은 태양을 향해 몸을 굽히고 고리의 꼭대기를 비 춥니 다. 그해의 나머지 절반 동안 토성은 몸을 뒤로 젖히고 태양이 토성의 남극과 고리의 바닥을 비 춥니 다. 그러나, 토성의 각 궤도에서 태양을 중심으로 두 짧은 기간 동안 링 가장자리는 태양 아래 나 위가 아니라 태양을 직접 가리 킵니다. 춘분이라고하는이 이벤트는 짧은 시간 동안 토성의 북반구와 남반구에 동일한 양의 햇빛을 제공합니다. 그러나 토성은 태양을 공전하는 데 약 30 년이 걸리므로 춘분은 15 년에 한 번만 발생합니다.

해질녘의 나무가 나무의 실제 높이보다 몇 배 더 긴 그림자를 가질 수있는 것과 같은 방식으로, 토성의 춘분은 관찰하기에는 너무 미묘한 고리 모양을 확대 한 그림자를 생성했습니다. & ldquo 우리는 고리가 휘 었는지 확인하고 싶었습니다. & rdquo Spilker가 말했습니다. & ldquo 그들은 & rsquore하지 않습니다. & rdquo 그러나 Cassini 관측에 따르면 장소에서 토성의 고리는 과학자들이 생각한 것보다 훨씬 덜 부드럽습니다.

고리의 수많은 얼음 덩어리가 고리에 커다란 그림자를 드리 웁니다. 과학자들은 피처를 피트 (또는 미터) 단위로 측정한다고 생각했지만 가장 큰 그림자 투사 피처가 주변 고리 입자 위의 마일 (킬로미터) 위에 있다는 것을 발견했습니다. 덩어리와 융기 중 일부는 록키 산맥만큼 높았습니다.

춘분 동안 Cassini는 적외선 분광계로 고리의 온도를 모니터링했습니다. 왜냐하면 온도는 과학자들이 고리 입자의 구성, 크기, 모양 및 기타 특성을 이해하는 데 도움이되기 때문입니다. 햇빛이 넓은 얼굴이 아닌 가장자리의 고리에 닿았 기 때문에 고리의 온도는 이전에 기록 된 사람보다 낮게 떨어졌습니다. 예를 들어 카시니는 A- 링이 화씨 영하 382도 (섭씨 영하 230도)까지 냉각되는 것을 보았습니다.

또한 Cassini는 춘분을 사용하여 제대로 이해되지 않은 몇 가지 알려진 현상을 관찰했습니다. 이러한 특징 중 하나는 '스포크'입니다. 1980 년대 보이저 우주선에서 처음 본 스포크는 손가락 모양 또는 쐐기 모양의 방사형 특징 인 토성의 고리와 함께 회전하는 고리를 연상케하기 때문에 이름이 붙여졌습니다. 바퀴의 스포크.

카시니가 토성 궤도에 진입 한 다음 해인 1998 년부터 2005 년까지이 스포크는 보이지 않았고 과학자들을 놀라게했습니다. 그리고 2008 년에 스포크가 다시 전체적으로 나타나고 Cassini가 이미지를 캡처했으며 그중 일부는 비디오로 결합되었습니다.

스포크, 덩어리, 프로펠러, 문릿, 달을 형성하는 고리 및 고리를 만드는 달은 갈릴레오가 토성의 수수께끼 고리를 카시니로 볼 수 있었다면 어떻게 반응했을지 짐작할 수있을 뿐이며 이제는 전 세계에서 그것들을 볼 수 있습니다.


거주 가능한 행성의 자극이 지리적 위치에서 멀어 지도록 실질적이고 안정적인 이동을 유발할 수있는 것은 무엇입니까?

대부분의 행성에는 지리적 위치와 잘 일치하는 자극이 있습니다. 예를 들어, 지구상에서 자기 쌍극자는 회전축에서 약 11도 기울어집니다. 내가 아는 한 이것은 자기장이 생성되는 방식의 결과입니다. 내가 다이나모 이론에 대한 전문가는 아니지만, 여기에 내가 이해 한 것의 요점이 있습니다. 용융 된 외부 코어의 대류 전류가 자기장을 생성합니다. 코리올리 효과는 그것들을 (모호하게) 나선 흐름으로 정렬하고 그에 따라 필드를 행성 전체의 자기 쌍극자 필드로 정렬합니다. 유사한 과정이 가스 거인에게도 적용되지만, 문제의 행성이 인간과 같은 생명체를 위해 거주 할 수 있어야하므로 여기서는 관련이 없다고 생각합니다.

그러나 천왕성에서 회전축과 자기장 사이의 기울기는 59도. 이것은 천왕성의 자기장이 행성 표면에 더 가까운 완전히 다른 방식으로 생성되기 때문일 수 있습니다.

행성이 여전히 다음 기준을 충족해야하는 동안 비슷한 규모 (& gt35도)의 행성 자기장에서 안정적인 기울기를 유발할 수있는 요인 :

  • 지능적인 삶을 포함하여 삶에 살 수 있어야합니다.
  • 회전축의 기울기는 계절을 고려하여 지구와 비슷해야합니다.
  • 필요한 경우, 중세 후기 기술 (목조 선박)을 사용하여 항해를 계속 허용하는 한 지구보다 조수 나 무거운 조수는 허용되지 않습니다.
  • 이 행성의 낮 / 밤주기는 지구와 비슷해야합니다 (그러므로 호스트 별이나 이와 유사한 것으로 조석이 잠기지 않습니다. 과도하지 않는 한 더 길거나 짧은 날은 허용됩니다)
  • 이 문맥에서 "안정적"이란 자극이 수천 년에 걸쳐 상당한 양만큼 움직이지 않아야 함을 의미하므로 많은 세대의 지적 생명체가 기본적으로 같은 방향으로 나침반 지점을 볼 수 있습니다. 지구에서 볼 수 있듯이 극 반전은 허용됩니다.

여기에 내가 이미 생각한 것들과 왜 그것들을 버려야하는지에 대한 목록이 있습니다. 어떤 식 으로든 작동하도록 할 수 있다면 모두 허용됩니다.

  • 자체 자기장을 가진 자연 위성 또는 이원 행성 (내가 말할 수있는 바와 같이, 그들은 엄청나게 강한 자기장이 필요하거나 우리 행성의 자기장에 의미있는 영향을 미치기 위해 매우 가깝습니다)
  • 행성의 고리 (우리 태양계에서는 가스 거인 만이 고리를 가지고 있지만, 더 작거나 작은 거대한 행성도 고리를 가질 수 있습니다. 그러나 얼음 / 바위로 만든 고리를 갖는 것만으로는 행성의 자기권에 큰 영향을 미치지 않습니다. . 자기장에 더 많은 영향을 미치는 물질일까요?)
  • 링 전류 (링 전류는 자기권에 영향을 미칠 수 있지만, 자기권에 갇힌 하전 입자에 의해 생성되기 때문에 처음에는 그것에 의존합니다. 링 전류를 임의로 바꿀 수있는 방법은 없습니다)
  • 강한 자기장에서 냉각 된 단단한 철심. 이것은 코어의 자기장을 제자리에 고정시키고 본질적으로 영구 자석으로 바꿉니다. 이 자기장은 회전축과 무관하므로 원하는만큼 잘못 정렬 될 수 있습니다. (그러나 내가 답을 찾을 수없는 몇 가지 공개 된 질문이 있습니다. 이것에 대해 충분히 강한 자기장을 합리적으로 생성 할 수있는 것은 무엇입니까? 영구 자석의 결과 장이 용융 된 코어에 의해 생성 된 장보다 상당히 약합니까? 그리고 얼어 붙은 코어 항구 생활? 행성 거주 가능성에 관한 Wiki에서는 판 구조론을 담당하기 때문에 적어도 생명에 도움이되는 용융 된 코어를 언급합니다. 반쯤 가서 자기장 기울기를 담당하는 크고 단단한 내부 코어를 가질 수 있습니까? 구조론을 위해 녹은 외부 코어?)
  • 이러한 기울기를 허용하는 자기장을 생성하는 완전히 다른 방법 (이것이 어떻게 생겼는지 모르겠지만 위의 요구 사항 목록이 충족되는 한 모든 것이 진행됩니다.)

물론 작동 할 수 있지만이 목록에없는 솔루션도 환영합니다!

나는 지금까지이 글을 더 넓은 범위의 세계 건설자들과 관련시키기 위해 우리 세계가이 기울기를 필요로하는 이유에 대해 이야기하지 않았습니다 (이러한 기울기가 세계에 영향을 미치는 많은 흥미로운 방법을 생각 해낼 수 있다고 확신합니다. 거주자) 그러나 관심있는 사람을 위해 여기에 내 이유를 설명하겠습니다. 이 중세 판타지 세계는 극지방이 얼어 있고 적도에 더 가까운 따뜻한 기후를 가진 지구와 비슷한 기후를 가지고 있습니다. 자기장의 기울기로 인해 자극은 더 온화한 기후로 떨어집니다. 이야기의 많은 갈등은 모든 나침반이 그곳으로 인도하고 오로라를 일반적으로 볼 수있는 것처럼이 자극이 영적으로 중요하다고 보는 종교 단체에서 발생합니다. 그들은 이것이 창조주-신이 바깥으로 세운 세상의 기원이라고 믿습니다.

이것은 StackExchange에 대한 첫 번째 게시물입니다. 지침을 올바르게 따르기를 바랍니다. 내가 어디로 잘못 가고 있는지 지적하는 의견에 감사드립니다. 영어가 제 모국어가 아니기 때문에 문법 오류를 수정하는 의견에 감사드립니다.


2 답변 2

이것은 실제로 조사되었습니다. 저는 Daniel Jontof-Hutter (2012)의 논문을 발견했습니다.이 논문은 다른 물체들 사이에서 토성 인 고리를 도는 입자의 안정성 분석을 수행했습니다. 그가 연구 한 한 가지 중요한 양은 전기력 대 중력의 비율, $ L _ * $입니다. $ L _ * gg1 $이면 전기력이 지배적이며 ( "Lorentz 체제"), $ L _ * ll1 $이면 중력이 지배적이었습니다. $ L _ * $의 정확한 값은 링이 안정적인지 여부를 결정합니다. 전자기장이 있으면 불안정해질 수 있습니다. 안타깝게도 분석 안정성 조건이 없으므로 질문에 대한 전체 답변을 얻기 위해 수치 시뮬레이션을 살펴 봐야합니다.


자기장이 행성 고리에 영향을 줍니까? -천문학

누가 답을 아는지 궁금합니다. 파편이 행성의 궤도에 떨어지면 작은 달이 행성의 로슈 한계 안에 들어간다고합시다. 반지는 어디에서 끝나고 그 이유는 무엇입니까?

Cassini Mission FAQ : 왜 토성의 고리가 모두 같은 평면에 놓여 있습니까? 왜 행성의 고리는 항상 적도면에서 발견되고 때로는 극을 교차하지 않는가? (http://saturn.jpl.nasa.gov/faq/FAQSaturn/index.cfm#q14)


토성이 다른 방향 (예 : 극면을 따라)에서 들어오는 입자를 포착하면 적도면으로도 끌어 당기는 경향이 있습니다. 토성의 빠른 회전은 적도 주위에 팽창을 일으키는 원심 효과를 만듭니다. 극점보다 적도 주변의 질량이 더 많기 때문에 토성의 중력은 중앙 주변에서 더 강하므로 들어오는 입자가 그곳에 끌어 당기는 경향이 있습니다. 일단 그 지역에 도착하면, 그들은 그 평면에서 궤도를 도는 많은 다른 입자들과 충돌 할 가능성이 있으며, 이는 초기 운동량을 빼앗아 적도 평면을 따라 움직이는 군중에 합류하도록 장려합니다.

엔지니어들은 모양을 유지하도록 만들었습니다. 그것은 실제로 생각 실험입니다. 만약 그러한 몸이 존재한다면 여전히 적도 주위에 고리가 생길까요? 나는 프레임 드래그로 인해 그들이 적도에 도달하는 경향이 여전히 있다고 생각하고 있지만 작은 행성 크기의 몸체에서는 그것이 발생하는 데 매우 오랜 시간이 걸릴 것이라고 생각합니다.

그들은 입자들이 서로 중력 적으로 충돌하고 상호 작용할 때 상쇄되는 경향이있는 고리의 평면에 수직 인 운동량으로 인해 고리를 형성 할 것입니다. 하지만 그 링이 거대한 볼 베어링의 회전에 맞춰 정렬되는 경향은 거의 없습니다. 프레임 드래그 효과가 관련되기 훨씬 전에 링 시스템이 쇠퇴 할 것이라고 확신합니다. 다른 궤도를 선회하는 물체로 인해 고리가 궤도에 정렬 될 수 있습니다.

회전하지 않은 물체가 있다고 가정합니다. 그러면 입자를 적도쪽으로 끌어 당기는 조석 팽창이 없습니다.

회전 할 때 질량이 고르게 분포 된 완전한 구형 체가되도록 설계했다면 어떨까요?

완벽하게 구형이든 아니든 상관 없습니다.

한 축을 중심으로 회전하는 모든 모양의 개체는 여전히 축에서 가장 먼 곳에서 더 무겁습니다.

한 무리의 사람들을 모아 한 줄로 손을 잡고 한 지점에서 모두 줄을 서서 그 지점을 돌아 다니게합니다. 그 지점에 서있는 사람은 단순히 제자리에있을 것입니다. 다른 쪽 끝에있는 사람이 따라 잡기 위해 달리게됩니다. 그 사람은 더 달려야합니다.

그리고 우리 모두는 무언가가 더 빨리 움직일수록 더 많은 질량을 얻는다는 것을 압니다. 그리고 더 무거워집니다.

따라서 대부분의 행성의 적도는 프레임을 끌지 않고 함께 회전합니다. 솔리드 (또는 반 솔리드) 모양을 유지하려면 폴보다 빠르게 이동해야합니다. 더 무거워지고 모든 파편을 그에 맞춰 끌어 당깁니다.

궤도를 도는 물체는 1 차의 적도 팽창이나 더 먼 물체에 의해 교란 될 수 있습니다. 예를 들어 달의 궤도는 지구 적도보다 태양에 의해 더 많이 교란됩니다. 따라서 행성이 천천히 회전하고 있다면 작은 적도 팽창이 생기고 고리는 주로 팽창이 아닌 다른 물체에 의해 교란 될 것입니다.

심하게 비축 대칭 인 물체 주위를 따라가는 링 입자는 어떤 종류의 궤도를 밟을까요?

간단한 대답을 제공하고,

행성이 완벽하고 구형으로 대칭이라고 가정하면 Fg는 표면 중력장의 모든 지점에서 동일합니다. 그러면 고리의 기울기는 그것이 어떻게 형성되었는지에 따라 달라집니다.

완전한 구체로 회전하도록 설계된 행성과 관련하여, 증가 된 상대 론적 효과는 적도 지역에 물질이 적거나 밀도가 낮기 때문에 상쇄 될 수 있으며, 따라서 극의 나머지 질량과 같도록 상대 론적 질량을 낮출 수 있습니다.


심하게 비축 대칭 인 물체 주위를 따라가는 링 입자는 어떤 종류의 궤도를 밟을까요?

불안정한 것들. 달의 석공과 아폴로 우주선이 배치 한 탐사선을 떠올려보십시오. 이것은 중력장에 관한 한 비축 대칭 몸체의 적절한 표현입니다.

나는 완전히 구형의 질량 분포를 가진 행성 주위의 고리가 황도면에 정착 할 것이라고 상상합니다. 일차에 편평이없는 경우 모든 고리 입자에 대한 불변 평면이됩니다. 그들은 기존의 편평한 행성 주위에 적도 고리의 형성을 유도하는 동일한 과정에 의해 다른 속도로 그 평면에서 진행하고, 운동량을 교환하고, 불변의 평면에 정착 할 것입니다.

나는 완벽하게 구형의 질량 분포를 가진 행성 주위의 고리를 상상할 것입니다 (하지만 가능성이 희박한 구성은 달성됩니다)
매우 느리게 회전하는 금성은 얼마나 가깝습니까?

황도면에 정착 할 것입니다. 일차에 편평이없는 경우 모든 고리 입자에 대한 불변 평면이됩니다. 그들은 기존의 편평한 행성 주위에 적도 고리의 형성을 유도하는 동일한 과정에 의해 다른 속도로 그 평면에서 진행하고, 운동량을 교환하고, 불변의 평면에 정착 할 것입니다.

그러나 행성이 자전하면 변하지 않는 "평면"이 없습니다. 내륜의 경우, 그들의 세차 운동은 행성의 적도에 더 가까울 것입니다. 외륜은 황도에 더 가까울 것이지만 황도에서는 그렇지 않습니다.

금성에서 어느 거리에서 (존재한다면) 금성의 적도 돌출부 (있는 그대로 작음)의 매력이 태양의 매력과 같습니까?

그러나 행성이 회전한다면, 불변의 "평면"은 없습니다. 우리가 논의한 가상의 "볼 베어링"이 아니라 회전으로 인해 편평한 행성에 대해 이야기하고 있다고 생각하십니까?
편평한 행성의 경우, 각 궤도 반경에 대해 식별 가능한 불변 평면이 여전히 있습니다. 평면은 궤도 반경이 증가함에 따라 적도에서 황도까지 부드럽게 변합니다.

그들은 다른 비율로 그 비행기에서 세차를 할 것이고, 교환 모멘텀으로,

어떤 입자가 운동량을 교환 할 수 있습니까?

두 개의 인접한 원형 고리가 운동량을 교환 할 수 있다면 고리는 존재할 수 없습니다. 내부 고리는 운동량을 잃고 수축하고 바깥 고리는 팽창합니다. 따라서 인접한 링은 운동량을 교환 할 수 없습니다.

이제 타원형 고리는 서로 옆에있을 수 없습니다. 왜냐하면 그 옆쪽이 다른 속도로 진행되어 서로 부딪 힐 것이기 때문입니다.

그러나 만약 우리가 적도 / 일식에서 멀리 떨어진 원형 고리를 가지고 있다면, 고리의 모든 입자들은 같은 속도로 전진하는 노드들을 가지고 있습니다. 링이 계속해서 세차하는 것을 막고 단일 평면에 안착하게하는 원인은 무엇입니까?

어떤 입자가 운동량을 교환 할 수 있습니까? 모든 입자가 운동량을 교환 할 수 있습니다.


두 개의 인접한 원형 고리가 운동량을 교환 할 수 있다면 고리는 존재할 수 없습니다. 내부 고리는 운동량을 잃고 수축하고 바깥 고리는 팽창합니다. 그렇기 때문에 반지의 수명이 제한되어 있으며 가장자리에 상대적으로 거대한 "양치기"위성이 존재하여 연장 될 수 있습니다.


그러나 만약 우리가 적도 / 일식에서 멀리 떨어진 원형 고리를 가지고 있다면, 고리의 모든 입자들은 같은 속도로 전진하는 노드들을 가지고 있습니다. 링이 계속해서 세차하는 것을 방지하고 단일 평면에 안착하게 만드는 이유 세차 속도가 궤도 반경의 함수이기 때문에 노드는 동일한 속도로 세차를하지 않습니다. 따라서 상당한 폭의 평면 외 링은 두꺼운 밴드로 번지고 입자는 중력 상호 작용에 의해 운동량을 교환하며 링은 국부 불변 평면에 정착합니다.

간단한 대답을 제공하고,

행성이 완벽하고 구형으로 대칭이라고 가정하면 Fg는 표면 중력장의 모든 지점에서 동일합니다. 그러면 고리의 기울기는 그것이 어떻게 형성되었는지에 따라 달라집니다.

완전한 구체로 회전하도록 설계된 행성과 관련하여, 증가 된 상대 론적 효과는 적도 영역에 물질이 적거나 밀도가 낮기 때문에 상쇄 될 수 있으며, 따라서 극의 나머지 질량과 같도록 상대주의 질량을 낮출 수 있습니다.

불안정한 것들. 달의 석공과 아폴로 우주선이 배치 한 탐사선을 떠올려보십시오. 이것은 중력장에 관한 한 비축 대칭 몸체의 적절한 표현입니다 (굵게 추가됨).
나는 당신이 질량 농도에서와 같이 매스 콘 (http://www.universetoday.com/2006/06/03/huge-asteroid-crater-in-antarctica/)을 의미했다고 생각합니다.

작은 달 / 테스트 입자에는 질량이 있습니다.

그들은 행성에 조수를 올릴 것입니다.

따라서 행성은 완벽하게 구형을 유지할 수 없습니다. 그래서.

행성은-그것이 불량 행성이 아니라면-별을 공전 할 것입니다.

별은 조수, 바람, 자기장, 차동 가열 등과 같은 많은 물리적 메커니즘을 통해 지구에 영향을 미칩니다.

결과적으로 행성은 완벽하게 구형으로 유지되지 않습니다.

또한 각운동량은 0이되지 않습니다.

(굵게 추가됨)
나는 당신이 질량 농도에서와 같이 매스 콘 (http://www.universetoday.com/2006/06/03/huge-asteroid-crater-in-antarctica/)을 의미했다고 생각합니다.

네, 감사합니다.
제출 버튼을 누르기 전에 오타를 교정해야합니다.

나는 그것이 다른 어떤 것보다 "더 쉽고"더 효율적인 회전 모드라고 생각할 것입니다. 그래서 그것이 어떤 유효한 물리학으로도 그것을 뒷받침 할 수 있는지는 모르지만 그 회전을 유지할 것입니다. 맞습니까? 만약 그렇다면, 반지가 축 중력 중심을 중심으로 진화 할 것으로 기대하지만, 더 혼란 스럽거나 적어도 퍼져 나갈 것입니다.

그러나 동적으로 불안정할까요? 질량이 극을 향하여 분포 된 상태에서 링이 형성되기 전에 균형을 잃게 만드는 긍정적 인 피드백이 있습니까?

여기에 생각 실험이 있습니다. 조석 스트레칭에 의해 형성된 난형 달은 1 차 궤도에서 떨어져 나갔고, 긴 축을 중심으로 회전하면서 자체 행성으로 감 깁니다. 핵심은 적도에서 슬럼프하기에는 너무 차갑고 단단합니다. 그러면 그 주위에 달빛이 부서집니다. 반지 또는 반지가 없습니까? 그리고, 그러한 몸은 그 회전에서 얼마나 안정적일까요? 곧바로 넘어지는 비둘기처럼 흔들 리거나, 아니면 윗부분처럼 긴 축에서 "위로"유지 될까요? 그렇다면 얼마나 오래 걸릴까요?

최소 관성 축 주위의 회전은 안정적인 구성이지만 최대 에너지 상태이기도합니다. 구부리거나 헐떡임 (액체 또는 대기가있는 경우) 또는 이와 유사한 방식으로 에너지 손실이 전혀 발생하지 않으면 신체는 결국이 최대 에너지 상태에서 벗어나 불안정한 기간을 거쳐 결국 끝납니다. 가장 큰 관성의 축을 중심으로 회전합니다. 장기적인 스핀 안정성을 위해 물체는 최대 관성 축을 중심으로 회전해야합니다. 유일한 예외는 물체가 완벽하게 고정되어있는 경우 가장 큰 축과 최소 관성 축이 모두 안정적인 경우입니다 (중간 축은 항상 불안정합니다).

최소 관성 축 주위의 회전은 안정적인 구성이지만 최대 에너지 상태이기도합니다. 구부리거나 헐떡임 (액체 또는 대기가있는 경우) 또는 이와 유사한 방식으로 에너지 손실이 전혀 발생하지 않으면 신체는 결국이 최대 에너지 상태에서 벗어나 불안정한 기간을 거쳐 결국 끝납니다. 가장 큰 관성의 축을 중심으로 회전합니다. 장기적인 스핀 안정성을 위해 물체는 최대 관성 축을 중심으로 회전해야합니다. 유일한 예외는 물체가 완벽하게 고정되어있는 경우, 최대 축과 최소 관성 축이 모두 안정적인 경우입니다 (중간 축은 항상 불안정합니다).

그렇다면 완벽하게 단단한 물체가 어떤 관성 축과도 정렬되지 않은 스핀을 가지고 있다면 무엇을할까요? 자유로운 세차 운동을 막을 방법이 있습니까?


12.5 행성 고리

위성 외에도 4 개의 거대 행성 모두 고리가 있으며, 각 고리 시스템은 수십억 개의 작은 입자 또는 행성 근처를 공전하는 "달 자리"로 구성됩니다. 이러한 각 고리는 고리 입자와 더 큰 달 간의 상호 작용과 관련된 복잡한 구조를 나타냅니다. 그러나 4 개의 고리 시스템은 표 12.2에 요약 된대로 질량, 구조 및 구성이 서로 매우 다릅니다.

행성 외부 반경
(km)
외부 반경
(아르 자형행성)
질량
(킬로그램)
반사율
(%)
목성 128,000 1.8 10 10 (?) ?
토성 140,000 2.3 10 19 60
천왕성 51,000 2.2 10 14 5
해왕성 63,000 2.5 10 12 5

토성의 큰 고리 시스템은 많은 미세 구조를 포함하는 여러 개의 크고 평평한 고리로 펼쳐진 얼음 입자로 구성됩니다. 반면에 천왕성과 해왕성 고리 시스템은 토성의 거의 반대입니다. 그들은 사이에 넓은 빈 틈이있는 몇 개의 좁은 고리에 국한된 어두운 입자로 구성됩니다. 목성의 고리와 적어도 하나의 토성의 고리는 작은 달에서 침식 된 먼지 입자에 의해 끊임없이 갱신되는 일시적인 먼지 띠일뿐입니다. 이 섹션에서는 토성과 천왕성의 두 가지 가장 거대한 고리 시스템에 중점을 둡니다.

반지의 원인은 무엇입니까?

고리는 행성 주위를 공전하는 케플러의 법칙을 따르는 작은 달과 같은 방대한 수의 입자 모음입니다. 따라서 내부 입자는 먼 입자보다 빠르게 회전하고 링 전체가 단단한 몸체로 회전하지 않습니다. 사실, 반지가 회전하는 것을 전혀 생각하지 않는 것이 아니라 개별 달릿의 회전 (또는 궤도 운동)을 고려하는 것이 좋습니다.

고리 입자가 넓은 간격을두고 있다면 별도의 달빛처럼 독립적으로 움직일 것입니다. 그러나 토성과 천왕성의 주요 고리에서 입자는 상호 중력의 영향을 미치기에 충분히 가까우며 때로는 저속 충돌에서 서로 문지르거나 서로 튕겨 나옵니다. 이러한 상호 작용으로 인해 우리는 고리를 가로 질러 움직이는 파도와 같은 현상을 볼 수 있습니다. 물의 파도가 바다 표면 위로 움직이는 방식입니다.

그러한 반지가 어떻게 만들어 지는지에 대한 두 가지 기본 아이디어가 있습니다. 첫 번째는 이별 가설, 이는 반지가 부서진 달의 잔해임을 암시합니다. 지나가는 혜성 또는 소행성이 달과 충돌하여 산산조각이 났을 수 있습니다. 그런 다음 조력은 파편을 분리하여 원반으로 흩어졌습니다. The second hypothesis, which takes the reverse perspective, suggests that the rings are made of particles that were unable to come together to form a moon in the first place.

In either theory, the gravity of the planet plays an important role. Close to the planet (see Figure 12.25), tidal forces can tear bodies apart or inhibit loose particles from coming together. We do not know which explanation holds for any given ring, although many scientists have concluded that at least a few of the rings are relatively young and must therefore be the result of breakup.

Rings of Saturn

Saturn’s rings are one of the most beautiful sights in the solar system (Figure 12.26). From outer to inner, the three brightest rings are labeled with the extremely unromantic names of A, B, and C Rings. Table 12.3 gives the dimensions of the rings in both kilometers and units of the radius of Saturn, 아르 자형토성. The B Ring is the brightest and has the most closely packed particles, whereas the A and C Rings are translucent.

The total mass of the B Ring, which is probably close to the mass of the entire ring system, is about equal to that of an icy moon 250 kilometers in diameter (suggesting that the ring could have originated in the breakup of such a moon). Between the A and B Rings is a wide gap named the Cassini Division after Gian Domenico Cassini, who first glimpsed it through a telescope in 1675 and whose name planetary scientists also gave to the Cassini spacecraft that explored the Saturn system.

Ring Name 2 Outer Edge
(아르 자형토성)
Outer Edge
(km)
Width
(km)
에프 2.324 140,180 90
2.267 136,780 14,600
Cassini Division 2.025 122,170 4590
1.949 117,580 25,580
1.525 92,000 17,490

Saturn’s rings are very broad and very thin. The width of the main rings is 70,000 kilometers, yet their average thickness is only 20 meters. If we made a scale model of the rings out of paper, we would have to make them 1 kilometer across. On this scale, Saturn itself would loom as high as an 80-story building. The ring particles are composed primarily of water ice, and they range from grains the size of sand up to house-sized boulders. An insider’s view of the rings would probably resemble a bright cloud of floating snowflakes and hailstones, with a few snowballs and larger objects, many of them loose aggregates of smaller particles (Figure 12.27).

In addition to the broad A, B, and C Rings, Saturn has a handful of very narrow rings no more than 100 kilometers wide. The most substantial of these, which lies just outside the A Ring, is called the F Ring its surprising appearance is discussed below. In general, Saturn’s narrow rings resemble the rings of Uranus and Neptune.

There is also a very faint, tenuous ring, called the E Ring, associated with Saturn’s small icy moon Enceladus . The particles in the E Ring are very small and composed of water ice. Since such a tenuous cloud of ice crystals will tend to dissipate, the ongoing existence of the E Ring strongly suggests that it is being continually replenished by a source at Enceladus. This icy moon is very small—only 500 kilometers in diameter—but the Voyager images showed that the craters on about half of its surface have been erased, indicating geological activity sometime in the past few million years. It was with great anticipation that the Cassini scientists maneuvered the spacecraft orbit to allow multiple close flybys of Enceladus starting in 2005.

Those awaiting the Cassini flyby results were not disappointed. High-resolution images showed long, dark stripes of smooth ground near its south pole, which were soon nicknamed “tiger stripes” (Figure 12.28). Infrared measurements revealed that these tiger stripes are warmer than their surroundings. Best of all, dozens of cryovolcanic vents on the tiger stripes were seen to be erupting geysers of salty water and ice (Figure 12.29). Estimates suggested that 200 kilograms of material were shooting into space each second—not a lot, but enough for the spacecraft to sample.

When Cassini was directed to fly into the plumes, it measured their composition and found them to be similar to material we see liberated from comets (see Comets and Asteroids: Debris of the Solar System). The vapor and ice plumes consisted mostly of water, but with trace amounts of nitrogen, ammonia, methane, and other hydrocarbons. Minerals found in the geysers in trace amounts included ordinary salt, meaning that the geyser plumes were high-pressure sprays of salt water.

Based on the continuing study of Enceladus’ bulk properties and the ongoing geysers, in 2015 the Cassini mission scientists tentatively identified a subsurface ocean of water feeding the geysers. These discoveries suggested that in spite of its small size, Enceladus should be added to the list of worlds that we would like to explore for possible life. Since its subsurface ocean is conveniently escaping into space, it might be much easier to sample than the ocean of Europa, which is deeply buried below its thick crust of ice.

Rings of Uranus and Neptune

Uranus’ rings are narrow and black, making them almost invisible from Earth. The nine main rings were discovered in 1977 from observations made of a star as Uranus passed in front of it. We call such a passage of one astronomical object in front of another an 신비로운. During the 1977 occultation, astronomers expected the star’s light to disappear as the planet moved across it. But in addition, the star dimmed briefly several times before Uranus reached it, as each narrow ring passed between the star and the telescope. Thus, the rings were mapped out in detail even though they could not be seen or photographed directly, like counting the number of cars in a train at night by watching the blinking of a light as the cars successively pass in front of it. When Voyager approached Uranus in 1986, it was able to study the rings at close range the spacecraft also photographed two new rings (Figure 12.30).

The outermost and most massive of Uranus’ rings is called the Epsilon Ring. It is only about 100 kilometers wide and probably no more than 100 meters thick (similar to the F Ring of Saturn). The Epsilon Ring encircles Uranus at a distance of 51,000 kilometers, about twice the radius of Uranus. This ring probably contains as much mass as all of Uranus’ other ten rings combined most of them are narrow ribbons less than 10 kilometers wide, just the reverse of the broad rings of Saturn.

The individual particles in the uranian rings are nearly as black as lumps of coal. While astronomers do not understand the composition of this material in detail, it seems to consist in large part of carbon and hydrocarbon compounds. Organic material of this sort is rather common in the outer solar system. Many of the asteroids and comets are also composed of dark, tarlike materials. In the case of Uranus, its ten small inner moons have a similar composition, suggesting that one or more moons might have broken up to make the rings.

Neptune’s rings are generally similar to those of Uranus but even more tenuous (Figure 12.31). There are only four of them, and the particles are not uniformly distributed along their lengths. Because these rings are so difficult to investigate from Earth, it will probably be a long time before we understand them very well.

학습 링크

Mark Showalter (of the SETI Institute) and his colleagues maintain the NASA’s Planetary Ring Node website. It is full of information about the rings and their interactions with moons check out their press-release images of the Saturn ring system, for example. And Showalter gives an entertaining illustrated talk about Saturn’s ring and moon system.

Example 12.1

Resolution of Planetary Rings

Solution

where angular diameter is expressed in arcsec. The distance of Saturn near opposition is about
9 AU = 1.4 × 10 9 km. Substituting in the above formula and solving for the angular resolution, we get

which is about 10 −3 arcsec, or a milliarcsec. This is not possible for our telescopes to achieve. For comparison, the best resolution from either the Hubble Space Telescope or ground-based telescopes is about 0.1 arcsec, or 100 times worse than what we would need. This is why such occultation measurements are so useful for astronomers.

학습 내용 확인

Answer:

Interactions between Rings and Moons

Much of our fascination with planetary rings is a result of their intricate structures, most of which owe their existence to the gravitational effect of moons, without which the rings would be flat and featureless. Indeed, it is becoming clear that without moons there would probably be no rings at all because, left to themselves, thin disks of small particles gradually spread and dissipate.

Most of the gaps in Saturn’s rings , and also the location of the outer edge of the A Ring, result from gravitational resonances with small inner moons. A resonance takes place when two objects have orbital periods that are exact ratios of each other, such as 1:2 or 2:3. For example, any particle in the gap at the inner side of the Cassini Division of Saturn’s rings would have a period equal to one-half that of Saturn’s moon Mimas. Such a particle would be nearest Mimas in the same part of its orbit every second revolution. The repeated gravitational tugs of Mimas, acting always in the same direction, would perturb it, forcing it into a new orbit outside the gap. In this way, the Cassini Division became depleted of ring material over long periods of time.

The Cassini mission revealed a great deal of fine structure in Saturn’s rings. Unlike the earlier Voyager flybys, Cassini was able to observe the rings for more than a decade, revealing a remarkable range of changes, on time scales from a few minutes to several years. Many of the features newly seen in Cassini data indicated the presence of condensations or small moons only a few tens of meters across imbedded in the rings. As each small moon moves, it produces waves in the surrounding ring material like the wake left by a moving ship. Even when the moon is too small to be resolved, its characteristic waves could be photographed by Cassini.

One of the most interesting rings of Saturn is the narrow F Ring , which contains several apparent ringlets within its 90-kilometer width. In places, the F Ring breaks up into two or three parallel strands that sometimes show bends or kinks. Most of the rings of Uranus and Neptune are also narrow ribbons like the F Ring of Saturn. Clearly, the gravity of some objects must be keeping the particles in these thin rings from spreading out.

As we have seen, the largest features in the rings of Saturn are produced by gravitational resonances with the inner moons, while much of the fine structure is caused by smaller embedded moons. In the case of Saturn’s F Ring, close-up images revealed that it is bounded by the orbits of two moons, called Pandora and Prometheus (Figure 12.32). These two small moons (each about 100 kilometers in diameter) are referred to as shepherd moons, since their gravitation serves to “shepherd” the ring particles and keep them confined to a narrow ribbon. A similar situation applies to the Epsilon Ring of Uranus , which is shepherded by the moons Cordelia and Ophelia. These two shepherds, each about 50 kilometers in diameter, orbit about 2000 kilometers inside and outside the ring.

학습 링크

You can download a movie showing the two shepherd moons on either side of Saturn’s F ring.

Theoretical calculations suggest that the other narrow rings in the uranian and neptunian systems should also be controlled by shepherd moons, but none has been located. The calculated diameter for such shepherds (about 10 kilometers) was just at the limit of detectability for the Voyager cameras, so it is impossible to say whether they are present or not. (Given all the narrow rings we see, some scientists still hope to find another more satisfactory mechanism for keeping them confined.)

One of the outstanding problems with understanding the rings is determining their ages. Have the giant planets always had the ring systems we see today, or might these be a recent or transient addition to the solar system? In the case of the main rings of Saturn, their mass is about the same as that of the inner moon Mimas. Thus, they could have been formed by the break-up of a Mimas-sized moon, perhaps very early in solar system history, when there were many interplanetary projectiles left over from planet formation. It is harder to understand how such a catastrophic event could have taken place recently, when the solar system had become a more stable place.


MAGNETOSPHERE

Introduction

Magnetospheres are new magnetic structures discovered during the space age by satellite-borne instruments that made possible physical measurements in distant regions previously not accessible. The first magnetosphere discovered was Earth's. Soon afterward, another discovery showed that space is not empty as once thought but is filled with ionized gases emanating from the Sun, stars, and other celestial bodies with high temperatures. It then became evident that magnetospheres are ubiquitous in space. What is a magnetosphere, how is it formed, and what are some of the important internal dynamics?

Let us first describe the environment in which magnetospheres are found. In our solar system, for example, the Sun's coronal atmosphere is hot, ∼10 6 K, and dynamic, so it expands into space. The expanding solar coronal atmosphere is called solar wind and consists mostly of hydrogen (∼95% H + ) and helium (∼5% He 2+ ) ions and an equal number of electrons. Matter in the ionized state is called plasma and much of known matter in the Universe exists as plasmas. Since ionized matter is a good electrical conductor and magnetic fields decay slowly in conductors, it was immediately verified that the solar wind carries with it solar magnetic fields into space. Space is therefore permeated with magnetized plasma.

The solar wind is different from winds in the lower atmosphere because it is always blowing. All of the planets immersed in the solar coronal atmosphere are interacting with it all the time. The electromagnetic (EM) interaction induces large-scale currents and forms magnetic cavities around magnetized planets. These cavities are called magnetospheres. Except for Mars and Venus, which do not have intrinsic magnetic fields, the planets in our solar system all have magnetospheres. This article will focus on planetary magnetospheres and emphasize features that are associated with Earth's magnetosphere, which has all of the elements to characterize a planetary magnetosphere ( Figure 1 ).

Figure 1 . A sketch of Earth's magnetosphere in the noon–midnight plane. The dashed lines are the original dipole field. The solid lines are magnetic fields modified by external currents. IMF stands for interplanetary magnetic field, which is of solar origin. Major features of the magnetosphere are shown. (R이자형 earth radius.)

The lower boundary of a planetary magnetosphere begins from that part of the atmosphere where ionized constituents play an important role in the dynamics of the upper atmosphere. For Earth, this boundary is located at ∼100 km where the ionosphere begins (ionospheres are formed by the Sun's ultraviolet radiation). The ionosphere is therefore part of the magnetosphere. The outer boundary of the magnetosphere is called the magnetopause, and it separates the domains of the planetary magnetic field and the solar wind that blows outside it. Its location is determined by the pressure balance between the solar wind and the planetary magnetic field. On an average day Earth's magnetopause at local noon (subsolar point) crosses the equatorial plane at ∼10R이자형 (average Earth radius, ∼6367 km), and at ∼20 R이자형 in the dawn and dusk sectors. In the antisunward direction, the magnetosphere has a magnetic tail. The geomagnetic tail extends beyond 100 R이자형.

As the Sun's coronal atmosphere expands into space the wind speed increases, and near Earth's position it is ∼400 km s −1 . This is faster than the speed of Alfven waves in the solar wind medium. Alfven waves, named after the Swedish Nobel laureate Hannes Alfven, are transverse magnetohydrodynamic waves travelling in the direction of the ambient magnetic field. As with objects that travel faster than the sound speed in the terrestrial atmosphere, a shock wave forms in front of Earth's magnetosphere. The Alfven wave steepens nonlinearly and a shock forms as the magnetosphere plows through the super-Alfvenic solar wind. The Alfven Mach number 미디엄 is about 8, which makes the Earth's shock wave a strong shock. The shock wave is detached and separated from the magnetopause by ∼1 R이자형.

The region behind the shock wave is called magnetosheath and it extends to the magnetopause. The magnetosheath is a turbulent region permeated by large amplitude waves and hot particles that have been created in the shock formation. As in ordinary shocks, the solar wind stream energy is converted to the thermal energy. The solar wind speed in the downstream region just behind the shock is much reduced, ∼50 km s −1 . The solar wind speed picks up again further downstream.

Inside the magnetosphere, Van Allen radiation belts, named after their discoverer, James Van Allen, are found. These are divided into inner (ionosphere to ∼45 R이자형) and outer (∼45 R이자형 to the magnetopause) radiation belts. The inner radiation belt energetic particles come from neutrons produced by cosmic rays that bombard the planet's atmosphere. Neutrons are unstable and have short lifetimes and they decay in flight into protons, electrons, and antineutrinos. The charged particles are captured by the planetary magnetic field. The primary source of Earth's energetic population in the inner radiation belt comes from these cosmic ray albedo neutron decay (CRAND) particles.

The source of the outer radiation belt particles is tied to solar wind and auroral disturbances which are dynamic. The outer magnetosphere is sometimes quiet, sometimes stormy, like the weather in the lower atmosphere of Earth. But unlike terrestrial weather, ‘space weather’ is driven by electrical forces powered by the disturbed solar wind connected to solar storms that produce flares and coronal mass ejections (CME). Spectacular auroral displays and intense radio emissions that occur in the polar regions of the planet are manifestations of space storms. The dancing lights of aurora are atmospheric emissions excited by precipitating energetic electrons that bombard the Earth's outer atmosphere. The radio emissions are generated by the unstable auroral particles.

Particles with millions of electron volt (MeV) energies are frequently produced during large space storms. These penetrating particles can impact on mankind as they can disrupt communication, impair satellite instrumentation and even cause damage to spacecraft. Another havoc is that currents of several million amps flow in the ionosphere during these storms. These ionospheric currents induce strong currents on the ground and have caused power outages in cities located in the auroral zone. A new practical goal of magnetospheric research is to learn to forecast space weather so as to forewarn when disruptive storms will occur and to predict which storms accelerate particles to MeV energies.

Particles in space rarely collide, because the density is so low and the mean free path so long. For example, in the outer magnetosphere there are ten thousand or so particles per cubic meter and in the solar wind a few million. The mean free path is of the order of an astronomical unit, 1.5×10 11 m. This unique feature of the space system makes it different from other particle systems where collisions are prevalent.

Many space phenomena are driven by ‘collisionless’ processes that involve collective interactions through the long-range electromotive force. Very little is known about these collective processes. Even though it is known that the disturbed solar wind fuels auroral and magnetic storms, the actual mechanism of how the solar wind mass, momentum, and energy are transported across the magnetopause is not yet understood. The Earth's shock wave is a collisionless shock and, like ordinary shocks, it dissipates energy. But the collisionless dissipation mechanism is very different from the classical dissipation mechanism where viscosity is produced by the colliding particles. How viscosity is produced in a collisionless process is a fundamental problem yet to be solved.


Saturn's Rings Are Disappearing

Infrared observations of Saturn were recorded using the 10-meter diameter Keck telescope in Hawaii. Through a careful analysis, Dr. James O'Donoghue and his team found a series of unusual bright and dark bands extending around the planet's upper atmosphere. It was found that these bands are linked to Saturn's rings by magnetic field lines, indicating that water ice from the rings is "raining" into the planet.

This mechanism is called "ring rain," and was discovered using Voyager spacecraft data in the 1980s by study co-author Dr. Jack Connerney. In this process, electrically charged icy dust in Saturn's rings is pulled into the planet along magnetic field lines by gravity. Modeling work by study co-author Dr. Luke Moore shows that if there is a small amount of rain, the ionosphere glows, while if there is a large amount of rain, it becomes dark.

In this new study, the rate of water flow into the planet is estimated to be one Olympic sized swimming pool every half an hour, meaning Saturn's rings will be gone in under 300 million years. This is short relative to the 4.5 billion-year age of the solar system. The findings suggest that giant planetary ring systems are not built to last forever.


The interaction between Saturn's moons and their plasma environments

Sven Simon , . Carol S. Paty , in Physics Reports , 2015

1 Introduction

After its arrival at Saturn in July 2004, the Cassini spacecraft commenced the most extensive survey of the giant planet’s magnetosphere in the history of unmanned space exploration. Following the completion of Cassini’s nominal mission in 2008, two extensions were granted, and the end of the spacecraft’s tour in the Saturnian system is now scheduled for September 2017. A major objective of the mission is the study of the interaction between Saturn’s moons and the magnetospheric plasma incident upon them.

At the time of this writing, Cassini had already provided plasma and magnetic field observations from 111 close flybys of Saturn’s largest satellite Titan. This moon is of particular interest, since it is the only planetary satellite in our solar system that is embedded in a dense, nitrogen-rich atmosphere with a surface pressure comparable to that of Earth. After the initial detection of active cryovolcanism at the small icy moon Enceladus in 2005, Cassini’s tour plan was modified, thereby permitting detailed studies of the interaction between Enceladus’ plume and its magnetospheric environment during so far 20 targeted flybys. In addition, the spacecraft has paid visits to several of the other large satellites in the inner and middle magnetosphere: Rhea (which was initially suspected to possess its own system of rings), Dione and Tethys.

During the remaining time of the mission, Cassini is scheduled to accomplish another three targeted Enceladus flybys as well as two flybys of Dione. These five encounters will mark the end of Cassini’s exploration of Saturn’s icy satellites in late 2015. However, the spacecraft will sample Titan’s plasma environment in Saturn’s nightside magnetosphere during another 15 close flybys, the last of them scheduled for 22 April 2017. The Appendix provides a comprehensive overview of the dates and flyby geometries for all encounters of the Cassini spacecraft with Saturn’s moons.

The inner icy satellites and Titan are located within Saturn’s magnetosphere for average solar wind conditions, revolving around the giant planet on prograde orbits in its equatorial plane. Since their orbital velocities are clearly exceeded by the speed of the at least partially corotating magnetospheric plasma, the moons are continuously “overtaken” by the magnetospheric flow. Thus, their trailing hemispheres are permanently exposed to bombardment by thermal magnetospheric plasma, impinging at relative velocities between a few 10 km / s at Enceladus and more than 100 km / s at Titan. Being enclosed within the boundaries of a magnetospheric cavity, these moons are also continuously exposed to large fluxes of trapped, high energy electron and ion particle radiation, differentiating their interactions from any obstacle in the solar wind.

The characteristics of the resulting plasma interaction process depend on the properties of the moon itself (e.g., the density of its atmosphere and ionosphere) as well as on the parameters (density, velocity, temperature, magnetic field strength) of the incident magnetospheric flow. A broad variety of different interaction scenarios is encountered at Saturn, thereby making its magnetosphere a formidable laboratory to study these basic plasma-physical processes. In general, each combination of obstacle type and magnetospheric environment category leaves a characteristic and unique imprint in the plasma flow pattern and the magnetic field near the moon. For this reason, plasma and magnetic field observations near Saturn’s moons provide a valuable diagnostic tool to gain access to the properties of the moons’ atmospheres, surfaces and interiors.

In the inner and middle magnetosphere–where the orbits of Enceladus, Tethys, Dione and Rhea are located–the Alfvénic Mach number of the incident plasma is smaller than one. Thus, if the obstacle to the flow possesses a substantial ionosphere, a system of Alfvén wings is generated by the interaction ( Neubauer, 1980, 1998 ). For the case of an obstacle that possesses a pronounced north–south asymmetry (such as Enceladus and the plume below its south pole), additional field-aligned currents are generated tangential to the surface of the satellite ( Saur et al., 2007 ). On the other hand, if the moon affects the impinging magnetospheric flow mainly by absorbing the particles hitting its surface, the magnetic field in the upstream region remains undistorted. At the wakeside, however, a void is formed in the magnetospheric plasma density, whereas the magnetic field strength is enhanced in order to compensate for the deficit of particle pressure. Such a scenario has been observed, e.g., at Tethys ( Khurana et al., 2008 ).

In many respects, the interaction between Titan’s dense, nitrogen-rich ionosphere and its magnetospheric environment was found to be very similar to the interactions of Venus, Mars or comets with the solar wind: a pronounced magnetic draping pattern is formed around Titan, often referred to as an induced magnetosphere. However, due to the submagnetosonic nature of the incident plasma, Titan’s induced magnetosphere lacks a bow shock in front of the moon.

Although the incident plasma conditions in Saturn’s inner magnetosphere are modulated by periodic variations on time scales of the planetary rotation period (about 10.7 h, cf. ( Gurnett et al., 2007 )), the parameters of the undisturbed magnetospheric flow near the inner icy satellites can be considered stationary on the time scales upon which the plasma interaction process takes place. These “local” plasma interaction scales are defined by, e.g., the convection time of a magnetic fluxtube through the interaction region or by the gyroperiods of the involved pick-up species. However, at the large distance of 20.3 R S where Titan orbits its parent planet, the notion of the moon interacting with a steady-state magnetospheric environment is no longer applicable. The interaction between Titan and its plasma environment is frequently distorted by the moon’s proximity to the Saturn’s magnetopause and by the inherent dynamics of the giant planet’s magnetosphere.

In this paper, we shall provide a comprehensive review of our current knowledge on the interaction between Saturn’s largest moons and their magnetospheric environments, taking into account in-situ observations and modeling results from the first eleven years of Cassini’s tour. Separate sections are devoted to each of the large Saturnian moons visited by Cassini: Enceladus (Section 4 ), Tethys (Section 5 ), Dione (Section 6 ), Rhea (Section 7 ) and Titan (Section 8 ). For each of these moons, we will discriminate between the interaction with the thermal (corotating) magnetospheric plasma and the impact of the moon on the highly energetic component of the ambient particle population. While the interaction with the thermal magnetospheric plasma usually generates strong currents that modify the moon’s electromagnetic environment, the energetic particle population is typically so dilute that these ions and electrons can be treated as test particles that are inserted into a pre-defined electromagnetic field configuration (i.e., the currents generated by these particles are so weak that the resulting modification of the electromagnetic fields is negligible).

However, before we begin our survey, we will provide a brief, tutorial-style review of several key elements involved in the interaction between a planetary moon and its magnetospheric environment: starting from the plasma and magnetic field perturbations generated by particle absorption at the surface alone (Section 3.1 ), we will move on to the concept of the Alfvén wings that are generated when a significant transverse current is present in the interaction region (Section 3.2 ). Finally, we will elaborate on the dynamics of energetic magnetospheric particles when exposed to the distorted electromagnetic fields near Saturn’s moons (Section 3.3 ).

We note that, in addition to the moons discussed in this review, Cassini accomplished one targeted flyby each of Hyperion (26 September 2005), Iapetus (10 September 2007) and Phoebe (11 June 2004). However, from these flybys only very little was learned about the plasma environments of these moons, and very few of the acquired datasets have already been presented in the peer-reviewed literature. Therefore, instead of discussing these events in separate sections, we will include information on them in the discussion of the other moons when appropriate.


비디오보기: დენის გამტარი მავთულის მიერ შექმნილი მაგნიტური ველი (팔월 2022).