Содержание
Физика и космос
Физика и космос
Категория
Область
8 декабря, 2022
Физически идентичные жидкости оказались совершенно разными на уровне молекул
Российские ученые показали, что вещества, имеющие одинаковые физические свойства, могут сильно разли…
8 декабря, 2022
Интерфейс со своим критическим током
Ученые Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ с коллегами обнаружили, что в м…
30 ноября, 2022
Модель распространения солнечного ветра объясняет «теплую погоду» в солнечной системе
Сотрудники ИКИ РАН предложили объяснение того, почему в дальней гелиосфере температура солнечного .
..
22 ноября, 2022
Ученые очистили воду с помощью квантовых точек и золота
Графен лежит в основе самых передовых прикладных разработок, но и у него есть свои минусы, которые…
21 ноября, 2022
Международная научная группа создала простой и компактный фемтосекундный тулиевый волоконный лазер
Лазерные системы на основе волокна, легированного редкоземельным металлом тулием, позволяют исс…
18 ноября, 2022
В ИТМО придумали, как закручивать частицы с помощью свойства квантовой запутанности
Закрученные частицы применяют в квантовой оптике и информатике, оптомеханике, биологии, астрофизик…
17 ноября, 2022
Физики СПбГУ смоделируют процесс, ответственный за космические взрывы
Ученые кафедры физики Земли Санкт-Петербургского университета в рамках стратегического партнерства.
..
31 октября, 2022
Обнаружен новый физический эффект, который может лечь в основу перспективных квантовых устройств
Физики открыли новый тип резонансных осцилляций сверхпроводящего критического тока, связанных с тунн…
26 октября, 2022
Межзвездная пыль позволила ученым взглянуть на Млечный Путь из далеких галактик
Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ), Физического института имени П. Н. Лебеде…
19 октября, 2022
Российские ученые выяснили, какой принцип используют вирусы для сборки своих оболочек
Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) выяснили, что при сборке обо…
17 октября, 2022
Первый в мире мультищелочной источник спин-поляризованных электронов создали сибирские физики
Ученые Института физики полупроводников им А.
В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) в коллаборации с колле…
13 октября, 2022
Свойства перспективного материала для восстановления тканей описали ученые
Российские ученые выяснили, как ведут себя при натяжении волокнистые материалы для регенерации ткане…
13 октября, 2022
Еще ярче: ученые ИТМО создали динамическую наноструктуру, которая в 35 раз лучше усиливает свет
Сотрудники физического факультета ИТМО разработали динамическую наноструктуру, в которой можно менят…
11 октября, 2022
Ученые ИТМО разработали новую стратегию создания фотонных топологических изоляторов
Коллектив фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метам…
6 октября, 2022
Миниатюрные постоянные магниты можно будет печатать на 3D-принтере
Ученые УрФУ и УрО РАН определяют оптимальные условия 3D-печати постоянных магнитов из магнитотвердых.
..
6 октября, 2022
Стальная текстурированная подложка поможет удешевить солнечные батареи
Российские ученые создали недорогой фотоэлемент, позволяющий эффективно преобразовывать энергию солн…
4 октября, 2022
В России определили, что снижает точность рамановской спектроскопии
О проведении первого в мире всестороннего исследования помех при рамановской спектроскопии заявили у…
22 сентября, 2022
Ученый КНИТУ впервые описал различные режимы образования плазмы в атмосферных условиях
Российский ученый впервые описал механизмы образования различных форм газовых разрядов постоянного т…
Физика Космоса презентация, доклад
ПРЕЗЕНТАЦИЯ
ПО ТЕМЕ: «ФИЗИКА КОСМОСА»
выполнил:
ученик 10 класса
Г.
МАГНИТОГОРСК,
2017ГОД
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ:
ПОНЯТИЕ «КОСМОС»
ОСОБЕННОСТИ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.
МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ.
НЕБЕСНЫЕ ТЕЛА:
ДВИЖЕНИЕ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ.
ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ.
ЗАКОНЫ КЕПЛЕРА.
ДОК-ВО ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ. МАЯТНИК ФУКО.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ВВЕДЕНИЕ. ПОНЯТИЕ «КОСМОС»
В современном понимании космос есть все находящееся за пределами земли и земной атмосферы.
В англоязычной научной литературе в качестве аналога термина «космос» пользуются словом «пространство» (space).
Физика космоса – наука о физических явлениях во вселенной. То, что обычно понимается под физикой космоса, во многом совпадает с более употребительным понятием «астрофизика».
Ближайшая и наиболее изученная область космоса – околоземное космическое пространство.
Свойства вещества и процессы, протекающие в этой области, в значительной мере определяются влиянием магнитного поля земли.
Поэтому ближний космос принято называть магнитосферой земли.
ВВЕДЕНИЕ. ПОНЯТИЕ «КОСМОС»
Земля с ее магнитосферой являются частью Солнечной системы, которая включает в себя Солнце, планеты, их спутники и кометы.
Пространство между планетами (межпланетное пространство) заполнено разреженной солнечной плазмой, непрерывно истекающей с поверхности Солнца.
Солнце – одна из ~ 1011 звезд, образующих гигантскую звездную систему – Галактику.
Галактика имеет вид плоского диска, на периферии которого расположено Солнце. Поэтому наблюдатель видит на ночном небосводе светящуюся полосу – Млечный Путь, состоящий из звезд галактического диска.
Галактики отличаются своими формами, размерами и числом входящих в них звезд.
Солнце
Наша Галактика
ВВЕДЕНИЕ. ОСОБЕННОСТИ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Отличительной особенностью астрофизических исследований является невозможность поставить эксперимент в привычном для физики смысле этого слова.
Не представляется возможным специальным образом подготовить исследуемый космический объект или вообще как-то повлиять на него.
Исключением являются исследования физических явлений в межпланетном пространстве, где имеется возможность производить непосредственное измерение требуемых параметров с помощью приборов, установленных на космических аппаратах.
В остальных случаях основным источником сведений о небесных телах являются разного типа излучения, которые либо испускаются, либо отражаются этими телами.
Узнать больше
ВВЕДЕНИЕ. ОСОБЕННОСТИ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Диапазоны электромагнитного излучения, исследуемые в астрофизике:
ВВЕДЕНИЕ. МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ
РАССТОЯНИЕ ДО КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Для измерения расстояний между космическими объектами в зависимости от рассматриваемой ситуации или задачи в современной астрофизике используется ряд внесистемных единиц.
Это связано с тем, что рассматриваемый диапазон величин различается на десятки порядков.
1 а.е. = 1,5 · 1013 см
Естественной мерой расстояний в Солнечной системе служит астрономическая единица (а.е.), равная величине большой полуоси земной орбиты.
При исследовании звезд нашей звездной системы – галактики – и других еще более удаленных объектов, удобнее пользоваться другой единицей – парсеком (пк). Парсек – это такое расстояние, с которого отрезок, равный большой полуоси земной орбиты, расположенный перпендикулярно лучу зрения, виден под углом 1» (угловая секунда).
1 пк = 206265 а.е. ≈ 3,1 · 1018 см
1 св.г. ≈ 9.5∙1017 см ≈ 1/3.26 пк
Наряду с парсеком в астрономии широко используется другая единица измерения расстояний – световой год (св. г.). Световым годом называется расстояние, которое свет проходит за один год (примерно 3,2∙107с).
ВВЕДЕНИЕ. МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ
РАССТОЯНИЕ ДО КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Расстояние до объекта в парсеках определяется по очевидной формуле:
d = 1/π
Для определения расстояний до более далеких звезд используются различные косвенные методы, получившие совокупное название методов установления шкалы расстояний во Вселенной.
В основе многих методов лежит определение фотометрического расстояния от светящегося объекта (например, звезды) по принимаемому значению плотности потока энергии излучения F, если светимость (количество энергии, излучаемой за секунду) объекта L известна из других соображений. Предполагая сферическую симметрию излучения, нетрудно установить связь между плотностью потока энергии излучения и светимостью(*). Отсюда получаем выражение для расстояния до объекта(**).
ВВЕДЕНИЕ. МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ
МАССЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Массы астрофизических объектов различаются на много порядков. Типичная масса звезд равна массе Солнца
Mʘ ≈ 2·1033 г
Массы стационарных звезд лежат в пределах
от 0.1 до 100 Mʘ
Масса самых больших планет-гигантов типа Юпитера не превышает несколько тысячных долей Mʘ
Суммарная масса светящихся звезд типичной галактики, подобной нашей Галактике (или Млечному Пути), составляет
MMW ≈ 1011Mʘ
Массы галактик лежат в широких пределах:
от ~106Mʘ до ~1012Mʘ
НЕБЕСНЫЕ ТЕЛА.
Гравитационное взаимодействие, которое не играет существенной роли в структуре окружающего нас вещества и в поведении составляющих его частиц, является основным фактором, определяющим не только движение небесных тел, но также и их эволюцию.
Поскольку типичные скорости небесных тел v относительно невелики в сравнении со скоростью света v
УЗНАТЬ БОЛЬШЕ
НЕБЕСНЫЕ ТЕЛА. ДВИЖЕНИЕ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ.
НЕБЕСНЫЕ ТЕЛА. ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ.
Согласно открытому Ньютоном закону всемирного притяжения между парой массивных тел действует сила притяжения, величина (модуль) которой определяется выражением
Согласно второму закону Ньютона F = ma сила гравитационного притяжения сообщает каждому из взаимодействующих тел ускорение
При этом отношение ускорений двух тел обратно пропорционально отношению масс взаимодействующих тел.
https://youtu.be/ky4J1cImCzE
УЗНАТЬ БОЛЬШЕ
НЕБЕСНЫЕ ТЕЛА.
ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ.
МАЯТНИК ФУКО
Хотя в XIX веке никто из образованных людей уже не сомневался, что Земля вращается вокруг своей оси, а не Солнце вокруг неё, известный французский ученый Леон Фуко поставил в 1851 году опыт, который наглядно показывал вращение Земли.
Для своего опыта Фуко воспользовался свойством маятника сохранять плоскость своего качания даже в том случае, если место его подвеса вращается вокруг вертикальной оси.
В здании Пантеона в Париже Фуко подвесил маятник длиной 67 метров. Медный шар этого маятника весил 28 килограммов. Когда маятник в Пантеоне был запущен, то через несколько минут было обнаружено, что плоскость качания маятника изменилась, её ближайшая к наблюдателю сторона передвинулась по часовой стрелке с востока на запад. На самом же деле плоскость качания маятника осталась прежней.
За это время повернулась Земля с запада на восток.
Подобный маятник есть и в Санкт-Петербурге в Исаакиевском соборе, длина этого маятника равна 98 метрам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
С незапамятных времен человек, глядя на ночное небо, мечтал побывать в космосе. Мы живем в эпоху освоения космического пространства. Путешествия в космос теперь уже не мечта, а действительность.
Осуществляется мечта К. Э. Циолковского: “Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство”.
Успешно осваивают космос искусственные спутники Земли, пилотируемые космические корабли, орбитальные станции.
Человек произвел разведку планет Солнечной системы – Венеры, Марса, Юпитера, достиг поверхности Луны.
“Маленький шаг человека, но огромный шаг человечества”, — сказал Нил Армстронг, сделав первый шаг по Луне.
Все это стало возможным благодаря законам физики. Законы физики – это законы мира, в котором мы живем. Чтобы жить в согласии с окружающим нас миром, надо знать его законы и использовать их на благо мира.
ЛИТЕРАТУРА:
Введение в физику космоса: Учебное пособие. /Бережко Е.Г. /2014 г.
https://youtu.be/BUT3bDRiyPU
http://ppt4web.ru/fizika/fizika-v-kosmose.html
http://pikabu.ru/story/interesnyie_faktyi_o_kosmose_i_fizike_3828743
http://www.ikfia.ysn.ru/images/pdf/%D0%92%D0%B2%D0%A4%D0%9A2.3.pdf
https://youtu.be/ky4J1cImCzE
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!
Космическая физика | Физика и астрономия
Космическая физика изучает все, что находится выше атмосферы Земли, где находятся ионосфера и магнитосфера, а также от Солнца до края Солнечной системы. Плазма, газы заряженных частиц, составляют более 99% Солнечной системы, например, в солнечном ядре и короне, солнечном ветре, межпланетном пространстве и планетарных магнитосферах, и поэтому являются естественным центром дисциплины. Ионосфера представляет собой газ заряженных частиц, образующийся в результате ионизации частиц в атмосфере под действием УФ-излучения Солнца. Магнитосфера — это область пространства вокруг Земли, содержащая магнитное поле Земли, которое создается токами, протекающими во внешнем жидком ядре Земли, и простирается до места, где оно встречается с межпланетным магнитным полем, создаваемым солнечным ветром (магнитопауза). Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц, выбрасываемых из солнечной короны. Магнитосфера содержит радиационные пояса Ван Аллена, обычно два пояса, содержащие заряженные частицы высокой энергии, захваченные солнечным ветром и ионосферой. Открытие этих радиационных поясов в 19 в.50-х годов Джеймс Ван Аллен, профессор, который провел свою карьеру в Университете Айовы, через Explorer I запустил космическую физику как дисциплину. Солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем Земли, и возмущения могут привести к геомагнитным бурям, которые могут повлиять на спутники связи и GPS, космические корабли, энергосистему и другие технологии.
Исследования в области космической физики в Университете Айовы известны во всем мире, и среди выпускников программы есть такие ученые, как Дональд Гернетт (также провел свою карьеру в качестве профессора в UI), чьи открытия включают в себя решение того, как создаются полярные сияния, и обнаружение гелиопаузы ( граница между нашей Солнечной системой и космическим пространством) с «Вояджером-1» и Джеймсом Хансеном, новаторским климатологом и бывшим директором Годдардовского института космических исследований НАСА. В целом, исследователи из UI внесли свой вклад в создание инструментов для более чем ста миссий ракет и космических кораблей. Современные исследователи изучают такие темы, как происхождение магнитосферы и магнитного поля Юпитера, солнечный ветер, взаимодействующий с Марсом и лунами, свойства околосолнечных электронов, динамика заряженных частиц в магнитосфере Земли, физика полярных сияний, физика магнитного пересоединения на магнитопаузе. , магнитосферно-ионосферная связь, альфвеновские волны и исследование межзвездного пространства. Исследователи пользовательского интерфейса продолжают создавать инструменты, которые вносят свой вклад в миссии космических кораблей, включая текущие и недавние миссии, такие как TRACERS, Juno, Van Allen Probes, MMS и TRICE-2.
Регулярно предлагаются четыре продвинутых курса по основам физики плазмы и ее применению в космосе и астрофизических средах, а также периодически предлагаются специальные курсы по численному моделированию плазмы, приборам космических аппаратов для измерений плазмы и методам анализа данных в физике плазмы и космическая физика. Семинар по физике плазмы и семинар по космической физике и астрофизике проводятся еженедельно в течение учебного года.
Для получения дополнительной информации и ресурсов, связанных с исследованиями и проектами космической физики, проводимыми в Университете Айовы, см. https://space.physics.uiowa.edu/
Космическая физика: потребность в более широкой перспективе
1 Введение
Чтобы быть полезными сейчас и в будущем, космические исследования должны выполняться как можно более подробно и должны быть представлены в максимально широком содержании. Это очевидный совет для многих областей науки. Но в краткосрочной перспективе космос может быть более захватывающим, чем другие области исследований. Таким образом, важно понимать, что результаты вашей собственной узкой области исследований в долгосрочной перспективе не должны быть представлены только в подробном и ограниченном виде. Ограниченной презентации недостаточно, чтобы быть полезной вашим коллегам-ученым, обществу, недостаточно для привлечения внимания и финансирования.
Космическая физика может остаться отдельной наукой с точки зрения некоторых специальных технологий, включая ракеты-носители, космическую технику и научные приборы для экстремальных условий. Космическая наука должна стремиться стать менее изолированной темой академических исследований (как и несколько других тем, которые теперь рассматриваются как отдельные предметы). Космические результаты должны быть представлены таким образом, чтобы сделать их максимально полезными для других фундаментальных научных дисциплин, таких как астрофизика, астробиология и лабораторная физика плазмы, а также для прикладных наук, таких как космическая погода, взаимодействие космических аппаратов с окружающей средой и термоядерный синтез. Затем это может привести к приложениям в областях, о которых мы даже не думали сегодня.
Прежде всего, космические исследования должны быть нацелены на получение результатов с широким влиянием в этой области исследований. Сохранение этой более широкой перспективы во время каждого исследования делает текущие исследования более интересными, а результаты будут более полезными для более широкого сообщества. Ниже я привожу примеры трех исследований, в которых я провел подробные научные исследования и попытался представить результаты в широкой перспективе.
2 Примеры исследований с перспективой
Чтобы считаться исследованием, излагающим результаты в перспективе, исследование должно включать в себя новые результаты и новое понимание, должно по-новому объединять факты и оставаться интересным через 10 лет после публикации. Последнее требование несколько произвольно, но имеет то преимущество, что его можно проверить, проверив, используют ли другие ученые соответствующую публикацию в качестве ссылки через несколько лет. Вместо того, чтобы пытаться дать более строгое определение исследований с точки зрения, я приведу три примера исследований, которые я считал хорошими в то время и которыми я до сих пор горжусь.
2.1 Дисперсионные поверхности
Первый пример касается теории плазменных волн в нерелятивистской, бесстолкновительной, однородной и замагниченной плазме. Это хорошее первое приближение для изучения многих видов плазмы в космической физике и астрофизике. В бесстолкновительной плазме энергия не передается между заряженными частицами посредством коломбовских столкновений. Скорее заряженные частицы взаимодействуют через электромагнитные волны. Часто возникает необходимость определить, какая мода волны наблюдается. Соответствующие уравнения сложны, но их можно найти в учебниках, например, Chen (2016). В книгах и многих исследовательских работах также приводятся графики, иллюстрирующие особые случаи, такие как ограниченный диапазон частот и волновые векторы k, параллельные или перпендикулярные фоновому магнитному полю. Еще будучи студентом, мой научный руководитель разработал компьютерный код для изучения неустойчивостей волн в однородной, анизотропной и замагниченной плазме, WHAMP (Rönnnmark, 1982; Rönnmark, 1983), в то время как я провел много тестов и отладок. В рамках своих исследований я хотел разобраться, какие (не сильно затухающие) волны существуют при определенном сочетании параметров плазмы.
Дисперсионные поверхности, графики зависимости частоты от волнового вектора для всех направлений k (Oakes et al., 1979), полезный способ отображения численных результатов. Систематическое представление дисперсионных поверхностей (Андре, 1985) было частью моей диссертации. На рис. 1 показан пример поверхностей, охватывающих частоты, в три раза превышающие гирочастоту протона. Волновые моды, помеченные заглавными буквами, часто рассматриваются как отдельные и изолированные приближения. Здесь видно, что они плавно связаны при постепенном изменении k. Эти поверхности оказались очень полезными и включены в обзоры и книги (например, Benz (2002); Koskinen (2011)) и недавние кандидатские диссертации (например, Allison (2019)). )) Дело не столько в отдельной волновой моде, представленной небольшим участком поверхности и хорошо описываемой аналитическим приближением в учебнике. Дело скорее в общей картине всех возможных волновых мод, показывающей, какие волновые моды следует рассматривать. Объединение численных решений таким образом дает новую и полезную перспективу.
РИСУНОК 1 . Дисперсионные поверхности, частота волны показана как функция компонент волнового вектора. Здесь f и f cp — частота волны и гирочастота протона, k ⊥ и k ∥ — компоненты волнового вектора, перпендикулярные и параллельные фоновому магнитному полю, ρ p — гирорадиус протона. Волновые моды включают в себя: C) Ионные волны Бернштейна (также называемые ионными циклотронными гармониками, ICH, волнами), D) Нижние гибридные волны, E) Свистовые волны с правой круговой поляризацией (быстрые магнитозвуковые или компрессионные альфвеновские волны), F) Левополяризованный сдвиг Альфвена с круговой поляризацией волны (электромагнитный ионный циклотрон, ЭМИЦ, мода). От Андре (1985), где приведены детали модели плазмы.
2.2 Возбуждение ионов
Второй пример касается возбуждения ионов, покидающих ионосферу. Большая часть плазмы в магнитосфере возникает в ионосфере с начальной энергией менее одного электрон-вольта. Ионы, такие как H + и O + , покидающие авроральные области, могут затем получить энергию до нескольких кэВ. В дополнение к восходящему ускорению положительных ионов параллельно геомагнитному полю за счет перепадов потенциала, ускоряющих электроны вниз, вызывая полярные сияния, ионы часто возбуждаются в перпендикулярном направлении. Когда ионы покидают нижнюю ионосферу, в которой преобладают столкновения, этот нагрев может быть вызван различными электромагнитными волнами, в конечном счете питаемыми энергией солнечного ветра. Затем эти ионы могут адиабатически двигаться вверх по силовым линиям неоднородного земного магнитного поля и образовывать так называемые коники в пространстве скоростей ионов. С помощью зондирующих ракет и спутников ионных конических и связанных с ними волн проведено множество наблюдений с высот от нескольких сотен километров до нескольких радиусов Земли. Возможные механизмы перпендикулярной активации варьируются от почти статических структур электрического поля, волн ниже и вокруг ионной гирочастоты и волн вблизи более низкой гибридной частоты. Многие исследования пытались определить важный механизм. Было ясно, что может действовать более одного процесса, но, по крайней мере, для определенных областей пространства обычно искали (единственный) механизм.
Имея возможность посмотреть множество данных со шведского спутника «Фрея», запущенного в 1992 году для исследования авроральной области, я понял, что интереснее будет другой вопрос. Какова относительная важность различных механизмов (волновых мод)? Вместе с моим аспирантом Патриком Норквистом и другими коллегами мы провели статистическое исследование, используя наблюдения Фрейи, близкие к апогею 1700 км, включая более 200 событий одновременно наблюдаемых ионных коник и волн (Андре и др., 19).98). Мы обнаружили, что возбуждение O + в основном было вызвано широкополосными волнами, где частоты около гирочастоты были важны для резонансного нагрева. Иногда более важными были волны около половины частоты вращения протона (излучение ЭМИЦ) или волны около более низкой гибридной частоты. Мы использовали тестовые расчеты частиц, чтобы убедиться, что наблюдаемые амплитуды волн достаточно высоки, чтобы объяснить наблюдаемые энергии ионов. Мы также рассматривали и не учитывали другие возможные механизмы перпендикулярной энергизации ионов. Мы обнаружили, что многие предыдущие исследования были правильными в том, что они выявили вероятный механизм конкретного события. Наше исследование включало множество событий и показало, что широкополосные волны в целом вызывают большую часть перпендикулярной ионизации в авроральной области, в то время как другие волны иногда могут быть важны. Рассмотрение нескольких механизмов волнового нагрева в одном исследовании дало новую и полезную перспективу.
2.3 Ионосферный поток низкоэнергетических ионов
Третий пример касается ионов, вылетающих из ионосферы без особого возбуждения. Плазма в магнитосфере может образовываться либо в солнечном ветре, либо в ионосфере, и в течение десятилетий постепенно стало ясно, что ионосфера может быть важным источником и на больших высотах (Chappell et al. , 1980; Chappell, 2015). Проблема в больших областях магнитосферы состоит в том, что космический аппарат при солнечном свете в разреженной плазме будет заряжаться положительно до десятков вольт за счет эмиссии фотоэлектронов. Следовательно, положительные ионы из ионосферы с энергией эВ не достигнут космического аппарата. Эти ионы часто имеют дрейфовую энергию, превышающую скорость распределения тепловой энергии. Текущие вверх ионы будут рассеяны большой электростатической структурой вокруг заряженного спутника. Это вызовет усиленный ионный след позади космического корабля. При одинаковых температурах электронов и ионов электроны с малой массой имеют гораздо более высокие тепловые скорости и сразу же заполняют этот след, создавая область позади космического корабля с избытком электронов. Результатом является локальное электрическое поле, вызванное комбинацией дрейфующих низкоэнергетических ионосферных ионов и заряженного космического корабля. Как PI, несущий основную ответственность за инструменты электрического поля и волн на четырех спутниках ESA Cluster, запущенных в 2000 году, я сначала рассматривал это локальное поле как проблему. Прибор EFW включает в себя две пары зондов на проволочных штангах в плоскости вращения каждого спутника. Каждая пара имеет расстояние между зондами 88 м, а электрическое поле получается из разности потенциалов между зондами.
Как только мы поняли, что ионный след является причиной локального электрического поля, Андерс Эрикссон и его аспирант Эрик Энгуолл начали разрабатывать метод использования этого локального поля для оценки потока истекающих ионов (Engwall et al., 2006a). ; Engwall et al., 2006b; Engwall et al., 2009b). Хитрость заключается в том, чтобы использовать прибор электронного дрейфа на каждом космическом корабле, измеряя дрейф искусственно испущенных электронов, когда они вращаются обратно к космическому кораблю под влиянием геофизического магнитного поля, измеряемого магнитометром FluxGate FGM. Эти электроны с энергией около кэВ имеют большие гирорадиусы и мало подвержены влиянию локального следа. Дрейфующие низкоэнергетические ионы затем могут быть обнаружены путем обнаружения кильватерного электрического поля, полученного как достаточно большая разница между квазистатическими электрическими полями, полученными с помощью инструментов EFW (полное электрическое поле) и EDI (геофизическое электрическое поле). Направление следа дает направление истечения ионов. Поскольку скорость дрейфа перпендикулярно E × B известна (из EDI и FGM), можно сделать вывод о параллельной скорости (Engwall et al., 2009).а; Андре и др., 2015). Плотность может быть получена путем калибровки наблюдений потенциала космического корабля, который на практике получается как разность потенциалов между зондами EFW (почти при потенциале плазмы) и космическим кораблем (Lybekk et al., 2012; Haaland et al., 2017). Затем можно получить поток ионов из скорости дрейфа и плотности. Первая важная перспектива в этом примере — серьезно попытаться понять наблюдения, которые сначала кажутся странными или просто неправильными. В этом случае два прибора, наблюдавшие один и тот же параметр — электрическое поле, дали разные результаты. Вместо того, чтобы решать, что по крайней мере одно наблюдение должно быть неверным, понимание ситуации показывает, что оба верны: одно показывает локальное поле вокруг заряженного космического корабля (EFW), а другое — геофизическое поле, присутствующее в больших регионах (EDI). Эта более широкая перспектива затем дает возможность оценить параметр, который, как считается, невозможно измерить, а именно поток ионосферных низкоэнергетических ионов.
Метод кластерного следа для оценки потока исходящих ионосферных ионов был затем использован для улучшения карты плазмы в магнитосфере. Вместе с Крисом Калли я провел исследование, результатом которого стал обзор низкоэнергетических ионов на рисунке 2 (André and Cully, 2012). Результаты исследования полярных лепестков на ночной стороне взяты из исследования Engwall et al. (2009a) исследование методом следа. Для дневной стороны мы использовали этот метод вместе с другими оценками. Иногда ионы с низкой тепловой скоростью имеют достаточно большой дрейф E × B, чтобы их можно было обнаружить бортовым ионным прибором также на заряженном космическом корабле. Мы также сравнили общую плотность, полученную из наблюдений за волнами, с наблюдениями с помощью приборов для частиц, чтобы оценить, какая часть популяции ионов была низкоэнергетичной и скрытой от прямого обнаружения. Эта общая картина была подтверждена более крупным статистическим исследованием с использованием данных за 10 лет и метода следа в полярных долях (André et al., 2015). Кроме того, этот метод был проверен различными способами, такими как использование аналогичного метода в солнечном ветре и сравнение с данными приборов для измерения частиц на более низкой высоте, где зарядка космического корабля не представляет проблемы (André et al., 2021b,a). По сравнению с обзором многих наблюдений обзор на рис. 2 по-прежнему полезен (Toledo-Redondo et al., 2021). Раньше многие низкоэнергетические ионы ионосферного происхождения не могли быть обнаружены. Объединение наблюдений с помощью нескольких инструментов и методов в общий обзор, подобный представленному на рис. 2, дает новый и полезный взгляд на магнитосферу.
РИСУНОК 2 . Обзор оттока ионов с Земли. Указаны области с преобладанием низкоэнергетической (эВ) плазмы ионосферного происхождения. Приведены по порядку величины скорости истечения, плотности и процент времени доминирования низкоэнергетичных ионов в плотности. Из Андре и Калли (2012).
Для всех трех вышеприведенных примеров некоторые теории или данные были добавлены к предыдущим знаниям. Но самое главное — это новая общая картина. Как связаны разные волновые моды с разными названиями, делая вывод о том, что несколько волн могут возбуждать ионы в авроральной области, но один тип, как правило, более важен, и понимая, что низкоэнергетические ионы ионосферного происхождения не только спорадически обнаруживаются на больших высотах, но и являются очень общий компонент магнитосферной плазмы.
3 Ученый с перспективой
Успешный ученый-космонавт умен и амбициозен в широком смысле этих слов. Но также окружающая семья, общество и культура оказывают значительное влияние на то, кто станет великим ученым (Gladwell, 2009). Предприниматели-экстраверты часто востребованы для руководства научными проектами, при этом ясно, что интроверты и тихие люди могут быть одинаково хорошими учеными и лидерами (Cain, 2013). Для сложных (научных) задач, решение которых требует времени, кажется, что группа людей со смешанными навыками и опытом часто добивается успеха. Различные навыки могут включать, например, опыт проектирования приборов, анализа данных и численного моделирования. Члены группы могут различаться, например, по полу, этническому происхождению и возрасту. Разнообразие в команде не без проблем, но я думаю, что преобладают положительные аспекты (Carter and Phillips, 2017; Stangor, 2017; Peters, 2021). Это одна из причин достижения примерно равного числа ученых-женщин и мужчин на всех академических должностях (Coe et al., 2019).; Попп и др., 2019). Разнообразная команда с большей вероятностью будет иметь более широкую перспективу.
4 Заключение
Работа над сложной проблемой обычно становится более интересной, если во время работы удается сохранять более широкую перспективу. Результат становится более полезным для коллег-ученых и общества, когда он представлен в более широкой перспективе. Разнообразие в команде может помочь сохранить эту более широкую перспективу.
Заявление о доступности данных
Первоначальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью/дополнительный материал, дальнейшие запросы можно направлять соответствующему автору.
Вклад автора
Автор подтверждает, что является единственным автором этой работы и одобрил ее публикацию.
Финансирование
MA была поддержана контрактом Шведского национального космического агентства SNSA 2020-00058.
Конфликт интересов
Автор заявляет, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Примечание издателя
Все претензии, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.
Благодарности
Признательны за полезные обсуждения основных идей этой статьи с Susanne Höfner. Мы признательны Габриэлле Стенберг Визер и Кристине Андреен за полезные обсуждения ссылок и сопутствующих вопросов.
Ссылки
Allison, HJ (2019). Понимание того, как электроны с низкой энергией контролируют изменчивость поясов электронного излучения Земли (Великобритания: Кембриджский университет). Кандидат наук. Тезис.
Андре, М., и Калли, К.М. (2012). Низкоэнергетические ионы: ранее скрытая популяция частиц Солнечной системы. Геофиз. Рез. лат. 39, а–н. doi:10.1029/2011GL050242
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Андре, М. (1985). Дисперсионные поверхности. J. Плазменная физика. 33, 1–19. doi:10.1017/S0022377800002270
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Андре М., Эрикссон А. И., Хотяинцев Ю. В. и Толедо-Редондо С. (2021a). След космического корабля: помехи наблюдениям за электрическим полем и возможность обнаружения холодных ионов. JGR Космическая физика. 126, е29493. doi:10.1029/2021JA029493
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Андре М., Ли К. и Эрикссон А. И. (2015). Истечение низкоэнергетических ионов и солнечный цикл. Ж. Геофиз. Рез. Космическая физ. 120, 1072–1085. doi:10.1002/2014JA020714
Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Андре М., Норквист П., Андерссон Л., Элиассон Л., Эрикссон А. И., Бломберг Л. и др. (1998). Механизмы возбуждения ионов на высоте 1700 км в авроральной области. Ж. Геофиз. Рез. 103, 4199–4222. doi:10.1029/97JA00855
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Андре, М., Толедо-Редондо, С., и Яу, А. В. (2021b). «Холодные ионосферные ионы в магнитосфере», в Магнитосферы Солнечной системы, Геофизическая монография 259 . Редакторы Р. Маджоло, Н. Андре, Х. Хасэгава и Д. Т. Веллинг (Вашингтон, округ Колумбия: John Wiley & Sons), 219–228. doi:10.1002/978111950751210.1002/9781119815624.ch25
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бенц А. (2002). Астрофизика плазмы, кинетические процессы в солнечной и звездной коронах . второе издание, 279. Нью-Йорк: Kluwer Academic Publishers. doi:10. 1007/978-0-306-47719-5
Полный текст CrossRef | Академия Google
Каин, С. (2013). Тишина: сила интровертов в мире, который не может перестать говорить . Нью-Йорк: Рэндом Хаус. испбн: 978-0-307-35215-6.
Google Scholar
Картер А.Б. и Филлипс К.В. (2017). Обоюдоострый меч разнообразия: к модели двойного пути. Соц. Личный. Психол. Компас 11, e12313. doi:10.1111/spc3.12313
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Чаппелл, Ч. Р., Богер, Ч. Р., и Хорвиц, Дж. Л. (1980). Новые достижения в области термоплазменных исследований. Ред. Геофиз. 18, 853–861. doi:10.1029/RG018i004p00853
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Chappell, CR (2015). Роль ионосферы в обеспечении плазмой земной магнитосферы — исторический обзор. Космические науки. Ред. 192, 5–25. doi:10.1007/s11214-015-0168-5
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Чен Ф. Ф. (2016). Введение в физику плазмы и управляемый синтез . Нью-Йорк: Спрингер. doi:10.1007/978-3-319-22309-4
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Коу И. Р., Уайли Р. и Беккер Л.-Г. (2019). Организационный передовой опыт в области гендерного равенства в науке и медицине. Ланцет 393, 587–593. doi:10.1016/S0140-6736(18)33188-X
PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar
Энгвалл Э., Эрикссон А. И., Андре М., Дандурас И., Пашманн Г., Куинн Дж. и др. (2006а). Низкоэнергетический (порядка 10 эВ) ионный поток в лепестках хвоста магнитосферы, полученный из наблюдений за следом космического корабля. Геофиз. Рез. лат. 33, L06110. doi:10.1029/2005GL025179
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Энгуолл Э., Эрикссон А. И., Калли К. М., Андре М., Пул-Куинн П. А., Вейт Х. и др. (2009а). Обзор холодных ионосферных истечений в хвосте магнитосферы. Энн. Геофиз. 27, 3185–3201. doi:10.5194/angeo-27-3185-2009
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Энгволл Э. , Эрикссон А. И., Калли К. М., Андре М., Торберт Р. и Вейт Х. (2009 г.)б). В ионосферном оттоке Земли преобладает скрытая холодная плазма. Нац. Geosci. 2, 24–27. doi:10.1038/ngeo387
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Энгуолл Э., Эрикссон А. И. и Форест Дж. (2006b). Формирование следа за положительно заряженным космическим кораблем в потоке разреженной плазмы. Физ. Plasmas 13, 062904062904. doi:10.1063/1.2199207
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гладуэлл, М. (2009). Выбросы: история успеха . Нью-Йорк: Книги пингвинов. испн: 978-0-141-04302-9.
Google Scholar
Haaland, S., Lybekk, B., Maes, L., Laundal, K., Pedersen, A., Tenfjord, P., et al. (2017). Северо-южные асимметрии плотности холодной плазмы в лепестках хвоста магнитосферы: кластерные наблюдения. Ж. Геофиз. Res.Space Phys. 122, 136–149. doi:10.1002/2016JA023404
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Коскинен, HEJ (2011). Физика космических бурь: от поверхности Солнца до Земли . Нью-Йорк: Спрингер. doi:10.1007/978-3-642-00319-6
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Либекк Б., Педерсен А., Хааланд С., Свенес К., Фазакерли А. Н., Массон А. и др. (2012). Вариации солнечного цикла потенциала кластерных космических аппаратов и его использование для оценок электронной плотности. Ж. Геофиз. Рез. (Space Phys. 117, A01217. doi:10.1029/2011JA016969
CrossRef Full Text | Google Scholar
Oakes, ME, Michie, RB, Tsui, KH, and Copeland, JE (19)79). Поверхности с холодной плазменной дисперсией. J. Плазменная физика. 21, 205–224. doi:10.1017/S0022377800021784
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Питерс, У. (2021). Скрытые цифры: эпистемологические затраты и преимущества обнаружения (невидимого) разнообразия в науке. евро. J. Философия наук. 11, 33. doi:10.1007/s13194-021-00349-6
CrossRef Full Text | Google Scholar
Попп А. Л., Лутц С. Р., Хатами С., ван Эммерик Т. Х. М. и Нобен В. Дж. М. (2019 г.)). Глобальный обзор восприятия и воздействия гендерного неравенства в науках о Земле и космосе. Космические науки о Земле. 6, 1460–1468. doi:10.1029/2019EA000706
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Реннмарк, К. (1983). Примечание исследования: Расчет тензора диэлектрической проницаемости максвелловской плазмы. Физика плазмы. 25, 699–701. doi:10.1088/0032-1028/25/6/007
CrossRef Full Text | Google Scholar
Реннмарк, К. (1982). WHAMP — Волны в однородной, анизотропной, многокомпонентной плазме , 179. Кируна: Геофизический институт Кируны. Тех. Представитель
Google Scholar
Стангор, К. (2017). Групповые процессы . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. doi:10.1093/акр/97801
557.013.255
Полный текст CrossRef | Google Scholar
Толедо-Редондо, С., Андре, М., Аунаи, Н., Чаппелл, Ч.Р., Дарджент, Дж.