Пролет “Вояджера-2” вблизи Урана в 1986 г. и Нептуна в 1989 г. принес неожиданную информацию о строении магнитных полей этих планет. У Земли, Сатурна и Юпитера магнитные поля имеют два четко выраженных полюса, расположенных приблизительно на оси вращения планеты. У магнитных полей Урана и Нептуна строгой дипольной структуры нет, а 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 всеобщего признания. Однако новое численное моделирование динамо-эффекта, генерирующего магнитные поля, показывает, что морфология поля может быть следствием своеобразной внутренней структуры этих планет (Aurnou J. // Nature. 2004. V.428. P.134-135). Тонкая электропроводящая оболочка, окружающая большое твердое ядро планеты с низкой проводимостью, создает динамо-эффект, способный генерировать наблюдаемые поля. Хотя полеты к Урану и Нептуну пока не запланированы, новые модели отчасти можно проверить по данным о структуре магнитных полей других планет
На фото - НЕПТУН.
Численная модель, представленная планетологами Гарвардского университета (Stanley S., Bloxham J. // Nature. 2004. V.428. P.151-153), показала, что, изменяя параметры внутренней структуры планеты, можно “создать” магнитное поле, подобное полям Урана и Нептуна. Все модели, демонстрирующие генерацию магнитных полей планет, состоят из одних и тех же компонентов: они содержат зону электропроводящей жидкости и источник энергии, обеспечивающий ее движение. Например, модель поля Земли учитывает богатую железом жидкую внешнюю часть ядра (электропроводящая жидкость) и охлаждение планеты (или радиоактивное нагревание), стимулирующее конвективные потоки в недрах. Другой необходимый элемент - вращение планеты, организующее движение жидкости: упорядоченное ее перемещение может породить крупномасштабное магнитное поле, а хаотическое его разрушает. И только когда эти условия соблюдены - в модели или в самой планете, - движущаяся электропроводящая жидкость превращается в динамо-машину, генерирующую магнитное поле.
Для планет земного типа конвективные движения обычно моделируются в толстой вращающейся оболочке, состоящей из жидкого проводника. Эта оболочка окружает относительно небольшое, твердое, электропроводящее внутреннее ядро. В результате получается дипольное магнитное поле, как у магнитного стержня, вытянутого вдоль оси вращения планеты. Подобная ситуация и у гигантов - Юпитера и Сатурна. У них маленькое твердое ядро окружено толстым конвективным слоем металлического водорода (под большим давлением водород диссоциирует на свободные протоны и электроны, поэтому его и называют металлическим).
Но такие модели не могут описать всех особенностей магнитных полей Урана и Нептуна, которые, по данным “Вояджера-2”, квадрупольны (т.е. похожи на комбинацию двух магнитных стержней - с двумя северными и двумя южными полюсами), а кроме того, как уже отмечалось, главная ось полей заметно отклоняется по направлению от оси вращения. Стенли и Блоксем построили численную модель, воспроизводящую эти особенности. Они предположили, что вместо толстой конвективной оболочки и твердого ядра на Уране и Нептуне имеется тонкий внешний конвективный слой ионизованной жидкости, окружающий внутренний жидкий ионизованный “океан”, где конвективное движение отсутствует. Детальные расчеты показывали, что при наблюдаемых низких тепловых потоках из недр этих планет конвективные движения могут возникать только в тонких приповерхностных слоях Урана и Нептуна, толщина которых составляет 20-25% радиуса планеты. Оказалось, что относительно простые изменения в структуре конвективной области могут привести к существенным изменениям геометрии магнитного поля, генерируемого динамо-эффектом. Причина таких изменений остается не до конца понятной. Не выяснено также, насколько устойчиво поведение этих сложных магнитных полей, поскольку пока были рассчитаны модели в сравнительно узком диапазоне параметров
Уран с Мирандой и Ариэлем.
К сожалению, в ближайшие годы не запланированы экспедиции к Урану и Нептуну, а значит, не представится возможности уточнить структуру их магнитных полей. Остается надеяться, что работа космических зондов “Кассини” вблизи Сатурна и “Мессенджера” вблизи Меркурия позволит проверить, насколько верна модель Стенли и Блоксема. Но важно уже то, что она демонстрирует способность базового процесса - конвекции во вращающейся сферической оболочке с электропроводящей жидкостью - объяснять основные структуры магнитных полей всех планет в Солнечной системе.
По материалам журнала "Природа" (автор статьи -Сурдин В.Г., кандидат физико-математических наук, Москва