Wie schützt das Magnetfeld der Erde sie vor dem Sonnenwind?

Mehrere Quellen (siehe verknüpfte Fragen am Ende) sagen, dass das Magnetfeld der Erde uns vor dem Sonnenwind abschirmt. Der allgemeine Konsens ist, dass ohne das Magnetfeld der Erde die Atmosphäre zerstört und Leben nicht möglich wäre.

Mein Verständnis ist, dass der Sonnenwind zwischen positiv und negativ elektrisch geladenen Teilchen ziemlich ausgeglichen ist.

Würde dies nicht bedeuten, dass alle positiven Teilchen von einem der Erdpole angezogen und angesaugt würden und die negativen Teilchen vom anderen Pol angesaugt würden? Dass das Magnetfeld der Erde uns überhaupt nicht vor dem Sonnenwind schützt, sondern ihn nur an den Polen konzentriert? Wenn es nur an den Polen konzentriert ist, erhalten wir insgesamt immer noch die gleiche Menge an Partikeln, als wenn die Erde kein Magnetfeld hätte, warum wird also die Atmosphäre nicht abgestreift? Geht es um die Flugrichtung der Teilchen?

Ich weiß, dass der obige Absatz wahrscheinlich Missverständnisse enthält, da Beweise dafür, dass wir immer noch hier sind, nicht mit der Annahme übereinstimmen. Ich habe nur ein grundlegendes Verständnis von Magnetismus und elektrischer Ladung, daher würde eine gute Antwort erklären, wie und warum ich mich in Laienbegriffen irre. Ich denke, mein Missverständnis hat etwas mit dem Unterschied zwischen magnetischen und elektrischen Feldern zu tun.

Ich denke, die Hauptfrage, die ich beantwortet haben möchte, ist genauer gesagt: Was genau macht das Magnetfeld mit den Partikeln, so dass sie daran gehindert werden, die Atmosphäre abzustreifen?

Das Magnetfeld der Erde schützt uns ... vor welcher Bedrohung?

Würde ein Magnetstab durch den Mars ihn vor Sonnenwind schützen?

@infinitezero Ich habe das in A-Level-Physik studiert, aber das war vor ungefähr 9 Jahren. Mein Verständnis ist, dass ein geladenes Teilchen, das sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung zu seiner Bewegung erfährt. Wenn das stimmt, sollten die Teilchen im Sonnenwind dann nicht langsamer werden, aber dann immer noch an den Polen auf die Erde fallen? Wenn sie langsamer werden, wohin geht dann ihre Energie?
Das Magnetfeld der Erde crystalinks.com/earthsmagneticfield.html . Es gibt keine magnetischen Ladungen. Geladene Teilchen wirbeln nach unten in Richtung der Pole, auf dem Weg verlieren sie ihre Energie, indem sie auf Atmosphärenmoleküle treffen, und die meisten enden als Teil der Atmosphäre in den Nord- und Südpolen. Viele mit ausreichend hoher Energie, insbesondere Myonen, erreichen immer noch den Meeresspiegel, weil das Magnetfeld der Erde nicht stark genug ist. cosmic.lbl.gov/SKliewer/Cosmic_Rays/Muons.htm
Schauen Sie sich ein Elektron an, das im Magnetfeld einer Blasenkammer (mf senkrecht zum Bild) spiralförmig nach unten fliegt hst-archive.web.cern.ch/archiv/HST2005/bubble_chambers/… Die Hypothese ist, dass die Atmosphäre in der Höhe nicht direkt getroffen wird damit es abnimmt, obwohl dies ein Modell ist. Es gibt Fragen, siehe space.com/11187-earth-magnetische-field-solar-wind.html
@annav Bedeutet das, dass die Annahme, die ich in der Frage gemacht habe, richtig ist? Dass uns das Erdmagnetfeld überhaupt nicht vor dem Sonnenwind schützt, sondern ihn nur an den Polen konzentriert? Wenn es nur an den Polen konzentriert ist, erhalten wir immer noch die gleiche Menge an Partikeln, als ob es überhaupt kein Magnetfeld gäbe. Warum wird die Atmosphäre dann nicht abgestreift? Liegt es daran, dass die Bewegungsrichtung der Teilchen anders ist?
Sie verlieren allmählich Energie. Das Magnetfeld erstreckt sich viel weiter als die Atmosphäre. Die an den Polen ankommenden Teilchen sind immer noch energiereich genug, um Stickstoff und Sauerstoff anzuregen (Aurora ist die Folge), aber nicht, um die Atmosphäre zu entleeren. "Wie" ein Stein, der, anstatt herunterzufallen, gezwungen wird, sich spiralförmig zu drehen, bevor er auf den Boden trifft.
@Alchimista Wenn die Partikel Energie verlieren, wohin geht diese Energie dann?
@Karl Die Energie geht an die atmosphärischen Moleküle, auf die die Partikel treffen, und verlangsamt ihre Spirale. Wenn sie die Pole erreichen, geht es auch ans Licht, wie der andere Kommentar sagt, die Polarlichter. Licht ist auch Energie. Im Modell werden die von den Polen weg auftreffenden Teilchen um die Magnetfeldlinien gefangen, so schützt uns das Magnetfeld. Wie ich bereits sagte, ist es das vorherrschende Modell. Wenn mehr Daten von Planeten eintreffen, könnte es zu einer Änderung des Modells kommen, wie der von mir angegebene Link zu sagen scheint.
Im Wesentlichen sagt @Alchimista, dass die Partikel die Atmosphäre nicht abstreifen, weil sie Energie verloren haben, Annav sagt, dass sie diese Energie verloren haben, indem sie Moleküle in der Atmosphäre getroffen haben. Das scheint keinen Sinn zu machen. Wenn sie Energie verlieren, indem sie atmosphärische Moleküle treffen, warum wird dann die Atmosphäre nicht abgestreift?
@Karl wir sagen dasselbe. Wenn Sie sehen würden, wie das Elektron in der Blasenkammer um die Magnetfeldlinie herum Energie verliert, würden Sie verstehen, dass es durch Ionisierung inkrementell wenig Energie verliert, sodass die Moleküle nicht genug bekommen, um der Atmosphäre entzogen zu werden.
@Karl erstmal zur Ablenkung. Als ob eine zusätzliche Kraft, Reibung oder ein Aufwärtswind auf ein fallendes Objekt wirken würde. Als Analogie wird letzteres irgendwo einschlagen, aber einen kleineren, wenn überhaupt, Krater bilden.

Antworten (2)

Es hat weder mit Druck im thermodynamischen Sinne noch mit virtuellen Teilchen zu tun. Es gibt ein intrinsisches Magnetfeld, das irgendwie im Erdkern erzeugt wird (Dynamo-Diskussion könnte Bände füllen) und dieses Feld interagiert mit dem Magnetfeld und den geladenen Teilchen des Sonnenwinds . Da der Sonnenwind Überschall ist , wird ein Bugstoß erzeugt. Dadurch wird der Sonnenwind abgebremst und um die von der Erde abgehobene Magnetosphäre herum abgelenkt. Ohne dies wäre das konvektive elektrische Feld des Sonnenwinds (also im Grunde a E S w = − v S w × B S w Feld aufgrund der Bewegung geladener Teilchen, die ein Magnetfeld an der Erde vorbei tragen) würde die ionisierte obere Atmosphäre sehr schnell von der Erde wegziehen.

Dass das Magnetfeld der Erde uns überhaupt nicht vor dem Sonnenwind schützt, sondern ihn nur an den Polen konzentriert?

Das ist falsch, es schützt die Erdatmosphäre vor dem Sonnenwind, wie ich oben gesagt habe. Die Driftgeschwindigkeit, die durch das konvektive elektrische Feld des Sonnenwinds auf neu ionisierte Teilchen (Pickup-Ionen genannt) induziert wird, wird als ExB-Drift bezeichnet und reicht in der Geschwindigkeit von 10 s km/s bis 100 s km/s. Die Fluchtgeschwindigkeit von der Erde an der Oberfläche beträgt nur ~11,2 km/s. Also, wenn die ionisierte obere Atmosphäre plötzlich ausgesetzt wäre E S w , würden die Ionen und Elektronen sofort auf 10 bis 100 km/s beschleunigt und könnten dem Gravitationsfeld der Erde leicht entkommen.

Der Erdkern ist zu heiß, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Es ist der Dynamoeffekt des elektrischen Feldes der Erde, der das Magnetfeld der Erde erzeugt. Der geomagnetische Nordpol der Erde ist ein magnetischer Südpol.
Ich bin mir nicht sicher, woher Sie diese Informationen bekommen, aber es ist falsch. Hochtemperaturflüssigkeiten und -gase sind durchaus in der Lage, Ströme zu führen, die Magnetfelder erzeugen. Die Sonne hat Magnetfelder bis hinunter zum Kern und der Kern der Sonne ist deutlich höher als der Kern der Erde. Ja, mir ist bewusst, dass sich der magnetische Norden in der Nähe des geografischen Südpols befindet, obwohl ich nicht verstehe, warum das relevant ist.

Es ist die Ozonschicht, die geschützt werden muss, damit sie uns vor UV-Strahlung (Photonen) schützen kann.

Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass der Sonnenwind besteht aus:

  1. Elektronen

  2. Protonen

  3. Alpha-Teilchen

Der Sonnenwind ist ein Strom geladener Teilchen, die aus der oberen Atmosphäre der Sonne, der sogenannten Korona, freigesetzt werden. Dieses Plasma besteht hauptsächlich aus Elektronen, Protonen und Alphateilchen mit einer kinetischen Energie zwischen 0,5 und 10 keV.

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_wind

Nun erstreckt sich das Magnetfeld der Erde, das durch den flüssigen äußeren Eisenkern (elektrische Ströme) der Erde erzeugt wird, bis in den Weltraum jenseits der Ionosphäre.

https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field

Die Magnetosphäre ist die Region oberhalb der Ionosphäre, die durch die Ausdehnung des Erdmagnetfelds im Weltraum definiert ist. Es erstreckt sich mehrere Zehntausend Kilometer in den Weltraum und schützt die Erde vor den geladenen Teilchen des Sonnenwinds und kosmischen Strahlen, die sonst die obere Atmosphäre, einschließlich der Ozonschicht, die die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt, abtragen würden.

Nun brauchen wir die Magnetosphäre, weil sie die Ionosphäre schützt. Warum? Denn die Ionosphäre schließt die Mezosphäre ein.

Die Ionosphäre (/aɪˈɒnəˌsfɪər/ 1 [2]) ist der ionisierte Teil der oberen Atmosphäre der Erde, von etwa 60 km (37 Meilen) bis 1.000 km (620 Meilen) Höhe, eine Region, die die Thermosphäre und Teile der Mesosphäre und Exosphäre umfasst .

https://en.wikipedia.org/wiki/Ionosphere

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Warum brauchen wir nun die Mezosphäre? Denn es schützt die Stratosphäre, also auch die Ozonschicht.

Die Troposphäre, der unterste Teil der Erdatmosphäre, erstreckt sich von der Oberfläche bis etwa 10 km (6,2 Meilen). Darüber liegt die Stratosphäre, gefolgt von der Mesosphäre. In der Stratosphäre erzeugt die einfallende Sonnenstrahlung die Ozonschicht.

Wenn nun die gesamte Strahlung (geladene Teilchen) abgelenkt würde, dann hätten wir keine Ozonschicht und wir wären nicht vor UV-Strahlung geschützt.

Ultraviolette (UV), Röntgenstrahlen und kürzere Wellenlängen der Sonnenstrahlung sind ionisierend, da Photonen bei diesen Frequenzen genügend Energie enthalten, um ein Elektron bei Absorption aus einem neutralen Gasatom oder -molekül zu lösen. Bei diesem Vorgang erhält das leichte Elektron eine hohe Geschwindigkeit, so dass die Temperatur des erzeugten elektronischen Gases viel höher ist (in der Größenordnung von tausend K) als die von Ionen und neutralen Teilchen. Der umgekehrte Prozess zur Ionisation ist die Rekombination, bei der ein freies Elektron von einem positiven Ion „eingefangen“ wird. Die Rekombination erfolgt spontan und verursacht die Emission eines Photons, das die bei der Rekombination erzeugte Energie wegträgt. Wenn die Gasdichte in geringeren Höhen zunimmt, überwiegt der Rekombinationsprozess, da die Gasmoleküle und Ionen dichter beieinander liegen.

Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass der Sonnenwind die Ozonschicht abtragen könnte.

Aber Ihre Frage bezieht sich auf das Abstreifen der Atmosphäre und warum der Sonnenwind das nicht tut. Nun übt der Sonnenwind einen Druck aus. Wenn dieser Druck die Atmosphäre erreichen würde, würde er sie abstreifen.

Jetzt hat auch die Magnetosphäre einen Druck, der den Druck des Sonnenwindes ausgleicht.

Das Magnetfeld der Erde, das an seiner Oberfläche überwiegend dipolar ist, wird weiter draußen durch den Sonnenwind verzerrt. Dies ist ein Strom geladener Teilchen, der die Korona der Sonne verlässt und auf eine Geschwindigkeit von 200 bis 1000 Kilometern pro Sekunde beschleunigt. Sie tragen ein Magnetfeld mit sich, das interplanetare Magnetfeld (IMF).[24] Der Sonnenwind übt einen Druck aus, und wenn er die Erdatmosphäre erreichen könnte, würde er sie erodieren. Es wird jedoch durch den Druck des Erdmagnetfeldes ferngehalten. Die Magnetopause, der Bereich, in dem die Drücke ausgeglichen sind, ist die Grenze der Magnetosphäre. Trotz ihres Namens ist die Magnetosphäre asymmetrisch, wobei die sonnenzugewandte Seite etwa 10 Erdradien entfernt ist, die andere Seite sich jedoch in einem Magnetschweif erstreckt, der sich über 200 Erdradien hinaus erstreckt.[25] Sonnenwärts der Magnetopause ist der Bugstoß,

Die Antwort auf Ihre Frage lautet also:

  1. Im Grunde genommen bilden also die geladenen Teilchen den Sonnenwind, aber der Druck des Sonnenwinds ist wichtig, und dass die Magnetosphäre ihn ausgleicht, damit die Atmosphäre nicht abgestreift wird.

  2. Es ist die Ozonschicht, die geschützt werden muss, um uns vor UV-Strahlung zu schützen.

Einige der geladenen Teilchen gelangen in die Magnetosphäre. Diese winden sich um Feldlinien und springen mehrmals pro Sekunde zwischen den Polen hin und her. Außerdem driften positive Ionen langsam nach Westen und negative Ionen nach Osten, wodurch ein Ringstrom entsteht.

Die Antwort auf Ihre Frage lautet, dass die meisten geladenen Teilchen abgelenkt werden.

Nach dem Kommentar geht es bei der Frage mehr um die Erklärung auf QM-Ebene, wie der Druck der Magnetosphäre die Elektronen, Protonen und Alphateilchen des Sonnenwinds ablenkt.

Jetzt hat die Magnetosphäre Energie, und wenn die Teilchen des Sonnenwinds die Magnetosphäre erreichen, beginnt das Magnetfeld der Erde mit den Teilchen des Sonnenwinds zu interagieren. Diese Wechselwirkung wird durch virtuelle Photonen vermittelt.

Virtuelle Photonen sind keine echten Photonen, sie sind masselos, aber sie sind eine mathematische Art, die Wechselwirkung zwischen dem Feld und den Teilchen des Sonnenwinds zu beschreiben.

Wenn nun die Teilchen des Sonnenwinds mit dem Magnetfeld der Erde interagieren, wird die Energie des Magnetfelds als kinetische Energie und Impuls über virtuelle Photonen auf die Teilchen des Sonnenwinds übertragen, daher ändert sich die Flugbahn der Teilchen des Sonnenwinds, der Impuls ändert sich, sodass sie sich entfernen von der Erde.

Diese Antwort spricht viel darüber, warum das Magnetfeld wichtig ist, um uns zu schützen, aber meine Frage war eher, „wie“ es uns schützt. Es gibt einige Diskussionen darüber, dass das Magnetfeld den Sonnenwind verlangsamt und die Partikel abgelenkt werden, aber ich denke, aus der Frage, die ich bereits kenne, geht hervor, dass es nicht viele Details darüber gibt, wie die Partikel abgelenkt werden.
@Karl es ist der Druck, meine Antwort besagt, dass der Druck der Magnetosphäre die geladenen Teilchen ablenkt. Da die Strahlung aus Teilchen mit EM-Ladung besteht, werden sie durch den Druck der Magnetosphäre abgelenkt, bevor sie die Ionosphäre erreichen können. Fragen Sie, wie die geladenen Strahlungsteilchen auf QM-Ebene durch das EM-Feld der Magnetosphäre abgelenkt werden? Dies geschieht über virtuelle Teilchen. Die Strahlung des Sonnenwinds umfasst Elektronen, Protonen und Alphateilchen.
@Karl Wenn diese geladenen Teilchen die Magnetosphäre erreichen, interagiert das Magnetfeld der Erde mit ihnen über virtuelle Teilchen (virtuelle Photonen). Die Wechselwirkung verändert die Flugbahn der geladenen Teilchen der Strahlung, da die EM-Energie des Magnetfelds auf diese geladenen Teilchen des Sonnenwinds als kinetische Energie in eine von der Erde weg gerichtete Richtung übertragen wird. Wenn die Elektronen, Protonen und Alphateilchen beginnen, mit dem Magnetfeld der Erde zu interagieren, gewinnen sie über virtuelle Photonen kinetische Energie und Impuls aus dem Magnetfeld.
@Karl Somit wird die Flugbahn dieser Partikel weg von der Erde verändert.
@Karl Ich habe meine Antwort bearbeitet.
Wie schützt das Magnetfeld der Erde sie vor dem Sonnenwind?
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