Zemljina plazmatska fontana, koja prikazuje ionekisika,helija ivodika koji izbijaju u svemir iz područja blizu Zemljinih polova. Slabo žuto područje prikazano iznadSjevernog pola predstavlja plin koji se gubi sa Zemlje u svemir; zeleno je područjeaurora borealis – ili energija plazme koja se vraća u atmosferu.[1]
Polarni vjetar iliplazmatska fontana trajni je odljevplazme iz polarnih područja Zemljinemagnetosfere.[2]:29 Konceptualno sličansolarnom vjetru, jedan je od nekoliko mehanizama zaodljev ioniziranih čestica. Vjeruje se da su ioni ubrzani polarizacijskim električnim poljem, poznatim kao ambipolarno električno polje, primarni uzrok polarnog vjetra. Slični procesi odvijaju se i na drugimplanetama.[3]
Godine 1966. Bauer[4] i, odvojeno, Dessler i Michel[5] primijetili su da, budući da Zemljino geomagnetno polje iznad polova formira dugi rep od Sunca izvan Mjesečeve orbite, ioni bi trebali teći iz područja višeg pritiska uionosferi u svemir.[6] Izraz "polarni vjetar" skovan je[7]:1937 1968. u dvama člancima Banksa i Holzera[8] teIana Axforda.[9] Budući da je proces kojim ionosferska plazma struji od Zemlje duž linija magnetnog polja sličan toku solarne plazme od Sunčeve korone (solarnog vjetra), Axford je predložio izraz "polarni vjetar".
Najranija eksperimentalna karakterizacija polarnog vjetra potječe iz projekatasatelitaExplorer 33 iz 1966. i posebnoISIS-2 iz 1974.[10][11] Dodatni podaci iz misijeDynamics Explorer 1981. doveli su do određene nesigurnosti u teorijskim modelima o ulozi hladnih O+ iona. Ovo pitanje razjašnjeno je sveobuhvatnijim podacima sa satelitaAkebono iz 1989.[7]:1955 i satelitaPolar iz 1996.[7]:1966
Ideja o polarnom vjetru nastala je iz želje za rješavanjem paradoksa zemaljskoghelijskog proračuna. Taj paradoks sastoji se od činjenice što se čini da se helij uZemljinoj atmosferi proizvodi (radioaktivnim raspadomuranija itorija) brže nego što se gubi izlaskom iz gornje atmosfere. Spoznaja da bi se dio helija mogao ionizirati i stoga napustiti Zemlju duž otvorenih linija magnetnog polja u blizini magnetnih polova ("polarni vjetar") jedno je od mogućih rješenja paradoksa.
Konceptualni dijagram dva glavna učinka ambipolarnog električnog polja: napuhavanja ionosfere i stvaranja polarnog vjetra. Iskričava plava izmaglica koja okružuje Zemlju predstavlja plazmu u ionosferi. Iskričave linije predstavljaju polarni vjetar koji struji prema gore i van.[12]
Nakon 30 godina istraživanja pokazalo se da je "klasični" uzrok polarnog vjetra ambipolarni odljev termalne plazme: ubrzanje iona polarizacijskimelektričnim poljem u ionosferi.[2]:451 Polarizacija ili ambipolarno električno polje izvorno je predloženo 1920-ih za ioniziranezvjezdane atmosfere.[11]:1927 Razdvajanje gravitacijskog naboja stvara polje u iznosugdje je gravitacijsko polje, a srednja ionska masa, polovina razlike između mase jednostruko nabijenih iona i elektrona. Ova jednostavna formula primjenjiva je samo u plazmi u hidrostatskoj ravnoteži. Složeniji modeli primjenjivi na stvarne plazme pokazuju veću jačinu polja. U svakom slučaju polje je vrlo malo, ali, za razliku od drugih sila, usmjereno je dalje od gravitacije.[11]:1927 U plazmi niske gustoće na velikojnadmorskoj visini nadjačava gravitaciju za lahke ione.
U području polarnog vjetra ionosferska plazma se širi, a niska gustoća omogućuje gravitaciji da povlači ione prema dolje u odnosu na elektrone u plazmi. Razdvajanje naboja rezultira električnim poljem, koje zatim šalje neke ione prema gore i izvan atmosfere.[13]:147 Ovaj mehanizam poznat je kao "ambipolarni odljev",[14] a polje kao "ambipolarno" ili "polarizacijsko električno polje". Dodatni mehanizmi uključuju ubrzanje iona solarnimfotoelektronima koji bježe dužlinija magnetnog polja.[14]
Odljev iona zbog ambipolarnog električnog polja na kraju se akumulira uplazmasferi ako slijede zatvorene linije magnetnog polja, ali ioni koji slijede otvorene linije magnetnog polja izlaze iz Zemljinog sistema.[13]:167 Ioni koji slijede otvorene linije magnetnog polja guraju se od Sunca silama solarnog vjetra (antisolarna konvekcija).[13]:149
Pokrenuta su brojna istraživanja polarnog vjetra, uključujući ISIS-2, Dynamics Explorer, satelite Akebono i Polar, pokrivajući različite nadmorske visine,geografske širine i vremena u odnosu nasolarni ciklus. Neki od zaključaka uključuju sljedeće:[7]
sve tri vrste iona postižunadzvučne brzine iznad 7000km, a brzine se povećavaju na više od2 Macha iznad 50.000km;[7]:1976
brzina polarnog vjetra raste s nadmorskom visinom i veća je na strani Zemlje na kojoj je dan.
Polarizacija ili ambipolarno električno polje direktno je izmjereno 2022.sondažnom raketom lansiranom saSvalbarda. OvaNASA-ina misija nazvana je "Endurance".[12] Poređenje električnog potencijala na visini 250km s onim na 768km dala je razliku od +0,55volta s nesigurnošću od 0,09 volta.[15]
12Schunk, R. W.; Nagy, Andrew (2000).Ionospheres: physics, plasma physics, and chemistry. Cambridge atmospheric and space science series (jezik: engleski).New York: Štamparija Univerziteta u Cambridgeu.ISBN978-0-521-63237-9.
↑Bauer, S. J. (1966). "The structure of the topside ionosphere". u J. Frihagen (ured.).Electron Density Profiles in Ionosphere and Exosphere. North-Holland.
.jpg)
