Μια απόδοση των γραμμών μαγνητικού πεδίου της μαγνητόσφαιρας της Γης.
Στηναστρονομίακαιτην πλανητική επιστήμη, η μαγνητόσφαιρα είναι μια περιοχή του χώρου που περιβάλλει ένα ουράνιο σώμαστην οποία τα φορτισμένα σωματίδια επηρεάζονται από τομαγνητικό πεδίο αυτού του σώματος.[1][2] Δημιουργείται από ένα ουράνιο σώμα με ενεργό εσωτερικό δυναμό.
Στο διαστημικό περιβάλλον κοντά σε ένα πλανητικό σώμα, το μαγνητικό πεδίο μοιάζει μεμαγνητικό δίπολο. Πιο μακριά, οι γραμμές πεδίου μπορεί να παραμορφωθούν σημαντικά από τη ροή του ηλεκτρικά αγώγιμου πλάσματος, όπως εκπέμπεται από τον Ήλιο (δηλαδή τονηλιακό άνεμο) ή από ένα κοντινό αστέρι.[3][4] Πλανήτες με ενεργές μαγνητόσφαιρες, όπως ηΓη, είναι ικανοί να μετριάσουν ή να μπλοκάρουν τις επιπτώσεις της ηλιακής ακτινοβολίας ή της κοσμικής ακτινοβολίας, η οποία επίσης προστατεύει όλους τους ζωντανούς οργανισμούς από δυνητικά επιζήμιες και επικίνδυνες συνέπειες. Αυτό μελετάται στα εξειδικευμένα επιστημονικά αντικείμενα της φυσικής πλάσματος, της διαστημικής φυσικής και της αερονομίας.
Η μελέτη της μαγνητόσφαιρας της Γης ξεκίνησε το 1600, όταν οΓουίλιαμ Γκίλμπερτ ανακάλυψε ότι το μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια της Γης έμοιαζε με αυτό μιας μικρής, μαγνητισμένης σφαίρας. Στη δεκαετία του 1940, ο Walter M. Elsasser πρότεινε το μοντέλο της θεωρίας του δυναμό, το οποίο αποδίδει τομαγνητικό πεδίο της Γηςστην κίνηση τουσιδερένιου εξωτερικού πυρήνα της Γης. Μέσω της χρήσης μαγνητομέτρων, οι επιστήμονες μπόρεσαν να μελετήσουν τις διακυμάνσεις στο μαγνητικό πεδίο της Γης ως συναρτήσεις τόσο του χρόνου όσο καιτου γεωγραφικού πλάτους και μήκους.
Από τα τέλη της δεκαετίας του 1940, οι πύραυλοι χρησιμοποιήθηκαν γιατη μελέτη τωνκοσμικών ακτίνων. Το 1958, οExplorer 1, η πρώτη από τη σειρά διαστημικών αποστολών Explorer, εκτοξεύτηκε γιανα μελετήσει την ένταση των κοσμικών ακτίνων πάνω από την ατμόσφαιρα καινα μετρήσει τις διακυμάνσεις αυτής της δραστηριότητας. Αυτή η αποστολή παρατήρησε την ύπαρξη της ζώνης ακτινοβολίας Βαν Άλεν (που βρίσκεται στην εσωτερική περιοχή της μαγνητόσφαιρας της Γης), μετην παρακολούθηση τουExplorer 3 αργότερα εκείνο το έτος να αποδεικνύει οριστικά την ύπαρξή της. Επίσης κατά τη διάρκεια του 1958, οΕυγένιος Πάρκερ πρότεινε την ιδέα τουηλιακού ανέμου, μετον όρο «μαγνητόσφαιρα» να προτάθηκε από τονΤόμας Γκολνττο 1959 για να εξηγήσει πώς ο ηλιακός άνεμος αλληλεπιδρά μετο μαγνητικό πεδίο της Γης. Η μεταγενέστερη αποστολή τουExplorer 12το 1961 με επικεφαλής τους Cahill και Amazeen το 1963 παρατήρησε μια ξαφνική μείωση της έντασης του μαγνητικού πεδίου κοντά στον μεσημβρινό μεσημβρινό, η οποία αργότερα ονομάστηκε μαγνητόπαυση. Μέχρι το 1983, ο International Cometary Explorer παρατήρησε τη μαγνητοουρά, ή το μακρινό μαγνητικό πεδίο.[4]
Οι μαγνητόσφαιρες εξαρτώνται από διάφορες μεταβλητές: τον τύπο του αστρονομικού αντικειμένου, τη φύση των πηγών πλάσματος και ορμής, τηνπερίοδο περιστροφής του αντικειμένου, τη φύση του άξονα γύρω από τον οποίο περιστρέφεται το αντικείμενο, τον άξονα του μαγνητικού διπόλου καιτο μέγεθος και κατεύθυνση της ροής του ηλιακού ανέμου.
Η πλανητική απόσταση όπου η μαγνητόσφαιρα μπορεί να αντέξει την πίεση του ηλιακού ανέμου ονομάζεται απόσταση Chapman–Ferraro. Αυτό διαμορφώνεται από τον τύπο όπου το αντιπροσωπεύει την ακτίνα του πλανήτη, αντιπροσωπεύει το μαγνητικό πεδίο στην επιφάνεια του πλανήτη στον ισημερινό καιτο αντιπροσωπεύει την ταχύτητα του ηλιακού ανέμου:
Μια μαγνητόσφαιρα ταξινομείται ως «ουσιαστική» όταν ή όταν η κύρια αντίθεση στη ροή του ηλιακού ανέμου είναι το μαγνητικό πεδίο του αντικειμένου. Ο Ερμής, ηΓη, ο Δίας, ο Γανυμήδης, ο Κρόνος, ο Ουρανός καιο Ποσειδώνας, για παράδειγμα, παρουσιάζουν ουσιαστικές μαγνητόσφαιρες. Μια μαγνητόσφαιρα ταξινομείται ως «επαγόμενη» όταν ή όταν ο ηλιακός άνεμος δεν αντιτίθεται στο μαγνητικό πεδίο του αντικειμένου. Σε αυτή την περίπτωση, ο ηλιακός άνεμος αλληλεπιδρά μετην ατμόσφαιρα ή την ιονόσφαιρα του πλανήτη (ή την επιφάνεια του πλανήτη, εάν ο πλανήτης δεν έχει ατμόσφαιρα). Η Αφροδίτη έχει ένα επαγόμενο μαγνητικό πεδίο, που σημαίνει ότι επειδή η Αφροδίτη φαίνεται ναμην έχει εσωτερικά το φαινόμενο τουδυναμό, το μόνο μαγνητικό πεδίο που υπάρχει είναι αυτό που σχηματίζεται από το τύλιγμα του ηλιακού ανέμου γύρω από το φυσικό εμπόδιο της Αφροδίτης. Όταν , ο ίδιος ο πλανήτης καιτο μαγνητικό του πεδίο συμβάλλουν καιτα δύο. Είναι πιθανό ο Άρης να είναι αυτού του τύπου.[5]
Η απόδοση της δομής μιας μαγνητόσφαιρας από έναν καλλιτέχνη: 1)Τοξοειδές κρουστικό κύμα 2)Μαγνητοθήκη 3)Μαγνητόπαυση 4)Μαγνητόσφαιρα 5)Βόρειος ουραίος λοβός 6)Νότιος ουραίος λοβός 7)Πλασμόσφαιρα.
Υπέρυθρη εικόνα καιη αποτύπωση ενός καλλιτέχνη γιατο τοξοειδές κρουστικό κύμα γύρω από τοR της Ύδρας.
Τοτοξοειδές κρουστικό κύμα σχηματίζει τοπιο εξωτερικό στρώμα της μαγνητόσφαιρας, είναι το όριο μεταξύ της μαγνητόσφαιρας καιτουδιαστρικού μέσου. Γιατα αστέρια, αυτό είναι συνήθως το όριο μεταξύ του αστρικού ανέμου καιτου διαστρικού μέσου. Για τους πλανήτες, η ταχύτητα του ηλιακού ανέμου εκεί μειώνεται καθώς πλησιάζει τη μαγνητόπαυση.[6]
Ημαγνητοθήκη είναι η περιοχή της μαγνητόσφαιρας μεταξύ του τοξοειδούς κρουστικού κύματος και της μαγνητόπαυσης. Σχηματίζεται κυρίως από τον ηλιακό άνεμο (shocked solar wind), ανκαι περιέχει μια μικρή ποσότητα πλάσματος από τη μαγνητόσφαιρα.[7] Είναι μια περιοχή που εμφανίζει υψηλή ροή ενέργειας σωματιδίων, όπου η κατεύθυνση καιτο μέγεθος του μαγνητικού πεδίου ποικίλλει ακανόνιστα. Αυτό προκαλείται από τη συλλογή αερίων του ηλιακού ανέμου που ουσιαστικά έχει υποστεί θερμικοποίηση. Λειτουργεί ως μαξιλάρι που μεταδίδει την πίεση από τη ροή του ηλιακού ανέμου καιτο φράγμα του μαγνητικού πεδίου από το αντικείμενο.[4]
Ημαγνητόπαυση είναι η περιοχή της μαγνητόσφαιρας όπου η πίεση από το πλανητικό μαγνητικό πεδίο εξισορροπείται μετην πίεση από τον ηλιακό άνεμο.[3] Είναι η σύγκλιση του ηλιακού ανέμου από τη μαγνητόσφαιρα μετο μαγνητικό πεδίο του αντικειμένου καιτο πλάσμα από τη μαγνητόσφαιρα. Επειδή καιοι δύο πλευρές αυτής της σύγκλισης περιέχουν μαγνητισμένο πλάσμα, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους είναι πολύπλοκες. Η δομή της μαγνητόπαυσης εξαρτάται από τοναριθμό Μαχκαιτο βήτα του πλάσματος, καθώς και από το μαγνητικό πεδίο.[8]Η μαγνητόπαυση αλλάζει μέγεθος και σχήμα καθώς η πίεση από τον ηλιακό άνεμο αυξομειώνεται.[9]
Απέναντι από το συμπιεσμένο μαγνητικό πεδίο βρίσκεται ημαγνητοουρά, όπου η μαγνητόσφαιρα εκτείνεται πολύ πέρα από το αστρονομικό αντικείμενο. Περιέχει δύο λοβούς, που αναφέρονται ως βόρειος και νότιος λοβός της ουράς. Οι γραμμές μαγνητικού πεδίου στον βόρειο λοβό της ουράς δείχνουν προς το αντικείμενο ενώ αυτές στο νότιο λοβό της ουράς δείχνουν μακριά. Οι λοβοί της ουράς είναι σχεδόν άδειοι, με λίγα φορτισμένα σωματίδια που αντιτίθενται στη ροή του ηλιακού ανέμου. Οι δύο λοβοί χωρίζονται από ένα φύλλο πλάσματος, μια περιοχή όπου το μαγνητικό πεδίο είναι ασθενέστερο καιη πυκνότητα των φορτισμένων σωματιδίων είναι μεγαλύτερη.[10]
Η απόδοση της μαγνητόσφαιρας της Γης από έναν καλλιτέχνη.Διάγραμμα της μαγνητόσφαιρας της Γης.
Πάνω από τονισημερινό της Γης, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου γίνονται σχεδόν οριζόντιες και μετά επιστρέφουν γιανα επανασυνδεθούν σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Ωστόσο, σε μεγάλα υψόμετρα, το μαγνητικό πεδίο παραμορφώνεται σημαντικά από τον ηλιακό άνεμο καιτο ηλιακό μαγνητικό πεδίο. Στην φωτεινή πλευρά της Γης, το μαγνητικό πεδίο συμπιέζεται σημαντικά από τον ηλιακό άνεμο σε απόσταση περίπου 65.000 χιλιομέτρων. Το τοξοειδές κρουστικό κύμα της Γης έχει πάχος περίπου 17 χιλιόμετρα[11]και βρίσκεται περίπου 90.000 χιλιόμετρα από τηΓη.[12]Η μαγνητόπαυση υπάρχει σε απόσταση αρκετών εκατοντάδων χιλιομέτρων πάνω από την επιφάνεια της Γης. Η μαγνητόπαυση της Γης έχει συγκριθεί με κόσκινο επειδή επιτρέπει στα σωματίδια του ηλιακού ανέμου να εισέλθουν. Οι αστάθειες Kelvin–Helmholtz συμβαίνουν όταν μεγάλοι στροβιλισμοί πλάσματος ταξιδεύουν κατά μήκος της άκρης της μαγνητόσφαιρας με διαφορετική ταχύτητα από τη μαγνητόσφαιρα, προκαλώντας το πλάσμα να γλιστρήσει. Αυτό οδηγεί σε μαγνητική επανασύνδεση, και καθώς οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου σπάνε και επανασυνδέονται, τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου μπορούν να εισέλθουν στη μαγνητόσφαιρα.[13]Στη νυχτερινή πλευρά της Γης, το μαγνητικό πεδίο εκτείνεται στη μαγνητοουρά, η οποία κατά μήκος υπερβαίνει τα 6.300.000 χιλιόμετρα.[3]Η μαγνητοουρά της Γης είναι η κύρια πηγή του πολικού σέλαος.[10] Επίσης, οι επιστήμονες της NASA έχουν προτείνει ότι η μαγνητοουρά της Γης μπορεί να προκαλέσει «θύελλες σκόνης» στηΣελήνη δημιουργώντας μια διαφορά δυναμικού μεταξύ της πλευράς της ημέρας και της νύχτας.[14]
Πολλά αστρονομικά αντικείμενα δημιουργούν και διατηρούν μαγνητόσφαιρες. Στο Ηλιακό σύστημα αυτό περιλαμβάνει τονΉλιο, τονΕρμή, τονΔία, τονΚρόνο, τονΟυρανό, τονΠοσειδώνα[15]καιτονΓανυμήδη. Ημαγνητόσφαιρα του Δία είναι η μεγαλύτερη πλανητική μαγνητόσφαιρα στο Ηλιακό σύστημα, που εκτείνεται έως και 7.000.000 χιλιόμετρα την ημέρα και σχεδόν μέχρι την τροχιά του Κρόνου τη νύχτα.[16]Η μαγνητόσφαιρα του Δία είναι ισχυρότερη από της Γης κατά τάξη μεγέθους καιημαγνητική ροπήτου είναι περίπου 18.000 φορές μεγαλύτερη.[17]ΗΑφροδίτη, οΆρηςκαιοΠλούτωνας, από την άλλη πλευρά, δεν έχουν μαγνητικό πεδίο. Αυτό μπορεί να είχε σημαντικές επιπτώσεις στη γεωλογική τους ιστορία. Θεωρείται ότι η Αφροδίτη καιο Άρης μπορεί να έχουν χάσει το αρχέγονο νερό τους λόγω της φωτοδιάσπασης καιτου ηλιακού ανέμου. Μια ισχυρή μαγνητόσφαιρα επιβραδύνει πολύ αυτή τη διαδικασία.[15][18]Η μαγνητόσφαιρα ενός εξωπλανήτη[19] εντοπίστηκε το 2021.
↑Stern, David P.· Peredo, Mauricio (20 Νοεμβρίου 2003). «The Magnetopause». The Exploration of the Earth's Magnetosphere. NASA. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 19 Αυγούστου 2019. Ανακτήθηκε στις 19 Αυγούστου 2019.
↑HAT-P-11 Spectral Energy Distribution Signatures of Strong Magnetization and Metal-poor Atmosphere for a Neptune-Size Exoplanet, Ben-Jaffel et al. 2021